Нещодавно дослідники з Університету Квебеку провели успішний експеримент у Лабораторії вдосконалених лазерних джерел світла при Національній дослідницькій раді Канади (INRS), продемонструвавши перспективне використання надшвидкої лазерної технології для променевої терапії раку.
«Ми вперше продемонстрували, що за певних умов лазерний промінь, щільно сфокусований на навколишньому повітрі, може прискорювати електрони до МеВ (мегаелектронвольт) енергетичного діапазону, що відповідає енергії деяких випромінювачів, які використовуються для випромінювання раку. терапія». сказав Франуа Легаре, професор INRS і науковий керівник Лабораторії передових джерел світла (ALLS).
Завдяки щільному фокусуванню кількох циклів міліджоульного (мДж), фемтосекундного (фс) інфрачервоного (ІЧ) лазера дослідники генерують релятивістські електронні пучки в навколишньому повітрі та досягають високої потужності дози до 0.15 Грей в секунду (Гр/с). За атмосферного тиску їхня інтенсивність лазера досягала 1 × 1019 Вт на квадратний сантиметр (Вт/см-2). Команда виміряла отриманий електронний промінь і виявила, що він мав максимальну енергію до 1,4 МеВ.
Команда показала, як вузький фокус лазера, велика довжина хвилі та тривалість імпульсу короткого циклу поєднуються, щоб обмежити ефект b-інтеграції на сфокусований лазерний промінь. Висока щільність молекул повітря в іонізуючому фокальному об'ємі достатня для формування плазми, близької до критичної, що забезпечує високу ефективність перетворення від лазерів до електронів. Завдяки тривимірному моделюванню частинок у комірці дослідники підтвердили, що механізм прискорення релятивістський, має потенціал руху маси та теоретично узгоджується з виміряними енергіями та розсіюванням електронів.
Схема експериментальної установки: імпульси ультракороткого інфрачервоного лазерного світла щільно фокусуються на навколишньому повітрі, створюючи високу дозу іонізуючого випромінювання.
Дослідники вважають, що сила цього лазерного джерела електронів полягає в його простоті. Одна сфокусована оптика в навколишньому повітрі може виробляти електронний промінь, який менш ніж за секунду забезпечує річну дозу радіації людині, що стоїть на відстані одного метра. Не потрібні складні установки чи вакуумні камери, що робить цей метод придатним для багатьох застосувань опромінення, зменшуючи вимоги до виробництва надшвидких джерел електронів МеВ.
Удосконалення лазерної технології дозволило прискоренню кільватерного поля лазера – процесу, який прискорює електрони до високих енергій за дуже короткий проміжок часу шляхом генерування плазми – працювати в середньому інфрачервоному діапазоні з системами класу mJ для створення високих потоків електронів МеВ які можуть бути використані в радіобіологічних дослідженнях. Однак ці високоенергетичні лазерні джерела електронів вимагають складних і громіздких установок у вакуумних камерах, які обмежують доступ до променя.
Джерела електронів МеВ, керовані лазером, можуть забезпечити нові підходи до лікування раку, такі як променева терапія FLASH, метод лікування пухлин, стійких до традиційної променевої терапії. За допомогою FLASH-терапії високі дози опромінення можна доставити за мікросекунди замість хвилин. Така швидкість доставки допомагає захистити здорову тканину, що оточує пухлину, від впливу радіації. Хоча наслідки FLASH до кінця не вивчені, вчені вважають, що FLASH може викликати швидку деоксигенацію здорових тканин, зменшуючи чутливість тканин до радіації.
Виміряна потужність дози випромінювання (логарифмічний масштаб) як функція відстані від фокусної точки для трьох різних енергій лазерного імпульсу.
«Жодне дослідження ще не змогло пояснити природу ефекту спалаху, — сказав дослідник Саймон Вальєр. — Проте джерело електронів, що використовується в радіаційній терапії FLASH, має подібні характеристики до того, яке ми створюємо, інтенсивно фокусуючи лазер на навколишньому повітрі. Після того, як джерела випромінювання будуть краще контролювати, подальші дослідження дозволять нам досліджувати причини ефекту спалаху та, зрештою, забезпечити кращу променеву терапію для хворих на рак».
Дослідники вважають, що масштабованість їх підходу збільшиться з продовженням розробки лазерів високої середньої потужності в класі мДж. Швидкий розвиток лазерних джерел, націлених на збільшення доступної енергії імпульсу та частоти повторення, може дозволити розширити техніку INRS на вищу енергію електронів і більшу потужність дози.
Дослідники також підкреслили важливість безпеки при роботі з лазерними променями, щільно сфокусованими на навколишньому повітрі. Коли вимірювання проводилися поблизу джерела випромінювання, команда спостерігала потужність дози випромінювання від електронів, яка була в три-чотири рази вище, ніж у звичайній променевій терапії.
«Спостережувана енергія електронів (МеВ) дозволяє їм переміщатися більше ніж на 3 метри в повітрі або на кілька міліметрів під шкірою, — сказав Вальєр, — що створює ризик радіаційного опромінення користувачів лазерного джерела світла. ця радіаційна небезпека є можливістю запровадити безпечніші практики в лабораторії».
