最近、ケベック大学の研究者らは、カナダ国立研究評議会 (INRS) の先進レーザー光源研究所で実験に成功し、がん放射線治療における超高速レーザー技術の有望な使用を実証しました。
「特定の条件下で、周囲の空気にしっかりと焦点を合わせたレーザービームが電子をMeV（メガ電子ボルト）エネルギー範囲まで加速できることを初めて実証しました。これは、がん放射線治療に使用される一部の放射器と同じエネルギーです」治療。" INRS教授であり、先進光源研究所（ALLS）の科学リーダーであるフランノワ・レガレ氏は述べた。
研究者らは、ミリジュール（mJ）レベル、フェムト秒（fs）、赤外線（IR）レーザーの数サイクルをしっかりと集束させることで、周囲空気中に相対論的電子ビームを生成し、最大0.15グレイの高線量率を達成した。 1 秒あたり (Gy/s)。 大気圧では、レーザー強度は1×1019ワット/平方センチメートル(W/cm-2)に達しました。 研究チームは、生成された電子ビームを測定し、最大エネルギーが 1.4 MeV であることを発見しました。
研究チームは、レーザーの厳密な焦点、長波長、短いサイクルのパルス幅がどのように組み合わされて、集束されたレーザービームに対する b 積分による影響を制限するかを示しました。 イオン化可能な焦点体積内の空気分子の高密度は、臨界密度に近いプラズマを形成するのに十分であり、これによりレーザーから電子への高い変換効率が得られます。 研究者らは、細胞内粒子の三次元シミュレーションを通じて、加速メカニズムが相対論的根拠に基づいており、質量運動ポテンシャルを持ち、測定された電子エネルギーと散乱と理論的に一致していることを確認した。
実験装置の概略図: 超短赤外レーザー光のパルスが周囲の空気にしっかりと集中し、高線量の電離放射線を生成します。
研究者らは、このレーザー駆動電子源の強みはそのシンプルさにあると考えています。 周囲の空気中にある 1 つの集束光学系で電子ビームを生成すると、1 メートル離れたところにいる人に 1 年分の放射線量を 1 秒足らずで届けることができます。 複雑なセットアップや真空チャンバーは必要ないため、この方法は超高速 MeV 電子源の製造要件を軽減することにより、多くの照射用途に適しています。
レーザー技術の進歩により、レーザー後流場加速（プラズマを生成することで非常に短時間で電子を高エネルギーまで加速するプロセス）が、mJ クラスのシステムを使用して中赤外線で機能し、MeV 電子の高粒子束を生成できるようになりました。放射線生物学の研究に使用できます。 しかし、これらの高エネルギーレーザー駆動電子源は、真空チャンバー内に複雑でかさばる設置を必要とするため、ビームへのアクセスが制限されます。
レーザー駆動 MeV 電子源は、従来の放射線療法に抵抗性のある腫瘍を治療する方法であるフラッシュ放射線療法など、がん治療への新しいアプローチを提供する可能性があります。 FLASH 療法を使用すると、高線量の放射線を数分ではなくマイクロ秒で照射できます。 この送達速度は、腫瘍周囲の健康な組織を放射線の影響から保護するのに役立ちます。 FLASH の影響は完全には理解されていませんが、科学者たちは、FLASH が健康な組織の急速な脱酸素を引き起こし、放射線に対する組織の感受性を低下させる可能性があると考えています。
3 つの異なるレーザー パルス エネルギーの焦点からの距離の関数として測定された放射線量率 (対数スケール)。
「フラッシュ効果の性質を説明できる研究はまだありません」と研究者のシモン・ヴァリエール氏は述べた。「しかし、フラッシュ放射線療法で使用される電子源は、レーザーを周囲の空気に強く集中させることによって生成される電子源と同様の特性を持っています。放射線源がより適切に制御されれば、さらなる研究によりフラッシュ効果の原因を調査できるようになり、最終的にはがん患者により良い放射線療法を提供できるようになります。」
研究者らは、mJ クラスの高平均出力レーザーの継続的な開発により、自分たちのアプローチの拡張性が高まると考えています。 利用可能なパルスエネルギーと繰り返し率の増加を目標としたレーザー源の急速な開発により、INRS技術をより高い電子エネルギーとより大きな線量率に拡張できる可能性があります。
研究者らはまた、周囲の空気にしっかりと焦点を合わせたレーザー光線を扱う際の安全性の重要性も強調した。 放射線源の近くで測定を行ったところ、研究チームは従来の放射線治療で使用される放射線量よりも3～4倍高い電子からの放射線量率を観察した。
「観測された電子のエネルギー (MeV) により、電子は空気中を 3 メートル以上、または皮膚の下を数ミリメートル移動することができます」とヴァリエール氏は述べ、「これはレーザー光源の使用者に放射線被ばくの危険をもたらします。」この放射線の危険は、実験室でより安全な実践を実践する機会です。」
