Onlangs voerden onderzoekers van de Universiteit van Quebec een succesvol experiment uit in het Advanced Laser Light Source Laboratory van de National Research Council of Canada (INRS), waarmee het veelbelovende gebruik van ultrasnelle lasertechnologie voor kankerbestralingstherapie werd aangetoond.
"We hebben voor het eerst aangetoond dat onder bepaalde omstandigheden een laserstraal die strak op de omgevingslucht is gericht, elektronen kan versnellen tot het MeV-energiebereik (mega-elektronenvolt), wat dezelfde energie is als sommige van de radiatoren die worden gebruikt bij kankerstraling. behandeling." zei François Légaré, INRS-professor en wetenschappelijk leider van het Advanced Light Sources Laboratory (ALLS).
Door verschillende cycli van een millijoule (mJ)-niveau, femtoseconde (fs), infrarood (IR) laser nauwkeurig te focussen, genereren de onderzoekers relativistische elektronenbundels in de omgevingslucht en bereiken ze hoge dosissnelheden tot 0.15 Gray per seconde (Gy/s). Bij atmosferische druk bereikte hun laserintensiteit 1 × 1019 watt per vierkante centimeter (W/cm-2). Het team mat de resulterende elektronenbundel en ontdekte dat deze een maximale energie had van maximaal 1,4 MeV.
Het team liet zien hoe de strakke focus, de lange golflengte en de korte pulsduur van de laser samen het effect van b-integratie op de gefocusseerde laserstraal beperken. De hoge dichtheid van luchtmoleculen in het ioniseerbare brandpuntsvolume is voldoende om een plasma te vormen dat dicht bij de kritische dichtheid ligt, wat een hoge conversie-efficiëntie van lasers naar elektronen oplevert. Door middel van driedimensionale deeltjes-in-cel-simulaties bevestigden de onderzoekers dat het versnellingsmechanisme relativistisch gebaseerd is, een massabewegingspotentieel heeft en theoretisch consistent is met gemeten elektronenenergieën en verstrooiing.
Schematische voorstelling van de experimentele opstelling: pulsen van ultrakort infrarood laserlicht worden strak gefocust op de omringende lucht, waardoor een hoge dosis ioniserende straling ontstaat.
De onderzoekers geloven dat de kracht van deze laseraangedreven elektronenbron voortkomt uit zijn eenvoud. Eén enkele gefocusseerde optiek in de omringende lucht kan een elektronenbundel produceren die in minder dan een seconde een stralingsdosis voor een jaar levert aan een persoon die op een meter afstand staat. Er zijn geen ingewikkelde opstellingen of vacuümkamers vereist, waardoor deze methode geschikt is voor veel bestralingstoepassingen door de vereisten voor het produceren van ultrasnelle MeV-elektronenbronnen te verminderen.
Vooruitgang in de lasertechnologie heeft het mogelijk gemaakt dat laser-zogveldversnelling - een proces dat elektronen in zeer korte tijd versnelt tot hoge energieën door plasma te genereren - in het midden-infrarood kan werken met systemen van de mJ-klasse om hoge deeltjesfluxen van MeV-elektronen te produceren die gebruikt kunnen worden bij radiobiologisch onderzoek. Deze hoogenergetische, laseraangedreven elektronenbronnen vereisen echter complexe en omvangrijke installaties in vacuümkamers, die de toegang tot de straal beperken.
Lasergestuurde MeV-elektronenbronnen zouden nieuwe benaderingen voor de behandeling van kanker kunnen bieden, zoals FLASH-bestralingstherapie, een methode voor de behandeling van tumoren die resistent zijn tegen conventionele bestralingstherapie. Met FLASH-therapie kunnen hoge stralingsdoses in microseconden worden afgegeven in plaats van in minuten. Deze snelheid van toediening helpt het gezonde weefsel rondom de tumor te beschermen tegen de effecten van straling. Hoewel de effecten van FLASH nog niet volledig bekend zijn, geloven wetenschappers dat FLASH een snelle deoxygenatie van gezond weefsel kan veroorzaken, waardoor de gevoeligheid van het weefsel voor straling afneemt.
Gemeten stralingsdosissnelheid (logaritmische schaal) als functie van de afstand tot het brandpunt voor drie verschillende laserpulsenergieën.
"Er is nog geen enkele studie die de aard van het flitseffect kan verklaren", zegt onderzoeker Simon Vallières. "De elektronenbron die wordt gebruikt bij FLASH-bestralingstherapie heeft echter vergelijkbare kenmerken als degene die we genereren door de laser intensief op de omgevingslucht te richten. Zodra de stralingsbronnen beter onder controle zijn, zullen verdere studies ons in staat stellen de oorzaken van het flitseffect te onderzoeken en uiteindelijk een betere bestralingstherapie voor kankerpatiënten te bieden."
De onderzoekers zijn van mening dat de schaalbaarheid van hun aanpak zal toenemen met de voortdurende ontwikkeling van lasers met hoog gemiddeld vermogen in de mJ-klasse. De snelle ontwikkeling van laserbronnen, gericht op grotere beschikbare pulsenergieën en herhalingsfrequenties, zou het mogelijk kunnen maken dat de INRS-techniek wordt uitgebreid naar hogere elektronenenergieën en grotere dosissnelheden.
De onderzoekers benadrukten ook het belang van veiligheid bij het omgaan met laserstralen die strak op de omringende lucht zijn gericht. Toen er metingen werden gedaan in de buurt van de stralingsbron, observeerde het team de stralingsdosis van elektronen die drie tot vier keer hoger was dan die gebruikt bij conventionele bestralingstherapie.
"De waargenomen energie van de elektronen (MeV) zorgt ervoor dat ze meer dan 3 meter in de lucht of een paar millimeter onder de huid kunnen bewegen", zegt Vallières, "wat een risico met zich meebrengt voor blootstelling aan straling voor gebruikers van de laserlichtbron. dit stralingsgevaar is een kans om veiligere praktijken in het laboratorium te implementeren."
