Ultrasnabb laserteknik fortsätter att överraska. Även om forskning inom detta område kan verka ganska abstrakt vid första anblicken, leder den mycket ofta till konkreta tillämpningar. Detta gäller särskilt inom hälso- och sjukvården, där tekniken kan användas för att behandla vissa cancerformer.
Denna applikation upptäcktes av forskargruppen vid Advanced Laser Light Source Laboratory (ALLS) vid Institut national de recherche scientifique (INRS), efter nyligen genomfört arbete under ledning av professor och chef för Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre (EMT Centre), François Légaré.
Detta arbete är frukten av samarbete med medicinska fysiker vid McGill University Health Center (MUHC). Teamets studie, publicerad i tidskriften Laser &Photonics Reviews , presenterar resultat som ifrågasätter viss kunskap om laserpulser med hög effekt – kunskap som hade blivit vanlig i det vetenskapliga samfundet.
"För första gången visade vi att, under vissa förhållanden, kan en laserstråle som är tätt fokuserad i omgivande luft accelerera elektroner som når energier i MeV (megaelektronvolt) intervallet, samma storleksordning som vissa strålningsapparater som används i strålbehandling mot cancer, säger François Légaré, chef för EMT-centret vid INRS.
Det var väl etablerat att fokusering av en laserpuls med tillräckligt hög intensitet i omgivande luft skulle generera ett plasma vid brännpunkten. Detta plasma fungerar som en källa för elektroner som kan accelereras till energier upp till högst några keV (kiloelektronvolt). Tills nyligen var det inte möjligt att nå högre energier i omgivande luft, på grund av en fysisk begränsning.
Forskargruppen kunde visa att elektroner som accelereras i omgivande luft kan nå energier inom MeV-området (megaelektronvolt), eller runt 1 000 gånger större än denna tidigare oöverstigliga gräns.
Bättre cancerbehandling
Genombrottet av teamet på INRS:s EMT Center öppnar dörren till stora framsteg inom medicinsk fysik. Ett utmärkt exempel är FLASH-strålbehandling, en ny metod för att behandla tumörer som är resistenta mot konventionell strålbehandling.
Det är en teknik som kan användas för att leverera höga doser av strålning på extremt kort tid (mikrosekunder snarare än minuter). Detta skyddar bättre den friska vävnaden runt tumören. Denna FLASH-effekt är fortfarande dåligt förstådd inom forskning men verkar involvera en snabb deoxygenering av friska vävnader, vilket minskar deras känslighet för strålning.
"Ingen studie har kunnat förklara karaktären av FLASH-effekten. Däremot har elektronkällorna som används i FLASH-strålbehandlingen liknande egenskaper som den vi producerade genom att fokusera vår laser starkt i omgivande luft. När väl strålningskällan är bättre kontrollerad, ytterligare forskning kommer att tillåta oss att undersöka vad som orsakar FLASH-effekten och att i slutändan erbjuda bättre strålbehandlingar till cancerpatienter", säger Simon Vallières, postdoktor och första författare till studien.
Denna upptäckt har konkreta konsekvenser. För det första kräver det extra försiktighet vid hantering av laserstrålar som är hårt fokuserade i omgivande luft.
"De observerade elektronenergierna (MeV) tillåter dem att färdas mer än tre meter i luften, eller flera millimeter under huden. Detta utgör en risk för strålningsexponering för användare av laserkällan", förklarar Simon Vallières.
Dessutom, genom att ta mätningar nära källan, observerade teamet en hög stråldoshastighet av elektroner - tre till fyra gånger högre än de som används i konventionell strålterapi.
"Att avslöja denna strålningsfara är en möjlighet att implementera säkrare metoder i laboratorier", säger Simon Vallières. Den unga forskaren noterar att hantering av högfokuserade laserstrålar i omgivande luft måste göras försiktigt och att forskare måste undvika exponering för höga doser av strålning eftersom de är skadliga för din hälsa.
Mer information: Simon Vallières et al, MeV-elektronstråle med hög doshastighet från en tätt fokuserad femtosekund IR-laser i omgivande luft, Laser- och fotonikrecensioner (2023). DOI:10.1002/lpor.202300078
Tillhandahålls av Institut national de la recherche scientifique
