Tăng tốc proton bằng các xung laser mạnh – Phương pháp mới này hứa hẹn nhiều ưu điểm so với các phương pháp sử dụng máy gia tốc truyền thống. Điều này cũng mang tới khả năng xây dựng các cơ sở proton nhỏ gọn hơn và tiết kiệm chi phí hơn các cơ sở hiện nay. Tuy nhiên, các nguyên mẫu cho đến nay, trong đó các xung laser được chiếu vào các lá kim loại siêu mỏng, vẫn còn bộc lộ những điểm yếu, đặc biệt là ở tần số mà chúng có thể gia tốc các proton.
Tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), nhóm các nhà khoa học quốc tế đã thử nghiệm một kỹ thuật mới: Trong phương pháp này, hydro đông lạnh đóng vai trò là bia “mục tiêu” cho các xung laser. Phương pháp này có thể làm cơ sở cho các khái niệm trị liệu khối u tiên tiến như mô tả trên tạp chí Nature Communications. Các máy gia tốc proton sử dụng các phương pháp thông thường như Máy va chạm Hadron lớn tại CERN ở Geneva dựa trên sự gia tốc hạt thông qua sóng tần số vô tuyến cường độ cao. Mặt khác, trong quá trình gia tốc bằng laser, các xung ánh sáng cực sáng giúp tăng lực cho các hạt proton. Các xung laser cực ngắn và mạnh được bắn vào các lá kim loại mỏng như wafer.
Đồ thị Hadowgraphs (màu xanh) tại thời điểm xung laser cường độ cao tác động lên tia hydro. Một xung ánh sáng yếu hơn được phát ra trước đó đã thay đổi tia hydro thành ba trạng thái ban đầu khác nhau (Nguồn: HZDR)
Ánh sáng làm nóng vật liệu đến mức các electron bị đẩy ra với số lượng lớn, trong khi các hạt nhân nguyên tử nặng vẫn ở nguyên vị trí. Vì các electron mang điện tích âm và hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương nên một điện trường mạnh hình thành giữa chúng. Sau đó, trường này có thể phóng ra một xung proton với lực cực lớn trên khoảng cách chỉ vài micromet, do đó đưa chúng đến mức năng lượng như ở các hệ thống sử dụng các khoảng cách dài hơn với công nghệ máy gia tốc thông thường. Một ưu điểm khác của phương pháp là với khả năng gia tốc bằng laser, chúng ta có thể gói một số lượng lớn hạt vào một chùm proton. Điều này rất quan trọng đối với liệu pháp xạ trị khối u.
Tuy nhiên, phương pháp bắn xung laser vào lá kim loại trước đây có nhược điểm. Thứ nhất, rất khó để tạo ra nhiều xung proton mỗi giây – lá kim loại bị phá hủy chỉ sau một lần bắn tia laser và do đó phải được thay thế nhiều lần. Thứ hai, quá trình gia tốc khá phức tạp và tương đối khó kiểm soát. Lý do: Các proton được gia tốc đến từ các hydrocacbon tích tụ trên các lá kim loại dưới dạng một lớp chất gây ô nhiễm – không lý tưởng để kiểm soát thí nghiệm.
Sơ đồ thiết lập thử nghiệm: bắn một xung cường độ cao (màu đỏ) từ tia laser công suất cao HZDR DRACO lên một tia hydro đông lạnh được bổ sung liên tục (màu xanh), các nhà nghiên cứu có thể gia tốc mạnh các proton trong khoảng cách cực ngắn (màu cam). Họ ghi lại quá trình này bằng xung laser quang học đồng bộ (màu xanh lá cây (Nguồn: Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC / G. Stewart).
Dây tóc thay vì giấy bạc
Nhóm nghiên cứu Karl Zeil đã đưa ra một giải pháp thay thế: Thay vì lá kim loại, họ sử dụng một tia hydro mịn, được làm lạnh nhanh. Tia hydro này đóng vai trò là mục tiêu cho các xung laser cường độ cao. Cụ thể, họ làm lạnh khí hydro trong một khối đồng đến mức nó trở thành chất lỏng. Hydro lỏng sau đó chảy qua vòi phun vào buồng chân không. Hydro nguội đi và đông đặc lại thành sợi mỏng cỡ micromet: mục tiêu cho các xung laser. Và vì dây tóc hydro tự đổi mới nên tia laser có mục tiêu mới liên tục, nguyên vẹn trong tầm ngắm của nó cho mỗi lần bắn. Thiết lập này cho phép cơ chế gia tốc thuận lợi hơn: Thay vì chỉ làm nóng vật liệu, các xung laser sử dụng áp suất bức xạ để đẩy các electron ra khỏi hydro và tạo ra điện trường cực lớn cần thiết để tăng tốc các proton. Nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa quy trình bằng cách gửi một xung ánh sáng ngắn, yếu hơn trước xung laser chính. Điều này làm nóng sợi hydro đông lạnh trước, khiến nó giãn nở và tiết diện của nó tăng từ 5 micromet lên gấp vài lần kích thước đó. Điều này giúp tăng khoảng cách gia tốc và tối ưu hóa quá trình.
Phương pháp này có thể đưa proton lên tới mức năng lượng 80 MeV. Điều này gần với kỷ lục trước đây về gia tốc proton bằng laser. Nhưng không giống như các cơ sở trước đây, kỹ thuật này có khả năng tạo ra nhiều chùm proton mỗi giây. Hơn nữa, quá trình gia tốc tương đối dễ mô phỏng cho các mục tiêu hydro sử dụng điện toán hiệu năng cao. Hiện các chuyên gia muốn sử dụng thuật toán AI để tăng “tỷ lệ trúng đích” giữa các xung laser và tia hydro đông lạnh. Công nghệ này mang tới một loại xạ trị trong tương lai. Ngày nay, một số khối u đã được chiếu xạ thành công bằng proton. Việc gia tốc tia laser có thể làm tăng liều và do đó rút ngắn thời gian chiếu xạ, bảo vệ tốt hơn các mô khỏe mạnh xung quanh khối u.
Từ khóa: Bức xạ; proton; xạ trị;
– CMD&DND –
