Un equipo internacional de físicos ha utilizado nanotubos de carbono para mejorar la eficiencia de la aceleración de partículas impulsada por láser. Este avance significativo acerca las fuentes compactas de radiación ionizante para fines médicos a la realidad.
La interacción de la luz láser de alta intensidad con objetivos sólidos podría algún día servir como la base de fuentes de mesa de iones de alta energía para aplicaciones médicas. Un equipo internacional dirigido por físicos de la LMU afiliados al Centro de Avanzado de MunichPhotonics MAP, un Cluster de Excelencia con sede en Munich, y en cooperación con científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ha dado un paso más hacia este objetivo, al aumentar la eficiencia de una técnica que utiliza técnicas extremadamente intensas.pulsos de luz láser para expulsar paquetes de iones de alta energía de láminas de carbono con forma de diamante. En su experimento, los investigadores recubrieron un lado de la lámina con nanotubos de carbono. Tras la irradiación con láser, la capa actúa como una lente para enfocar y concentrar elenergía luminosa en la lámina, lo que da como resultado la producción de haces de iones mucho más energéticos. Esto hace que los experimentos con iones de carbono de alta energía en las células sean factibles por primera vez, y trae un impulso de luzn generación de radiación ionizante más cercana a la aplicación práctica.
La luz es una fuente de energía enormemente poderosa y versátil. Cuando se disparan pulsos de luz láser de alta intensidad en láminas ultrafinas de carbono tipo diamante DLC, atraviesan la lámina y eliminan los electrones de los átomos. El electrón cargado negativamenteLuego, la nube arrastra una corriente de iones de carbono cargados positivamente, acelerándolos a velocidades de hasta el 10% de la velocidad de la luz. Las explosiones de iones de carbono producidas por la presión de radiación ejercida en la lámina por pulsos láser ultracortos podrían usarse para tratartumores, siempre que los iones contengan suficiente energía. En la actualidad, las únicas máquinas capaces de producir tales haces de iones de alta energía son los aceleradores de partículas grandes y muy caros. Las tecnologías basadas en láser aún no pueden generar haces de calidad comparable. Sin embargo, la luzlos enfoques impulsados ofrecen una posible ruta a fuentes de iones mucho más compactas y mucho menos costosas para aplicaciones médicas en el futuro.
Para alcanzar este objetivo, los físicos con láser necesitan aumentar las intensidades de pulso y encontrar formas de garantizar que se entregue mucha más energía de la luz incidente en forma concentrada al objetivo de lámina de carbono. Los físicos del MAP ahora han dado un paso significativo hacia este últimoobjetivo. Cada pulso láser disparado al objetivo dura 50 femtosegundos un femtosegundo equivale a una millonésima parte de una billonésima de segundo, y consiste en aproximadamente 20 oscilaciones del campo óptico. Esto significa que no toda la energía electromagnética asociada con elEl pulso óptico alcanza el objetivo al mismo tiempo. Llega en forma dispersa, de modo que la presión de radiación que actúa sobre los átomos objetivo aumenta gradualmente hasta un máximo, luego vuelve a caer. Ya que solo la energía máxima es lo suficientemente alta como para extraer los iones delfrustrante, el proceso no es terriblemente eficiente.
Las láminas ultrafinas de carbono tipo diamante se usaron por primera vez en los estudios de aceleración de la presión de radiación hace cinco años. Para los últimos experimentos, los técnicos del Centro de Servicio MAP utilizaron la deposición de vapor para recubrir el frente de cada lámina con nanotubos de carbono. Los nanotubos vienenpara acostarse en la superficie de una manera muy flexible, como briznas de hierba en un pajar. Pero el plasma formado cuando el pulso láser incide en el recubrimiento de nanotubos actúa efectivamente como una lente. Como resultado, el poder del pulso incidente esconcentrado lo suficiente como para permitir la ionización inmediata de la lámina de carbono subyacente. Además, el recubrimiento de nanotubos enfoca el pulso de luz en un área muy pequeña del objetivo. Estos dos efectos en conjunto mejoran la energía de los iones de carbono expulsados de la lámina a alrededor de 200 MeVmegavoltios de electrones - significativamente más alto de lo que se podía alcanzar previamente. En un esfuerzo de colaboración que involucró a investigadores de Alemania, el Reino Unido, España y China, los experimentos fueron cdesarrollado con el láser ASTRA-Gemini en el Laboratorio Rutherford Appleton en Didcot Reino Unido, como parte del Programa Laserlab Europa.
Las energías más altas ahora disponibles hacen posible, por primera vez, realizar experimentos en células con haces de iones de carbono. Sin embargo, debido a que la radiación debe pasar a través del tejido sano antes de que llegue a un tumor, las energías de al menos un GeVgigaelectronvolt será necesario para aplicaciones clínicamente relevantes, aproximadamente cinco veces más alto que el alcanzado en los últimos experimentos. Pero aumentar la potencia de salida a este nivel no es un sueño imposible. Sobre la base de la experiencia disponible en el Centro de Munich para AvanzadoPhotonics, un nuevo Centro de Aplicaciones Láser Avanzadas CALA, que ahora se está construyendo en el campus de alta tecnología de Garching, albergará un novedoso sistema de pulso ultracorto, llamado ATLAS 3000, que está diseñado para proporcionar pulsos láser con potencias de hastatres petavatios. En combinación con el aumento de energía posible gracias a las láminas de carbono recubiertas con nanotubos, este sistema promete acercar mucho la era de las fuentes de radiación ionizante basadas en la luz.
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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