Недавно исследователи из Университета Квебека провели успешный эксперимент в Лаборатории передовых лазерных источников света Национального исследовательского совета Канады (INRS), продемонстрировав многообещающее использование сверхбыстрой лазерной технологии для лучевой терапии рака.
«Мы впервые продемонстрировали, что при определенных условиях лазерный луч, плотно сфокусированный на окружающем воздухе, может ускорять электроны до энергетического диапазона МэВ (мегаэлектронвольт), что соответствует энергии некоторых излучателей, используемых при излучении рака. терапия». сказал Франсуа Легаре, профессор INRS и научный руководитель Лаборатории перспективных источников света (ALLS).
Тщательно фокусируя несколько циклов фемтосекундного (фс) инфракрасного (ИК) лазера мощностью в миллиджоули (мДж) исследователи генерируют релятивистские электронные лучи в окружающем воздухе и достигают высоких мощностей дозы до 0.15 Грей. в секунду (Гр/с). При атмосферном давлении интенсивность их лазера достигала 1 × 1019 Вт на квадратный сантиметр (Вт/см-2). Команда измерила образовавшийся электронный пучок и обнаружила, что его максимальная энергия достигает 1,4 МэВ.
Команда показала, как узкая фокусировка лазера, большая длина волны и короткая длительность импульса в совокупности ограничивают эффект b-интеграции на сфокусированный лазерный луч. Высокая плотность молекул воздуха в ионизируемом фокальном объеме достаточна для формирования плазмы, близкой к критической плотности, что обеспечивает высокую эффективность преобразования лазеров в электроны. С помощью трехмерного моделирования частиц в ячейках исследователи подтвердили, что механизм ускорения основан на релятивистской теории, имеет потенциал движения массы и теоретически согласуется с измеренными энергиями электронов и рассеянием.
Схема экспериментальной установки: импульсы ультракороткого инфракрасного лазерного света плотно фокусируются на окружающем воздухе, создавая высокую дозу ионизирующего излучения.
Исследователи полагают, что сила этого лазерного источника электронов обусловлена его простотой. Единственная сфокусированная оптика в окружающем воздухе может создать электронный луч, который доставит годовую дозу радиации человеку, находящемуся на расстоянии одного метра, менее чем за секунду. Никаких сложных установок или вакуумных камер не требуется, что делает этот метод подходящим для многих применений облучения за счет снижения требований к созданию источников сверхбыстрых МэВ-электронов.
Достижения в области лазерных технологий позволили лазерному ускорению кильватерного поля — процессу, который ускоряет электроны до высоких энергий за очень короткий период времени путем генерации плазмы — работать в среднем инфракрасном диапазоне с системами класса мДж для создания высоких потоков частиц МэВ-электронов. которые могут быть использованы в радиобиологических исследованиях. Однако эти высокоэнергетические источники электронов с лазерным приводом требуют сложных и громоздких установок в вакуумных камерах, которые ограничивают доступ к лучу.
Лазерные источники МэВ-электронов могут обеспечить новые подходы к лечению рака, такие как FLASH-лучевая терапия — метод лечения опухолей, устойчивых к традиционной лучевой терапии. С помощью FLASH-терапии высокие дозы радиации могут быть доставлены за микросекунды, а не за минуты. Такая скорость доставки помогает защитить здоровые ткани, окружающие опухоль, от воздействия радиации. Хотя эффекты FLASH до конца не изучены, ученые полагают, что FLASH может вызывать быструю деоксигенацию здоровых тканей, снижая чувствительность тканей к радиации.
Измеренная мощность дозы радиации (логарифмическая шкала) как функция расстояния от точки фокусировки для трех различных энергий лазерного импульса.
«Ни одно исследование еще не смогло объяснить природу эффекта вспышки», — сказал исследователь Симон Вальер. «Однако источник электронов, используемый в лучевой терапии FLASH, имеет характеристики, аналогичные тем, которые мы генерируем, интенсивно фокусируя лазер на окружающем воздухе. Как только источники радиации будут лучше контролироваться, дальнейшие исследования позволят нам изучить причины эффекта вспышки и в конечном итоге обеспечить лучшую лучевую терапию для больных раком».
Исследователи полагают, что масштабируемость их подхода будет возрастать по мере продолжения разработки лазеров высокой средней мощности в миллиджоульном классе. Быстрое развитие лазерных источников, нацеленных на увеличение доступной энергии импульсов и частоты повторения, может позволить расширить метод INRS до более высоких энергий электронов и больших мощностей дозы.
Исследователи также подчеркнули важность безопасности при работе с лазерными лучами, плотно сфокусированными на окружающем воздухе. Когда измерения проводились вблизи источника радиации, команда наблюдала мощности дозы облучения от электронов, которые были в три-четыре раза выше, чем те, которые используются в традиционной лучевой терапии.
«Наблюдаемая энергия электронов (МэВ) позволяет им перемещаться более чем на 3 метра в воздухе или на несколько миллиметров под кожей», — сказал Вальер, — «что создает риск радиационного воздействия на пользователей лазерного источника света». эта радиационная опасность — возможность внедрить более безопасные методы работы в лаборатории».
