Наскоро изследователи от Университета на Квебек проведоха успешен експеримент в Лабораторията за усъвършенствани източници на лазерна светлина към Националния изследователски съвет на Канада (INRS), демонстрирайки обещаващо използване на ултрабърза лазерна технология за лъчетерапия на рак.
„Демонстрирахме за първи път, че при определени условия лазерен лъч, плътно фокусиран върху околния въздух, може да ускори електроните до енергийния диапазон MeV (мегаелектронволт), което е същата енергия като някои от радиаторите, използвани при радиация на рак терапия." каза Franois Légaré, професор в INRS и научен ръководител на Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Чрез плътно фокусиране на няколко цикъла на инфрачервен (IR) лазер на ниво милиджаул (mJ), фемтосекунда (fs), изследователите генерират релативистични електронни лъчи в околния въздух и постигат високи мощности на дозата до 0.15 Грей в секунда (Gy/s). При атмосферно налягане техният лазерен интензитет достига 1 × 1019 вата на квадратен сантиметър (W/cm-2). Екипът измерва получения електронен лъч и открива, че има максимална енергия до 1,4 MeV.
Екипът показа как тесният фокус на лазера, дългата дължина на вълната и продължителността на импулса с кратък цикъл се комбинират, за да ограничат ефекта на b-интеграцията върху фокусирания лазерен лъч. Високата плътност на въздушните молекули в йонизиращия се фокусен обем е достатъчна за образуване на плазма, близка до критичната плътност, което осигурява висока ефективност на преобразуване от лазери към електрони. Чрез триизмерни симулации на частица в клетка изследователите потвърдиха, че механизмът на ускорение е релативистично базиран, има потенциал за движение на масата и теоретично е в съответствие с измерените електронни енергии и разсейване.
Схема на експерименталната постановка: импулси от ултракъса инфрачервена лазерна светлина са плътно фокусирани върху околния въздух, произвеждайки висока доза йонизиращо лъчение.
Изследователите смятат, че силата на този лазерно управляван източник на електрони произтича от неговата простота. Една единствена фокусирана оптика в околния въздух може да произведе електронен лъч, който доставя доза радиация за една година на човек, стоящ на един метър разстояние, за по-малко от секунда. Не са необходими сложни настройки или вакуумни камери, което прави този метод подходящ за много приложения на облъчване чрез намаляване на изискванията за производство на свръхбързи източници на електрони MeV.
Напредъкът в лазерната технология позволи ускорението на лазерното пробуждащо поле - процес, който ускорява електроните до високи енергии за много кратък период от време чрез генериране на плазма - да работи в средния инфрачервен диапазон със системи от mJ-клас, за да произвежда високи потоци от частици от MeV електрони които могат да се използват в радиобиологични изследвания. Въпреки това, тези високоенергийни лазерно задвижвани електронни източници изискват сложни и обемисти инсталации във вакуумни камери, които ограничават достъпа до лъча.
Лазерно задвижвани източници на MeV електрони биха могли да осигурят нови подходи за лечение на рак, като FLASH лъчева терапия, метод за лечение на тумори, които са резистентни на конвенционалната лъчева терапия. С FLASH терапията високите дози радиация могат да бъдат доставени за микросекунди вместо за минути. Тази скорост на доставка помага за защита на здравата тъкан около тумора от ефектите на радиацията. Въпреки че ефектите от FLASH не са напълно разбрани, учените смятат, че FLASH може да причини бърза деоксигенация на здрава тъкан, намалявайки чувствителността на тъканта към радиация.
Измерена мощност на дозата на радиация (логаритмична скала) като функция на разстоянието от фокусната точка за три различни енергии на лазерния импулс.
„Нито едно проучване все още не е успяло да обясни естеството на светкавичния ефект“, каза изследователят Саймън Валиер, „Въпреки това, източникът на електрони, използван във FLASH лъчева терапия, има сходни характеристики с тези, които генерираме, като фокусираме лазера интензивно върху околния въздух. След като източниците на радиация бъдат по-добре контролирани, допълнителни проучвания ще ни позволят да изследваме причините за светкавичния ефект и в крайна сметка да осигурим по-добра лъчева терапия за пациенти с рак."
Изследователите вярват, че мащабируемостта на техния подход ще се увеличи с продължаващото развитие на лазери с висока средна мощност в клас mJ. Бързото развитие на лазерни източници, насочени към повишени налични импулсни енергии и честоти на повторение, може да позволи разширяването на INRS техниката до по-високи електронни енергии и по-големи дози.
Изследователите също подчертаха важността на безопасността при работа с лазерни лъчи, плътно фокусирани върху околния въздух. Когато бяха направени измервания в близост до източника на радиация, екипът наблюдаваше нивата на радиационната доза от електрони, които бяха три до четири пъти по-високи от тези, използвани в конвенционалната лъчева терапия.
„Наблюдаваната енергия на електроните (MeV) им позволява да се движат на повече от 3 метра във въздуха или няколко милиметра под кожата“, каза Vallières, „което представлява риск от излагане на радиация на потребителите на лазерния източник на светлина. тази опасност от радиация е възможност за прилагане на по-безопасни практики в лабораторията."
