A közelmúltban a Quebeci Egyetem kutatói sikeres kísérletet hajtottak végre a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács (INRS) Advanced Laser Light Source Laboratory-ban, bemutatva az ultragyors lézertechnológia ígéretes alkalmazását a rák sugárterápiájában.
"Első alkalommal mutattuk be, hogy bizonyos körülmények között a környezeti levegőre szorosan fókuszált lézersugár képes felgyorsítani az elektronokat a MeV (mega-elektronvolt) energiatartományra, amely ugyanaz az energia, mint a ráksugárzásban használt radiátorok némelyike. terápia." mondta Franois Légaré, az INRS professzora és az Advanced Light Sources Laboratory (ALLS) tudományos vezetője.
A millijoule (mJ) szintű, femtoszekundumos (fs), infravörös (IR) lézer több ciklusának szoros fókuszálásával a kutatók relativisztikus elektronsugarat generálnak a környezeti levegőben, és nagy dózisteljesítményt érnek el, akár 0.15 Gray másodpercenként (Gy/s). Légköri nyomáson a lézerintenzitásuk elérte az 1 × 1019 wattot négyzetcentiméterenként (W/cm{5}}). A csapat megmérte a keletkező elektronnyalábot, és azt találta, hogy maximális energiája 1,4 MeV.
A csapat megmutatta, hogy a lézer szűk fókusza, hosszú hullámhossza és rövid ciklusú impulzus-tartam hogyan korlátozza a b-integráció hatását a fókuszált lézersugárra. Az ionizálható fókusztérfogatban lévő levegőmolekulák nagy sűrűsége elegendő ahhoz, hogy a kritikus sűrűséghez közeli plazmát alkosson, amely magas konverziós hatékonyságot biztosít a lézerekből az elektronokká. Háromdimenziós részecskék a sejtben szimulációkkal a kutatók megerősítették, hogy a gyorsulási mechanizmus relativisztikus alapú, tömegmozgási potenciállal rendelkezik, és elméletileg összhangban van a mért elektronenergiákkal és szórással.
A kísérleti elrendezés vázlata: az ultrarövid infravörös lézerfény impulzusai szorosan a környező levegőre fókuszálnak, és nagy dózisú ionizáló sugárzást állítanak elő.
A kutatók úgy vélik, hogy ennek a lézerrel vezérelt elektronforrásnak az erőssége az egyszerűségéből fakad. Egyetlen fókuszált optika a környező levegőben olyan elektronsugarat tud előállítani, amely egy évnyi sugárdózist juttat az egy méterrel távolabb álló emberhez, kevesebb mint egy másodperc alatt. Nincs szükség bonyolult beállításokra vagy vákuumkamrákra, így ez a módszer számos besugárzási alkalmazásra alkalmas, mivel csökkenti az ultragyors MeV elektronforrások előállításához szükséges követelményeket.
A lézertechnológia fejlődése lehetővé tette a lézeres ébrenléti térgyorsítást – egy olyan folyamatot, amely az elektronokat nagyon rövid időn belül nagy energiákra gyorsítja fel plazma előállításával –, hogy a közép-infravörösben mJ osztályú rendszerekkel működjön, és MeV elektronok nagy részecskeáramát állítsa elő. amelyek a sugárbiológiai kutatásokban használhatók. Ezek a nagyenergiájú lézervezérelt elektronforrások azonban bonyolult és terjedelmes telepítést igényelnek vákuumkamrákban, ami korlátozza a sugárhoz való hozzáférést.
A lézervezérelt MeV elektronforrások új megközelítéseket kínálhatnak a rák kezelésében, mint például a FLASH sugárterápia, amely a hagyományos sugárterápiával szemben ellenálló daganatok kezelési módszere. A FLASH terápiával a nagy dózisú sugárzás percek helyett mikroszekundumokban adható ki. Ez a szállítási sebesség segít megvédeni a daganatot körülvevő egészséges szövetet a sugárzás hatásaitól. Bár a FLASH hatásai nem teljesen ismertek, a tudósok úgy vélik, hogy a FLASH az egészséges szövetek gyors oxigéntelenítését okozhatja, csökkentve a szövet sugárzással szembeni érzékenységét.
Mért sugárzási dózisteljesítmény (logaritmikus skála) a fókuszponttól való távolság függvényében három különböző lézerimpulzus-energiánál.
"Még egyetlen tanulmány sem tudta megmagyarázni a villanóhatás természetét" - mondta Simon Vallières kutató. - A FLASH sugárterápiában használt elektronforrás azonban hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint az, amelyet a lézerrel a környezeti levegőre fókuszálva generálunk. Amint a sugárforrások jobban ellenőrizhetők, további vizsgálatok lehetővé teszik számunkra, hogy megvizsgáljuk a villanás-effektus okait, és végül jobb sugárterápiát biztosítsunk a rákos betegek számára."
A kutatók úgy vélik, hogy megközelítésük skálázhatósága növekedni fog a nagy átlagos teljesítményű, mJ osztályú lézerek folyamatos fejlesztésével. A megnövekedett elérhető impulzusenergiákat és ismétlési sebességeket célzó lézerforrások gyors fejlődése lehetővé teheti az INRS technika kiterjesztését magasabb elektronenergiákra és nagyobb dózisteljesítményekre.
A kutatók hangsúlyozták a biztonság fontosságát is, amikor a környező levegőre erősen fókuszált lézersugarakkal foglalkoznak. Amikor a méréseket a sugárforrás közelében végezték, a csapat az elektronok sugárdózisát figyelte meg, amely három-négyszer magasabb volt, mint a hagyományos sugárterápiában használtak.
"Az elektronok megfigyelt energiája (MeV) lehetővé teszi számukra, hogy több mint 3 métert mozogjanak a levegőben vagy néhány millimétert a bőr alatt" - mondta Vallières -, ami sugárterhelés kockázatát jelenti a lézerfényforrás használói számára. ez a sugárzási veszély lehetőség a biztonságosabb gyakorlatok laboratóriumi megvalósítására."
