Nyligen genomförde forskare från University of Quebec ett framgångsrikt experiment vid Advanced Laser Light Source Laboratory vid National Research Council of Canada (INRS), som visar den lovande användningen av ultrasnabb laserteknik för strålbehandling av cancer.
"Vi har för första gången visat att en laserstråle som är hårt fokuserad på omgivande luft under vissa förhållanden kan accelerera elektroner till MeV-energiområdet (mega-elektronvolt), vilket är samma energi som vissa av strålningselementen som används vid cancerstrålning terapi." sa Franois Légaré, INRS-professor och vetenskaplig ledare för Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Genom att fokusera flera cykler av en millijoule (mJ)-nivå, femtosekund (fs), infraröd (IR) laser, genererar forskarna relativistiska elektronstrålar i omgivande luft och uppnår höga doshastigheter på upp till 0.15 Grå per sekund (Gy/s). Vid atmosfärstryck nådde deras laserintensitet 1 × 1019 watt per kvadratcentimeter (W/cm-2). Teamet mätte den resulterande elektronstrålen och fann att den hade en maximal energi på upp till 1,4 MeV.
Teamet visade hur laserns snäva fokus, långa våglängd och korta pulslängd kombineras för att begränsa effekten av b-integration på den fokuserade laserstrålen. Den höga tätheten av luftmolekyler i den joniserbara fokalvolymen är tillräcklig för att bilda ett plasma nära den kritiska densiteten, vilket ger en hög omvandlingseffektivitet från lasrar till elektroner. Genom tredimensionella partikel-i-cell-simuleringar bekräftade forskarna att accelerationsmekanismen är relativistiskt baserad, har en massrörelsepotential och är teoretiskt förenlig med uppmätta elektronenergier och spridning.
Schematisk av experimentuppställningen: pulser av ultrakort infrarött laserljus är tätt fokuserade på den omgivande luften och producerar en hög dos joniserande strålning.
Forskarna tror att styrkan hos denna laserdrivna elektronkälla härrör från dess enkelhet. En enda fokuserad optik i den omgivande luften kan producera en elektronstråle som levererar ett års stråldos till en person som står en meter bort på mindre än en sekund. Inga komplicerade inställningar eller vakuumkammare krävs, vilket gör denna metod lämplig för många bestrålningsapplikationer genom att minska kraven för att producera ultrasnabba MeV-elektronkällor.
Framsteg inom laserteknik har gjort det möjligt för laservaknande fältacceleration - en process som accelererar elektroner till höga energier på mycket kort tid genom att generera plasma - att arbeta i mellaninfrarött med mJ-klasssystem för att producera höga partikelflöden av MeV-elektroner som kan användas i radiobiologisk forskning. Dessa högenergilaserdrivna elektronkällor kräver dock komplexa och skrymmande installationer i vakuumkammare, vilket begränsar åtkomsten till strålen.
Laserdrivna MeV-elektronkällor kan ge nya tillvägagångssätt för cancerbehandling, såsom FLASH-strålterapi, en metod för att behandla tumörer som är resistenta mot konventionell strålterapi. Med FLASH-terapi kan höga doser av strålning levereras på mikrosekunder istället för minuter. Denna leveranshastighet hjälper till att skydda den friska vävnaden som omger tumören från effekterna av strålning. Även om effekterna av FLASH inte är helt klarlagda, tror forskare att FLASH kan orsaka snabb syreborttagning av frisk vävnad, vilket minskar vävnadens känslighet för strålning.
Uppmätt stråldoshastighet (logaritmisk skala) som funktion av avståndet från brännpunkten för tre olika laserpulsenergier.
"Ingen studie har ännu kunnat förklara blixteffektens natur", säger forskaren Simon Vallières, "Men elektronkällan som används i FLASH-strålterapi har liknande egenskaper som den vi genererar genom att fokusera lasern intensivt på omgivande luft. När strålkällorna är bättre kontrollerade kommer ytterligare studier att göra det möjligt för oss att undersöka orsakerna till blixteffekten och i slutändan ge bättre strålbehandling för cancerpatienter."
Forskarna tror att skalbarheten i deras tillvägagångssätt kommer att öka med den fortsatta utvecklingen av lasrar med hög medeleffekt i mJ-klassen. Den snabba utvecklingen av laserkällor, inriktad på ökade tillgängliga pulsenergier och upprepningshastigheter, skulle kunna tillåta att INRS-tekniken utvidgas till högre elektronenergier och högre doshastigheter.
Forskarna betonade också vikten av säkerhet när man arbetar med laserstrålar som är tätt fokuserade på den omgivande luften. När mätningar gjordes i närheten av strålkällan, observerade teamet stråldoshastigheter från elektroner som var tre till fyra gånger högre än de som används i konventionell strålterapi.
"Den observerade energin hos elektronerna (MeV) tillåter dem att röra sig mer än 3 meter i luften eller några millimeter under huden", sa Vallières, "vilket utgör en risk för strålningsexponering för användare av laserljuskällan. denna strålningsfara är en möjlighet att implementera säkrare metoder i laboratoriet."
