Während seiner Zeit als Postdoktorand am Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Kanada, Simon Vallières wurde von einem Kollegen angesprochen, der eine rätselhafte Beobachtung gemacht hatte. Der Kollege erzeugte mit einem neu aufgerüsteten Laser am INRS ein Plasma in Luft Labor für fortgeschrittene Laserlichtquellen (ALLS). als sie bemerkten, dass die Messwerte auf ihrem Geigerzähler höher waren als erwartet.

„Er fokussierte den Laser, der mit 100 Hz lief, in der Luft und platzierte einen Geigerzähler in der Nähe des Brennflecks. Selbst drei Meter vom Brennpunkt entfernt klickte sein Geigerzähler“, sagt Vallières, jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter am INRS. „Das ist eine ziemlich weite Reichweite für Röntgenstrahlen oder Elektronen. Ich sagte, vielleicht sollten wir [die abgegebene Dosis] mit gut kalibrierten Dosimetern messen.“

Medizinphysiker der Gesundheitszentrum der McGill University Die Strahlungsdosis des Versuchsaufbaus wurde mit drei unabhängig kalibrierten Strahlungsdetektoren gemessen. Die Dosen wurden über acht Größenordnungen in Entfernungen von bis zu 6 m vom Laserfokus sowie für verschiedene Winkel bei festen Abständen gemessen. Zur Bestätigung der Daten verwendeten sie absolute Dosiskalibrierungen.

Der Laser wurde von einem µJ-Laser auf einen mJ-Laser mit hoher Durchschnittsleistung umgerüstet. Und nun wurde der Laser stark fokussiert und auf einen opportunistischen Satz von Parametern abgestimmt, um ein Plasma in Luft zu erzeugen. Dabei wurde ein Elektronenstrahl erzeugt, der bis zu 1.4 MeV bei einer Dosisrate von 0.15 Gy/s erreichte. Die Erkenntnisse der Forscher erweitern die Grenzen unseres Wissens über Hochleistungslaserimpulse, Strahlensicherheit und vielleicht sogar FLASH-Strahlentherapie, eine neue Technik zur Krebsbehandlung.

Betrieb mit optimalen Parametern

„Unsere Modelle schlossen andere Beschleunigungsmechanismen aus, die eine Rolle gespielt haben könnten. Wir haben es auf eine Erklärung eingegrenzt: Es handelte sich um die Beschleunigung durch das elektrische Laserfeld, bekannt als Ponderomotorische Beschleunigung“, sagt Vallières.

Die Forscher betrieben den Laser in einem Modus, der Luftmoleküle ionisierte und dann das elektrische Feld des Lasers nutzte, um die resultierenden Elektronen auf über 1 MeV zu beschleunigen.

„Wenn man Laserphysikern erzählt, dass man einen Laser in Luft fokussieren und 1-MeV-Elektronen erzeugen kann, wird es niemand glauben. Das liegt daran, dass je mehr Energie Sie während der Fokussierungsperiode in Laserpulse stecken, desto mehr nichtlineare Effekte akkumulieren, die die Form des Strahls zerstören und zu einer Sättigung der Intensität führen. Aber es stellte sich heraus, dass wir großes Glück hatten“, sagt Vallières. „Die Wellenlänge, die Pulsdauer und die Brennweite spielten alle eine Rolle.“

Vallières erklärt, dass die Forscher den Laser im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums betrieben haben. Durch die Verwendung einer längeren Wellenlänge als bei den meisten Lasern mit hoher Durchschnittsleistung (1.8 µm statt etwa 800 nm) wurden nichtlineare Aberrationen reduziert. Diese Wellenlänge ist auch ideal für die Erzeugung eines Plasmas mit nahezu kritischer Dichte und trägt zu einer hohen Dosis pro Puls bei.

Die Forscher verwendeten außerdem einen kurzen Laserpuls (12 fs). Dadurch wurde der nichtlineare Brechungsindex – ein Parameter, der mit den in Luftmolekülen oszillierenden Elektronen und der Rotation der Luftmoleküle selbst zusammenhängt – um etwa 75 % reduziert, was auch nichtlineare Effekte begrenzte.

Durch eine enge Fokussierung (eine kurze Brennweite) reduzierten die Forscher die nichtlinearen Effekte noch einmal drastisch. Letztendlich erreichte der Laser eine ausreichend hohe Intensität (Spitzenintensitäten bis zu 10).¹⁹ W / cm²), um Elektronen mit bis zu 1.4 MeV auszustoßen.

FLASH, Strahlenschutzanwendungen

Infinite Potential Laboratories LP hat den Forschern Mittel zur Verfügung gestellt, um Forschung und Entwicklung voranzutreiben und verwandte Technologien zu entwickeln, und mindestens ein Patent ist angemeldet.

Eine interessante Anwendung ist der FLASH-Effekt. Im Vergleich zu herkömmlichen Strahlentherapietechniken können mit der FLASH-Strahlentherapie schnell hohe Strahlendosen abgegeben werden, um das gesunde Gewebe um einen Tumor herum besser zu schützen. Die Momentandosisleistungen der vom laserbasierten System der Forscher erzeugten Elektronenpakete sind um Größenordnungen höher als bei medizinischen Linearbeschleunigern, selbst solchen, die im FLASH-Modus betrieben werden.

„Bisher konnte keine Studie den Mechanismus hinter dem FLASH-Effekt erklären“, sagt Vallières. „Wir hoffen, dass wir eine Zell- oder Mäusebestrahlungsplattform entwickeln können, um die Radiobiologie von FLASH zu untersuchen.“

Für die Elektronen-FLASH-Dosimetrie angepasste Hochenergiephysikgeräte

Auch der Unterricht im Strahlenschutz hat für Vallières hohe Priorität. Heutige Laser mit hoher Durchschnittsleistung erzeugen Laserstrahlen mit Intensitäten, die so hoch sind wie die größten Laser der frühen 2000er Jahre, und mit viel höheren Wiederholungsraten, was zu hohen Dosisleistungen führt. Die Forscher hoffen, dass diese Arbeit das Wissen auf Feldebene verbessert und zu Strahlenschutzvorschriften führt.

„Die von uns beobachteten Elektronenenergien ermöglichen es ihnen, sich mehr als drei Meter in der Luft fortzubewegen. Wir haben eine große Strahlengefahr aufgedeckt“, sagt Vallières. „Ich habe diese Arbeit auf Konferenzen vorgestellt, die Leute sind schockiert … Es stimmt, ich meine, wer richtet eine Fokussierparabel auf einen Geigerzähler aus? Wir haben dies getan, weil wir es in der Vergangenheit getan haben. Ich denke, dass [diese Arbeit] die Augen der Menschen ein bisschen mehr öffnen wird und sie vorsichtiger sein werden, wenn sie ein Plasma in der Luft erzeugen. Wir hoffen, durch diese Arbeit die Laserschutzverordnung zu ändern.“

Die Forschung ist beschrieben in Laser & Photonik Bewertungen.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/ultrafast-laser-based-electron-beam-could-help-explore-radiobiology-of-the-flash-effect/