LT6816B - Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation - Google Patents
Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation Download PDFInfo
- Publication number
- LT6816B LT6816B LT2019075A LT2019075A LT6816B LT 6816 B LT6816 B LT 6816B LT 2019075 A LT2019075 A LT 2019075A LT 2019075 A LT2019075 A LT 2019075A LT 6816 B LT6816 B LT 6816B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- laser
- radiation
- electron beam
- plasma
- pulse
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radiation-Therapy Devices (AREA)
Abstract
Description
Technikos sritisTechnical field
Išradimas yra susijęs su didelės momentinės dozės jonizuojančios spinduliuotės generavimo būdais ir įrenginiais, kurie gali būti panaudoti spindulinėje radioterapijoje, dar vadinamoje blyksnio (“Flash”) terapijoje, gydant vėžiu sergančius pacientus. Be to, ultratrumpų elektronų pluoštų savybės suteikia galimybę kurti naujus koncepcinius femtochemija pagrįstus jonizuojančios spinduliuotės metodus biologijos, chemijos, fizikos, medžiagų mokslo ir medicinos tyrimų bei terapijos srityse.The invention relates to methods and devices for generating high instantaneous doses of ionizing radiation which can be used in radiation radiotherapy, also called flash therapy, in the treatment of cancer patients. In addition, the properties of ultrashort electron beams provide an opportunity to develop new conceptual methods of ionizing radiation based on femtochemistry in the fields of biology, chemistry, physics, materials science, and medical research and therapy.
Technikos lygisState of the art
Yra žinomos lazerinės jonizuojančios spinduliuotės generavimo sistemos, kurios yra kompaktiškesnės, turi paprastesnes spindulio nukreipimo sistemas ir mažesnę kainą nei radijo dažnių greitintuvai. Be to, išskirtinė lazerinių sistemų savybė - ultratrumpųjų femtosekundinių impulsų generavimo galimybė, kuri leidžia pasiekti keliomis eilėmis didesnę momentinę dozės spartą ir paveikti biologinius darinius per trumpesnį nei 1 ps laiką. Klasikinė dozės sparta, naudojama įprastoje spindulinėje terapijoje - 1 Gy/min (0.017 Gy/s), o dozė per seansą siekia 1 arba 2 Gy. Visa integruota dozė sudaro 60 Gy per 6 gydymo savaites. Įprastuose elektronų ar protonų greitintuvuose pasiekiama vidutinė 10-20 Gy/s dozės sparta, o dalelių pluoštų trukmė yra mikrosekundžių eilės. Eksperimentiniuose radijo dažnio greitintuvuose pasiekiama vidutinė 40-200 Gy/s ir 104-105 Gy/s momentinė dozės sparta. Radijo dažnio greitintuvuose elektronai dažnai nėra tiesiogiai naudojami vėžinių audinių radioterapijai. Jie nukreipiami į atitinkamą taikinį, kuriame generuojama stabdomoji Rentgeno ir gama (y-) spindulių diapazono spinduliuotė, kuri po to taikoma radioterapijai. Šiuo būdu fotonus galima generuoti ir lazerinių greitintuvų pagalba.There are known laser ionizing radiation generation systems that are more compact, have simpler beam routing systems, and are less expensive than radio frequency accelerators. In addition, a unique feature of laser systems is the ability to generate ultra-short femtosecond pulses, which allows to achieve several orders of magnitude higher instantaneous dose rates and to affect biological structures in less than 1 ps. The classic dose rate used in conventional radiotherapy is 1 Gy / min (0.017 Gy / s) and the dose is 1 or 2 Gy per session. The total integrated dose is 60 Gy over 6 weeks of treatment. Conventional electron or proton accelerators achieve an average dose rate of 10-20 Gy / s, and the duration of the particle beams is in the order of microseconds. Experimental radio frequency accelerators achieve an average instantaneous dose rate of 40-200 Gy / s and 10 4 -10 5 Gy / s. In radiofrequency accelerators, electrons are often not used directly for radiotherapy of cancerous tissues. They are directed to an appropriate target, which generates stop X-ray and gamma (y-) radiation, which is then applied to radiotherapy. In this way, photons can also be generated with the help of laser accelerators.
Didelio galingumo teravatiniai lazerių šaltiniai, sufokusavus jų spinduliuotę, leidžia pasiekti didesnį nei 1019 W/cm2 intensyvumą, ir sugeneruoti labai trumpus < 20 fs reliatyvistinių elektringų dalelių pluoštus MeV energijų srityje. Tokie šaltiniai pagreitina elektronų pluoštus iki didelių (25-50 MeV) (HEE - High Electron Energy) ir labai didelių (150-200 MeV) (VHEE - Very High Electron Energy) energijų. Didesnio galingumo petavatiniai lazeriai pagreitina protonus ir sunkiuosius jonus iki 40-50 MeV. Vieno lazeriu pagreitintų 170 MeV energijos elektronų impulso dozė 60 cm atstumu nuo šaltinio siekia 0,5 Gy/nC. Vienas lazerio impulsas paprastai pagreitina kelis šimtus pikokulonų krūvio elektronų. Vieną elektronų impulsą su 30 fs trukme ir 0,5 nC krūviu atitinkanti 1-1013 Gy/s momentinė dozės sparta 6-8 eilėmis viršija tradicinių radijo greitintuvų dozės spartą. 10 Hz pasikartojimo dažnio lazerinių sistemų vidutinė dozės sparta siekia 5 Gy/s. Tokia sparta leidžia sugeneruoti maksimaliai taikomą keliasdešimt grėjų suminę vėžinių navikų terapijos dozę per kelias sekundes. 150-200 MeV energijos elektronai prasiskverbia į 15-30 cm gylį, ir gali pasiekti reikiamas vėžinių audinių terapijos vietas.High-power terawatt laser sources, when focused on their radiation, can achieve intensities greater than 10 19 W / cm 2 and generate very short <20 fs relativistic electric particle beams in the MeV energy domain. Such sources accelerate electron beams to high (25-50 MeV) (HEE - High Electron Energy) and very high (150-200 MeV) (VHEE - Very High Electron Energy) energies. Higher-power petaton lasers accelerate protons and heavy ions to 40-50 MeV. The pulse dose of one laser-accelerated 170 MeV energy electron at a distance of 60 cm from the source is 0.5 Gy / nC. One laser pulse usually accelerates several hundred electrons of picoculonal charge. The instantaneous dose rate of 1-10 13 Gy / s corresponding to one electron pulse with a duration of 30 fs and a charge of 0.5 nC exceeds the dose rate of traditional radio accelerators by 6-8 lines. The average dose rate of 10 Hz repetition rate laser systems is 5 Gy / s. This rate allows the generation of a maximum applied dose of several thousand grams of cancer therapy in a few seconds. 150-200 MeV of energy electrons penetrate to a depth of 15-30 cm, and can reach the required sites of cancer tissue therapy.
JAV patente Nr. US10252083, paskelbtame 2019-04-19 ir Tarptautinėje patento paraiškoje WO2015169011A1, paskelbtoje 2015-11-12, aprašytos didelės energijos spinduliuotės radioterapijos sistema, turinti lazerinį jonizuojančios spinduliuotės didelės momentinės dozės generavimo įrenginį, apimantį lazerio impulsų šaltinį, generuojantį impulsinę lazerio spinduliuotę; lazerinį plazmos greitintuvą, skirtą elektronų pluoštui sukurti ir greitinti; elektronų pluošto fokusavimo sistemą, nukreipiančią elektronų pluoštą iš lazerinio plazmos greitintuvo į apšvitinimui pasirinktą vietą, įrenginio korpusą su vakuumine optine sistema, kurioje patalpintas minėtas lazerinis plazmos greitintuvas į kurį per optines priemones nukreipiama impulsinė lazerio spinduliuotė iš lazerio impulsų šaltinio; lazerio impulsinės spinduliuotės stabilizavimo ir elektronų pluošto valdymo priemonių.U.S. Pat. US10252083, published on 19/04/2019 and International Patent Application WO2015169011A1, published on 12/11/2015, describe a high energy radiation radiotherapy system comprising a laser high instantaneous dose generating device for ionizing radiation, comprising a laser pulse source generating a pulsed laser pulse; a laser plasma accelerator for generating and accelerating an electron beam; an electron beam focusing system for directing an electron beam from a laser plasma accelerator to a location selected for irradiation, a housing with a vacuum optical system housing said laser plasma accelerator to which pulsed laser radiation from a laser pulse source is directed by optical means; means for laser pulse radiation stabilization and electron beam control.
Žinomame įrenginyje lazerinis elektringų dalelių greitintuvas gali būti žadinamas, pvz. Ti:Safyro lazeriu. Lazerio spinduliuotė, sufokusuojama į mažo tankio dujų kapiliarą, kuriame dujos, jonizuotos veikiant išankstiniam lazerio impulsui arba elektros iškrovai, generuoja impulsinius elektronų pluoštus, kurių energija 50-300 MeV, bet ne mažesnė kaip 50 MeV, arba impulsinius Rentgeno ir γ-spindulių fotonų pluoštus, kurių energija ne mažesnė kaip 10 MeV. Generuojamų elektronų pradinio pluošto skersmuo yra mažesnis nei 200 pm, pvz. 20-200 pm, o impulsų trukmė mažesnė nei 100 fs, pvz. 5-100 fs. Impulsų pasikartojimo dažnis gali siekti nuo kelių šimtų Hz iki kelių kHz.In a known device, a laser particle accelerator can be excited, e.g. Ti: Sapphire laser. Laser radiation focused into a low-density gas capillary, in which the gas ionized by a pre-laser pulse or an electric discharge generates pulsed electron beams with an energy of 50 to 300 MeV but not less than 50 MeV, or pulsed X-ray and γ-ray photon beams with an energy of 10 MeV or more. The initial beam diameter of the generated electrons is less than 200 pm, e.g. 20-200 pm and a pulse duration of less than 100 fs, e.g. 5-100 fs. The frequency of pulse repetition can range from a few hundred Hz to a few kHz.
Žinomi didelės momentinės dozės jonizuojančios spinduliuotės generavimo įrenginiai generuoja nepakankamos spartos jonizuojančios spinduliuotės dozes, o dėl jų pritaikymas yra ribotas.Known high instantaneous dose ionizing radiation generating devices generate insufficient speed ionizing radiation doses and their application is limited.
Sprendžiama techninė problemaTechnical problem solved
Išradimu siekiama padidinti generuojamos dozės spartą, sumažinti reikiamą lazerio impulso energiją, sugeneruoti mažesnės trukmės elektronų pluoštus bei sumažinti elektronų pradinio pluošto skersmenį tuo pačiu praplečiant įrenginio panaudojimo sritis.The object of the invention is to increase the speed of the generated dose, to reduce the required laser pulse energy, to generate shorter electron beams and to reduce the diameter of the initial electron beam while expanding the fields of application of the device.
Išradimo esmės atskleidimasDisclosure of the essence of the invention
Uždavinio sprendimo esmė pagal pasiūlytą išradimą yra ta, kad lazeriniame jonizuojančios spinduliuotės didelės momentinės dozės generavimo įrenginyje, apimančiame įrenginio korpusą su vakuumine optine sistema, kurioje patalpinti: lazerinis plazmos greitintuvas, skirtas elektronų pluoštui sukurti ir greitinti, j kurį optinių priemonių pagalba nukreipiama impulsinė lazerio spinduliuotė iš lazerio impulsų šaltinio, elektronų pluošto fokusavimo sistema, nukreipianti elektronų pluoštą iš lazerinio plazmos greitintuvo į apšvitinimui pasirinktą vietą, bei lazerio impulsinės spinduliuotės ir elektronų pluošto stabilizavimo ir valdymo priemones, kur lazerio impulsų šaltinis parinktas generuoti lazerio impulsinę spinduliuotę, kurios impulso trukmė yra ribose nuo 5 iki 20 fs, impulso energija yra ribose nuo 5 iki 200 mJ ir bangos ilgis yra ribose nuo 380 iki 4000 nm, o optinės priemonės, skirtos lazerio spinduliuotei nukreipti į lazerinį plazmos greitintuvą, sukonstruotos taip, kad suformuotų iš dalies nedifraguojantį lazerio pluoštą ir kompensuotų elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio skirtumus bei impulso fronto savimoduliaciją, kur lazerinis plazmos greitintuvas apima mikrotūtų seką, turinčią elektronų pluošto generavimo mikrotūtas ir elektronų pluošto greitinimo mikrotūtas, bei atlieka elektronų pluošto krūvio ir erdvinio pasiskirstymo papildomą valdymą, keičiant plazmos kanalo matmenis ir koncentraciją bei suformuojant minėtame lazeriniame plazmos greitintuve plazmos kanalą ribose nuo 2 iki 10pm, o elektronų pluošto greitinimo zonos plazmos koncentracija yra suderinta su lazerio impulsinės spinduliuotės intensyvumu, impulso trukme ir bangos ilgiu.The object of the solution according to the proposed invention is that in a laser high instantaneous dose generating device for ionizing radiation, comprising a device housing with a vacuum optical system, comprising: a laser plasma accelerator for generating and accelerating an electron beam, by means of which a pulsed laser beam is directed from a laser pulse source, an electron beam focusing system directing an electron beam from the laser plasma accelerator to a location selected for irradiation, and means for stabilizing and controlling the laser pulse radiation and the electron beam, wherein the laser pulse source is selected to generate laser pulse radiation at a pulse duration 5 to 20 fs, the pulse energy is in the range of 5 to 200 mJ and the wavelength is in the range of 380 to 4000 nm, and the optical means for directing the laser radiation into the laser plasma accelerator is designed to form a non-diffractive laser beam and compensated electron and laser beam group velocity differences and pulse front self-modulation, wherein the laser plasma accelerator comprises a microtube sequence having an electron beam generation microtube and an electron beam acceleration microtube, and performs electron beam charge and spatial transfer, the dimensions and concentration of the channel and forming a plasma channel in said laser plasma accelerator in the range of 2 to 10 pm, and the plasma concentration of the electron beam acceleration zone is matched to the intensity of the laser pulse radiation, the pulse duration and the wavelength.
Optinės priemonės, skirtos, iš dalies nedifraguojančiams pluoštams suformuoti yra laisvos paviršiaus formos asferinis veidrodis, atspindintis pluoštą nedideliu 10-30 laipsnių kampu, atžvilgiu krentančio pluošto ašies, kur pasirinktam pluošto atspindžio kampui, pluošto sklidimo atstumui ir centrinės smailės pločiui, tiksli veidrodžio paviršiaus forma apskaičiuojama geometrinės optikos metodais, minimizuojant atsispindėjusių spindulių susikirtimo su optine ašimi taškų nuokrypas nuo projektinių susikirtimo taškų, ir laisvos formos asferinio veidrodžio pagalba Gauso pluoštas sufokusuojamas į iš dalies nedifraguojančius pluoštus, sklindančius baigtinį atstumą.Optical means for forming partially non-diffractive fibers is a free surface-shaped aspherical mirror reflecting the fiber at a small angle of 10 to 30 degrees to the axis of the incident fiber, where the selected fiber reflection angle, fiber propagation distance and center peak width are used to calculate the exact mirror surface. by geometric optics methods, minimizing the deviations of the points of intersection of the reflected rays with the optical axis from the design intersection points, and by means of a free-form aspherical mirror, the Gaussian beam is focused into partially non-diffractive beams propagating at a finite distance.
Laisvos paviršiaus formos asferinis veidrodis suformuotas taip, kad, keičiant skersinio veidrodžio profilį, atspindėta spinduliuotė kompensuotų elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio skirtumus bei impulso fronto savimoduliaciją.The free surface-shaped aspherical mirror is formed in such a way that, by changing the profile of the transverse mirror, the reflected radiation compensates for the differences in the group velocities of the electrons and the laser beam and the self-modulation of the pulse front.
Vakuuminėje optinėje sistemoje elektronų pluošto kelyje už greitintuvo numatytas taikinys 20, skirtas Rentgeno ir γ-spindulių diapazono stabdomosios spinduliuotės fotonams generuoti.In a vacuum optical system, a target 20 is provided in the electron beam path behind the accelerator for generating X-ray and γ-range braking radiation photons.
Spindulinės terapijos sistema, kurioje panaudotas lazerinis jonizuojančios spinduliuotės didelės momentinės dozės generavimo įrenginys pagal bet kurį išradimo apibrėžties punktą 1-4.A radiation therapy system using a laser high instantaneous dose generating device for ionizing radiation according to any one of claims 1-4 of the invention.
Išradimo naudingumasUtility of the invention
Femtosekundinės trukmės lazerio impulsai suteikia galimybę sugeneruoti jonizuojančios spinduliuotės dozę per labai trumpą laiką kol biologinėse ar kitose medžiagų struktūrose dar neprasidėjo šiluminiai energijos perdavimo reiškiniai. Tai leidžia poveikį lokalizuoti nanometrinių matmenų zonoje ir padidinti santykinį gydymo efektyvumą.Femtosecond laser pulses make it possible to generate a dose of ionizing radiation in a very short time before thermal energy transfer phenomena have begun in biological or other material structures. This allows the effect to be localized in the nanometer-sized zone and to increase the relative effectiveness of the treatment.
įrenginys pagal pasiūlytą išradimą leidžia 5-30 kartų sumažinti reikiama lazerio impulso energiją. Sugeneruojami mažesnės nei 2 fs trukmės elektronų pluoštai bei pradinis pluošto skersmuo sumažinamas iki 2-10 pm. Padidinus pasikartojimo dažnį nuo 10 Hz iki 1 kHz, dozės sparta padidėja 100 kartų. Tai leidžia geriau kontroliuoti poveikio zoną nanometrinių tikslumu ir padidinti santykinį radioterapijos efektyvumą. Iš dalies nedifraguojančių lazerinių pluoštų panaudojimas leidžia atsisakyti dujų jonizacijos, veikiant išankstiniam lazerio impulsui arba elektros iškrovai. Elektronų pluošto krūvis, erdvinės charakteristikos gali būti papildomai valdomos mikrotūtų sekos pagalba, keičiant plazmos kanalo matmenis ir koncentraciją.the device according to the proposed invention allows to reduce the required laser pulse energy by 5-30 times. Electron beams of less than 2 fs duration are generated and the initial beam diameter is reduced to 2-10 pm. Increasing the repetition rate from 10 Hz to 1 kHz increases the dose rate 100-fold. This allows better control of the area of exposure with nanometric accuracy and increases the relative effectiveness of radiotherapy. The use of partially non-diffractive laser beams makes it possible to dispense with gas ionization under the influence of a pre-laser pulse or an electric discharge. The charge and spatial characteristics of the electron beam can be additionally controlled with the help of a sequence of microtubules by changing the dimensions and concentration of the plasma channel.
Spinduliuotės erdviniams ir laikiniams procesams kontroliuoti gali būti naudojama ypač didelė (1012-1013 Gy/s) momentinė dozės sparta, kurią reliatyvistiniai elektronų pluoštai lazerinio greitinimo būdu sugeneruoja per trumpesnį nei 10 fs laiką. Tai leidžia padidinti nuo laiko priklausomą santykinį gydymo efektyvumą ir leidžia sukurti naujus priešvėžinius radioterapijos metodus.To control the spatial and temporal processes of radiation, a particularly high (10 12 -10 13 Gy / s) instantaneous dose rate can be used, which is generated by relativistic electron beams by laser acceleration in less than 10 fs. This allows for an increase in the time-dependent relative efficacy of treatment and allows the development of new anti-cancer radiotherapy approaches.
Femtosekundiniai elektronų pluoštai suformuoja nanometrinius (20-100 ) ir subnanometrinius biomolekulinius pažeidimus DNR lygiu kol dar neįvyko terminiai energijos perskirstymo procesai ir šiam poveikiui labiau tinkami nei pikosekundinės trukmės protonų pluoštai. Greičiausi jonizuojantys procesai uždarose sankaupose įvyksta per trumpesnį nei 10'16 s laiką. Antrinių elektronų energijos 10-14-10_12 s trukmės persiskirstymą nanometrinio dydžio sankaupose lemia kvantiniai efektai. Vėliau, per 10-11 s prasideda submikrometrinė dispersinė difuzija, kurią galima apibūdinti labiau klasikiniais energijos perdavimo modeliais. Šie procesai sukelia ląstelių makromolekulių, įskaitant DNR, RNR, lipidų, baltymų jonizaciją ir pažeidimus. Netiesioginę žalą gali sukelti reaktyviųjų deguonies jonų susidarymas dėl tarpląstelinio H2O ir reaktyviųjų azoto oksidų rūšių radiolizės. Galiausiai, jonizuojanti radiacija suaktyvina DNR atstatymą ar pokyčius, proliferacinius ir antiproliferacinius signalinius kelius, keičia ląstelių ciklo eigą, išgyvenimą ir apoptozę.Femtosecond electron beams form nanometric (20–100) and subnanometric biomolecular lesions at the DNA level before thermal energy redistribution processes have taken place and are more suitable for this effect than picosecond proton beams. The fastest ionizing processes in closed agglomerations occur in less than 10 '16 s. The redistribution of secondary electron energy for 10 -14 -10 _12 s in nanometer-sized clusters is determined by quantum effects. Subsequently, submicrometric dispersion diffusion begins within 10–11 s, which can be described by more classical energy transfer models. These processes cause ionization and damage to cellular macromolecules, including DNA, RNA, lipids, and proteins. Indirect damage can be caused by the formation of reactive oxygen ions due to radiolysis of intercellular H 2 O and reactive nitrogen oxide species. Finally, ionizing radiation activates DNA repair or alteration, proliferative and antiproliferative signaling pathways, alters cell cycle course, survival, and apoptosis.
Įrenginyje pagal pasiūlytą išradimą didelės dozės spartos radioterapijos švitinimo būde lazerio spinduliuotė fokusuojama krūvininkų greitinimo zonoje į iš dalies nedifraguojančius pluoštus. Plazmos koncentracija krūvininkų greitinimo zonoje turi būti suderinta su lazerio intensyvumu, impulso trukme ir bangos ilgiu. OPCPA (Optinio parametrinio čirpuotų impulsų stiprinimo) lazeriai leidžia sugeneruoti mažesnės trukmės (5-20 fs) impulsus nei Ti:Safyro lazeriai, kurių impulsų trukmė yra apribota kristalų bangų ilgio stiprinimo juosta iki apytiksliai 20 fs. OPCPA lazerio pasikartojimo dažnis siekia vieną ar daugiau kHz, tuo tarpu Ti:Safyro lazerių reikiamos energijos lazerių pasikartojimo dažnis paprastai neviršija 10 Hz. Krūvininkų pluošteliai plazmos greitintuvuose efektyviai gali būti greitinami tik tuo atveju, jei lazerio impulsas per savo trukmės laiką nueina kelią, apytiksliai lygų pusei plazmos bangos ilgio. Spinduliuotė turi būti fokusuojama į pusės plazmos bangos skersmens (FWHM - viso pluošto ilgio pusės maksimumo) kanalą. Ti:Safyro lazerio atveju, impulso trukmė paprastai būna apie 30 fs.In the device according to the proposed invention, in the method of high-dose rate radiotherapy irradiation, the laser radiation is focused in the accelerator zone of the carriers into partially non-diffractive fibers. The plasma concentration in the charge accelerator zone must be matched to the laser intensity, pulse duration, and wavelength. OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification) lasers allow the generation of shorter pulses (5-20 fs) than Ti: Sapphire lasers with a pulse duration limited to a crystal wavelength amplification band of approximately 20 fs. The repetition rate of the OPCPA laser is one or more kHz, while the repetition rate of the lasers required for Ti: Sapphire lasers typically does not exceed 10 Hz. Charger beams in plasma accelerators can only be effectively accelerated if the laser pulse travels its path during its duration, approximately half the wavelength of the plasma. The radiation must be focused on a half-wavelength (FWHM) half-wavelength channel. Ti: In the case of a sapphire laser, the pulse duration is usually about 30 fs.
Greitinant plazmos burbulo režimu, kai lazerio stiprumo parametras ao siekia 2-4, Ti:Safyro lazerio 800 nm bangos ilgio, 0,6-1.5 J impulso energijos spinduliuotę reikia sufokusuoti į 12-20 pm diametro plotą. Šis plotas turi būti suderintas su 20-33 μm plazmos bangos ilgiu, atitinkančiu 1-3x1018cm'3 plazmos koncentraciją. Tokiomis sąlygomis Relėjaus ilgis siekia 0,5-1,7 mm, o greitinamų elektronų išsifazavimo atstumas - 15-25 mm ir Ti:Safyro lazeris pagreitina elektronus iki 150-200 MeV energijos.When accelerating in the plasma bubble mode, when the laser intensity parameter ao reaches 2-4, Ti: Sapphire laser 800 nm wavelength, 0.6-1.5 J pulse energy radiation should be focused on an area of 12-20 μm in diameter. This area must be matched to a plasma wavelength of 20 to 33 μm corresponding to a plasma concentration of 1 to 3 x 10 18 cm '3. Under these conditions, the length of the Relay reaches 0.5-1.7 mm, the phasing distance of the accelerated electrons is 15-25 mm, and the Ti: Sapphire laser accelerates the electrons to 150-200 MeV energy.
Siekiant padidinti krūvininkų greitinimo nuotolį ir jų energiją, paprastai naudojama papildoma dujų jonizacija, veikiant išankstiniam lazerio impulsui arba elektros iškrovai. Jonizacija suformuoja parabolinės formos skersinį koncentracijos gradientą, kuris neleidžia pluoštui išsifokusuoti, ir padidina krūvininkų greitinimo nuotolį iki kelių ar net keliolikos centimetrų. Tačiau, išankstinio lazerio impulso formavimas ar aukštos įtampos didelės srovės elektros šaltinis padidina sistemos kaštus, mažina saugumą ir patikimumą.In order to increase the acceleration distance of the charge carriers and their energy, additional gas ionization is usually used under the action of a pre-laser pulse or an electric discharge. Ionization forms a transverse concentration gradient in the parabolic form, which prevents the fiber from focusing, and increases the acceleration distance of the carriers to a few or even several centimeters. However, pre-laser pulse generation or a high-voltage high-current power source increases system costs, reduces safety and reliability.
Teravatinės OPCPA sistemos, veikiančios 1 kHz ar didesniu impulsų pasikartojimo dažniu, leidžia pagreitinti elektronus lazerio plazmos lauke su 10-30 kartų mažesnę energiją turinčiais impulsais, nei Ti:Safyro lazeriai. Mažesnės trukmės OPCPA lazerių spinduliuotės impulsų pagalba galima pasiekti intensyvumą, kurio ao=2-4, su 20-50 m J impulsų energija. Tačiau, norint elektronus pagreitinti iki 150200 MeV energijų, reikalingų VHEE terapijai, reikia išspręsti keletą problemų, susijusių su mažesniu greitinimo atstumu. Trumpesnius 8-12 fs impulsus reikia fokusuoti į mažesnio 2-4.5 pm diametro plotą, atitinkantį 5-7.5 pm plazmos bangos ilgį ir 2-4x1019cm’3 plazmos koncentraciją. Dėl to Relėjaus ilgis sumažėja iki 15-80 μm bei sumažėja elektronų greitinimo atstumas. Dėl trumpesnio 5-7.5 pm plazmos bangos ilgio ir 10% ilgesnio OPCPA centrinio bangos ilgio (~900 nm), palyginti su Ti: Safyro lazeriais, plazmos koncentracija yra daug artimesnė kritinei koncentracijai. Lazerio pluošto ir greitinamų elektronų išsifazavimo atstumas OPCPA atveju sumažėja iki 80-160 pm. Elektronų pagreitinami tik iki 10-60 MeV energijos.Terawatt OPCPA systems operating at a pulse repetition rate of 1 kHz or higher allow the acceleration of electrons in a laser plasma field with pulses 10-30 times less energy than Ti: Sapphire lasers. With the help of shorter duration OPCPA laser radiation pulses it is possible to achieve the intensity with ao = 2-4, with 20-50 m J pulse energy. However, in order to accelerate the electrons to 150,200 MeV of energies required for VHEE therapy, several problems with a shorter acceleration distance need to be solved. Shorter pulses of 8–12 fs should be focused on a smaller diameter area of 2–4.5 μm, corresponding to a plasma wavelength of 5–7.5 μm and a plasma concentration of 2–4x10 19 cm ’ 3. As a result, the length of the Relay is reduced to 15-80 μm and the electron acceleration distance is reduced. Due to the shorter plasma wavelength of 5-7.5 pm and the 10% longer central wavelength of OPCPA (~900 nm) compared to Ti: Sapphire lasers, the plasma concentration is much closer to the critical concentration. The phasing distance of the laser beam and accelerated electrons in the case of OPCPA decreases to 80-160 pm. The electrons are accelerated only to 10-60 MeV of energy.
Pasiūlytame būde krūvininkų greitinimo nuotoliui padidinti iki kelių milimetrų ar centimetrų, siekiant juos pagreitinti iki reikiamos energijos, lazerio spinduliuotė yra fokusuojama į iš dalies nedifraguojančius pluoštus. Tokie pluoštai leidžia išvengti greito Gauso pluošto išsifokusavimo mažo Relėjaus ilgio atveju. Iš dalies nedifraguojančių pluoštų formavimo metu papildomai kompensuojami elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio skirtumai ir sumažinama impulso fronto savimoduliacija.In the proposed method, to increase the acceleration distance of the carriers to a few millimeters or centimeters in order to accelerate them to the required energy, the laser radiation is focused on partially non-diffractive beams. Such fibers prevent rapid Gaussian fiber focusing out in the case of a short Rayleigh length. During the formation of partially non-diffractive fibers, the differences in the group velocities of the electron and the laser beam are additionally compensated and the pulse front self-modulation is reduced.
Idealaus nedifraguojančio pluošto skersinis intensyvumo profilis išlieka nepakitęs, pluoštui sklindant laisvojoje erdvėje. Dauguma nedifraguojančių šviesos pluoštų aprašomi tiksliais skaliarinės Helmholco lygties sprendiniais. Tokių pluoštų skersinį intensyvumo pluošto pokytis aprašomas skersinėmis koordinatėmis atskirai nuo išilginių koordinačių. Dekarto koordinatėse nedifraguojančio pluošto sprendinį atitinka plokščia banga, radialinėse koordinatėse - Beselio pluoštą, elipsinėse cilindrinėse koordinatėse - Mathieu pluoštą, parabolinėse cilindrinėse koordinatėse parabolinį arba Vėberio pluoštą. Papildomai dar išskiriami nedifraguojantys Airy pluoštai, kurie greitėja skersinėje sklidimo krypčiai plokštumoje. Galimi ir kitokių skersinių skirstinių bei sūkuriniai nedifraguojantys pluoštai. Idealių nedifraguojančių pluoštų neįmanoma sugeneruoti, nes jie nėra apriboti erdvėje, ir jų suformavimui reiktų begalinės energijos. Praktiškai, apribojus pluoštą erdvėje, galima sugeneruoti iš dalies nedifraguojančius pluoštus, kurių skersinis intensyvumas nesikeičia baigtinį atstumą. Pasiūlytame būde iš dalies nedifraguojantis pluoštas generuojamas iš apriboto erdvėje Gauso pluošto.The transverse intensity profile of an ideal non-diffractive fiber remains unchanged as the fiber propagates in free space. Most non-diffractive light beams are described by the exact solutions of the scalar Helmholtz equation. The change in the transverse intensity of such fibers is described by the transverse coordinates separately from the longitudinal coordinates. In Cartesian coordinates, the non-diffractive fiber solution corresponds to a flat wave, in radial coordinates to Bessel fiber, in elliptical cylindrical coordinates to Mathieu fiber, in parabolic cylindrical coordinates to parabolic or Weber fiber. In addition, non-diffractive Airy fibers are separated, which accelerate in the transverse direction of propagation in the plane. Other cross-sections and eddy non-diffractive fibers are also possible. Ideal non-diffractive fibers cannot be generated because they are not confined in space and would require infinite energy to form. In practice, by limiting the fiber in space, it is possible to generate partially non-diffractive fibers whose transverse intensity does not change over a finite distance. In the proposed method, a partially non-diffractive fiber is generated from a spatially limited Gaussian fiber.
Krūvininkų greitinimui galima panaudoti įvairius iš dalies nedifraguojančius pluoštus, pvz. Beselio, Airy, Mathieu, Vėberio ir kitus pluoštus turinčius pakankamą, ne mažesnį nei 0.2-1.5 milimetrų nedifraguojančios zonos ilgį ir ašinę simetriją krūvininkų greitinimo ašies atžvilgiu. Pluošto intensyvumo gaubtinės gradientas turi mažėti, tolstant nuo centro, ir suformuoti plazmos bangą panderomotorinės jėgos dėka. Centrinė pluošto dalis gali turėti intensyvumo minimumą, kurio pagalba galima papildomai kontroliuoti plazmos bangos krūvininkų pagavimą. Efektyviam krūvininkų greitinimui pluošto centrinio maksimumo arba žiedo skersmuo turi atitikti pusei plazmos bangos ilgio, o žiedo storis turi būti ne mažesnis nei 50-70% žiedo spindulio. Siekiant išvengti impulsų išplitimo dėl medžiagos dispersijos, pluoštų formavimui reikia naudoti plačiajuosčius laisvos formos veidrodžius, atitinkančius reikiamo skersinio profilio reikalavimus.Various partially non-diffractive fibers can be used to accelerate the carriers, e.g. Bessel, Airy, Mathieu, Weber, and other fibers having sufficient non - diffractive zone length and axial symmetry of not less than 0.2-1.5 millimeters with respect to the axis of acceleration of the carriers. The envelope gradient of the fiber intensity should decrease as it moves away from the center and form a plasma wave due to the panderomotor force. The central part of the fiber may have a minimum intensity, which allows additional control of the capture of the plasma wave carriers. For effective charge carrier acceleration, the diameter of the central peak or ring of the beam must correspond to half the wavelength of the plasma and the thickness of the ring must be at least 50-70% of the radius of the ring. In order to prevent the propagation of pulses due to the dispersion of the material, broadband free-form mirrors meeting the requirements of the required transverse profile must be used for fiber formation.
Iš dalies nedifraguojančius pluoštus siūloma formuoti laisvos paviršiaus formos veidrodžiu, atspindinčiu pluoštą nedideliu 10-30 laipsnių kampu krentančio pluošto ašies atžvilgiu. Veidrodžių privalumas, lyginant su kitais impulsinių nedifraguojančių pluoštų generavimo būdais, yra maža grupinio greičio dispersija ir aukštas optinio pažeidimo slenkstis. Pasirinktam pluošto atspindžio kampui, pluošto sklidimo atstumui ir centrinės smailės pločiui, tiksli veidrodžio paviršiaus forma apskaičiuojama geometrinės optikos metodais, minimizuojant atsispindėjusių spindulių susikirtimo su optine ašimi taškų nuokrypas nuo projektinių susikirtimo taškų. Išradimo realizavimo pavyzdyje įeinantis Gauso lazerio spindulys ilgo židinio nuotolio laisvos formos asferiniu veidrodžiu sufokusuojamas j iš dalies nedifraguojantj Gauso-Beselio arba Gauso-Airy pluoštą, sklindantį baigtinį atstumą. Siekiant pagerinti įeinančio lazerio spindulio kokybę ir kompensuoti dideles aberacijas, elektronų greitinimui TW lazerio impulsų pagalba, naudojamas deformuojamas veidrodis.It is proposed to form partially non-diffractive fibers with a free-surface-shaped mirror that reflects the fiber at a small angle of 10 to 30 degrees to the axis of the falling fiber. The advantage of mirrors over other methods of generating pulsed non-diffractive fibers is low group velocity dispersion and high optical damage threshold. For the selected beam reflection angle, beam propagation distance, and center peak width, the exact shape of the mirror surface is calculated by geometric optics, minimizing deviations of the points of intersection of the reflected rays with the optical axis from the design intersection points. In an embodiment of the invention, the incoming Gaussian laser beam is focused by a long focal length free-form aspherical mirror into a partially non-diffractive Gaussian-Bessel or Gaussian-Airy beam propagating at a finite distance. In order to improve the quality of the incoming laser beam and to compensate for large aberrations, a deformable mirror is used to accelerate the electrons with the help of TW laser pulses.
Išsifazavimo ilgis ir lūžio rodiklis plazmoje priklauso nuo kritinio ir naudojamo plazmos bangos ilgio santykio. Lūžio rodiklis kinta nuo 0.9997, kai lazerio bangos ilgis 800 nm ir 1x1018cm'3 plazmos koncentracija, iki 0.9931 ir 0.98, kai plazmos koncentracija atitinkamai - 2x1019cm'3 ir 4x102°cm’3, o OPCPA lazerio centrinės bangos ilgis yra 890 nm. Suformavus atspindinčio paviršiaus fazių kompensaciją skersine kryptimi, gaunamas fazės poslinkis išilgine kryptimi leidžia padidinti išsifazavimo atstumą. Asferinis laisvos paviršiaus formos veidrodis suformuotas taip, kad atspindėta spinduliuotė kompensuotų Beselio-Gauso ir Airy-Gauso pluoštų elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio skirtumus ir impulso fronto savimoduliaciją. Jei lazerio impulsų energija yra pakankama, išsifazavimo atstumą taip pat galima padidinti, elektronus greitinant aukštesnės lazerio harmonikos spinduliuote. Du kartus sumažinus lazerio bangos ilgį, išsifazavimo atstumas padidėja 2.8 karto.The phase separation phase and the refractive index in plasma depend on the ratio of the critical to the plasma wavelength used. The refractive index varies from 0.9997 at a laser wavelength of 800 nm and 1x10 18 cm ' 3 plasma concentration to 0.9931 and 0.98 at a plasma concentration of 2x10 19 cm' 3 and 4x10 2 ° cm ' 3 , respectively, and the OPCPA laser center wavelength is 890 nm. By forming the phase compensation of the reflecting surface in the transverse direction, the resulting phase shift in the longitudinal direction makes it possible to increase the phasing distance. The aspherical free surface-shaped mirror is designed so that the reflected radiation compensates for the group velocity differences between the electron and laser beam of the Bessel-Gaussian and Airy-Gaussian beams and the self-modulation of the pulse front. If the energy of the laser pulses is sufficient, the phasing distance can also be increased by accelerating the electrons with higher laser harmonics. Reducing the laser wavelength twice increases the phasing distance by 2.8 times.
Elektronų pluošto krūvis ir erdvinis pasiskirstymas papildomai gali būti valdomi, keičiant plazmos kanalo matmenis ir jos koncentraciją mikrotūtų sekos pagalba. Minėta plazmos koncentracija turi būti suderinta su greitinančio lazerio šaltinio intensyvumu, impulso trukme bei bangos ilgiu.The charge and spatial distribution of the electron beam can be additionally controlled by varying the dimensions of the plasma channel and its concentration by means of a sequence of microtubules. This plasma concentration must be matched to the intensity, pulse duration and wavelength of the accelerating laser source.
Lazerio spinduliuotė, sufokusuota į iš dalies nedifraguojantj pluoštą, sumažina elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio bei impulso fronto savimoduliaciją, kelis kartus padidina įelektrintų dalelių greitinimo atstumą, reikalingą pasiekti VHEE elektronų energiją. Šiuo būdu, panaudojant 1 kHz pasikartojimo dažnio lazerinę sistemą, gali būti pasiekiama 50 Gy/s vidutinė dozės sparta sulyginama su geriausių radijo dažnio greitintuvų galimybėmis.Laser radiation focused on a partially non-diffractive beam reduces the group velocity and pulse front self-modulation of the electron and laser beam, multiplying the acceleration distance of the charged particles required to achieve the VHEE electron energy. In this way, using a 1 kHz repetition rate laser system, an average dose rate of 50 Gy / s can be achieved compared to the capabilities of the best radio frequency accelerators.
Detaliau išradimas paaiškinamas brėžiniais, kurThe detailed invention is explained in the drawings, where
Fig. 1 pavaizduota didelės momentinės dozės spartos jonizuojančios spinduliuotės pluoštų įrenginys, susidedantis iš lazerio impulsų šaltinio, lazerinio plazmos greitintuvo ir terapijos vietos nustatymo bei sekimo sistemos ir kontrolės sistemos.FIG. Figure 1 shows a high instantaneous dose rate ionizing radiation beam device comprising a laser pulse source, a laser plasma accelerator, and a therapy location and tracking system and control system.
Fig. 2 pavaizduota lazerinio plazmos greitintuvo ir terapijos vietos nustatymo bei sekimo sistema.FIG. Figure 2 shows a system for locating and tracking a laser plasma accelerator and therapy site.
Fig.3 pavaizduotas iš dalies nedifraguojančio Beselio pluošto santykinis intensyvumo pasiskirstymas sklidimo ir skersine kryptimi.Fig. 3 shows the relative intensity distribution of the partially non-diffractive Bessel fiber in the propagation and transverse directions.
Fig. 4 pavaizduotas iš dalies nedifraguojančio Beselio pluošto vienmatės santykinio intensyvumo projekcijos 0,15 mm, 3,0 mm, ir 4,0 mm atstumu nuo pluošto susiformavimo pradžios.FIG. Figure 4 shows a one-dimensional relative intensity projection of a partially non-diffractive Bessel fiber at a distance of 0.15 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm from the onset of fiber formation.
Fig.5 pavaizduota Airy pluošto santykinis intensyvumo pasiskirstymas sklidimo ir skersine kryptimi.Fig. 5 shows the relative intensity distribution of the Airy fiber in the propagation and transverse directions.
Fig.6 pavaizduota iš dalies nedifraguojančio Airy pluošto vienmatės santykinio intensyvumo projekcijos 0,15 mm, 3,0 mm, ir 4,0 mm atstumu nuo pluošto susiformavimo pradžios.Fig. 6 shows a one-dimensional relative intensity projection of a partially non-diffractive Airy fiber at a distance of 0.15 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm from the onset of fiber formation.
Fig.7 pavaizduota iš dalies nedifraguojančio Airy pluošto su savaiminiu susifokusavimu santykinis intensyvumo pasiskirstymas sklidimo ir skersine kryptimi.Fig. 7 shows the relative intensity distribution in the propagation and transverse directions of the partially non-diffractive Airy fiber with self-focusing.
Fig.8 pavaizduotos iš dalies nedifraguojančio Airy pluošto su savaiminiu susifokusavimu vienmatės santykinio intensyvumo projekcijos 0,15 mm, 3,0 mm, ir 4,0 mm atstumu nuo pluošto susiformavimo pradžios.Fig. 8 shows one-dimensional relative intensity projections of a partially non-diffractive Airy fiber with self-focusing at a distance of 0.15 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm from the onset of fiber formation.
Fig.9 pavaizduotas plazmos greitintuvo mikrotūtų sekos vaizdas iš viršaus.Fig. 9 is a top view of the plasma accelerator microtube sequence.
Fig. 10 pavaizduota lazerinio plazmos greitintuvo pjūvis ir krūvininkų pluoštelių generavimo bei greitinimo būdas.FIG. Figure 10 shows a section of a laser plasma accelerator and a method for generating and accelerating carrier beams.
Fig.11 pavaizduota išilginė mikrotūtų formuojamos čiurkšlių dujų koncentracijos priklausomybė nuo atstumo lazerio spinduliuotės sklidimo kryptimi.Fig. 11 shows the longitudinal dependence of the concentration of the jet gas formed by the microtubes on the distance in the direction of propagation of the laser radiation.
Išradimo realizavimo pavyzdys, kur pagal išradimą pasiūlytas įrenginys, skirtas vėžiu sergančio paciento radioterapijai.An embodiment of the invention, wherein the invention provides a device for radiotherapy of a cancer patient.
Didelės momentinės dozės spartos jonizuojančios spinduliuotės pluoštų įrenginys turi korpusą 1, kuriame išdėstytas lazerio impulsų šaltinis 2 bei vakuuminė optinė sistema 3, kurioje patalpinta: optinės priemonės, kurias sudaro deformuojamas veidrodis 15, kuris kompensuoja lazerinės spinduliuotės pluošto iškraipymus bei laisvos formos asferinis veidrodis 16, lazerinis plazmos greitintuvas 18 ir pagal reikalingumą taikinys 20, kuriame generuojami Rentgeno ir y-spindulių diapazono stabdomosios spinduliuotės fotonai. Elektronų pluošto magnetinė valdymo sistema 21 naudojama elektronų pluošto erdvinėms charakteristikoms keisti ir valdyti tiesiogiai ir papildomai. Lazerinis plazmos greitintuvas apima mikrotūtų seką 22, turinčią elektronų pluošto generavimo mikrotūtas 23 ir elektronų pluošto greitinimo mikrotūtas 24, kurios atlieka elektronų pluošto krūvio ir erdvinio pasiskirstymo papildomą valdymą, parenkant plazmos kanalo matmenis ir koncentraciją, suformuojant minėtame lazeriniame plazmos greitintuve plazmos kanalą ribose nuo 2 iki 10 pm, kur elektronų pluošto greitinimo zonos plazmos koncentracija yra suderinta su lazerio impulsinės spinduliuotės intensyvumu, impulso trukme ir bangos ilgiu.The high instantaneous dose rate ionizing radiation beam device has a housing 1 housing a laser pulse source 2 and a vacuum optical system 3 containing: optical means consisting of a deformable mirror 15 which compensates for the distortions of the laser beam and a free-form aspherical mirror 16 a plasma accelerator 18 and, if desired, a target 20 for generating X-ray and y-range braking radiation photons. The electron beam magnetic control system 21 is used to change and control the spatial characteristics of the electron beam directly and additionally. The laser plasma accelerator comprises a micronucleus sequence 22 having an electron beam generation microtube 23 and an electron beam acceleration microtube 24 which perform additional control of electron beam charge and spatial distribution by selecting plasma channel dimensions and concentration to form a plasma channel in said laser accelerator 2 10 pm, where the plasma concentration of the electron beam acceleration zone is matched to the intensity, pulse duration, and wavelength of the laser pulse radiation.
Numatyta kontrolės sistema 4. Jonizuojančios spinduliuotės pluoštų impulsai apšvitina paciento, esančio ant paciento atramos 5, vėžinius audinius 6. Radioterapijos vietos nustatymui ir sekimui gali būti naudojamos iš magnetinio branduolio rezonanso 7, Rentgeno 8, ultragarso 9 ar optinio, ar infraraudonųjų spindulių vaizdo sistemos 10, kuriančios radioterapijos vietos vaizdą 11. Magnetinio branduolio rezonanso sistema 7 apima pastovaus magnetinio lauko 12, ir magnetinio lauko gradiento ir radijo dažnio signalų 13 formavimo modulius.Intended control system 4. Pulses of ionizing radiation beams irradiated cancer tissue 6 of a patient on a patient support 5. Radiotherapy can be used to locate and track the site by magnetic resonance 7, X-ray 8, ultrasound 9 or optical or infrared imaging systems 10. generating an image of the radiotherapy site 11. The magnetic core resonance system 7 includes modules for generating a constant magnetic field 12 and a magnetic field gradient and radio frequency signals 13.
Pagal išradimą pasiūlytas didelės momentinės dozės spartos radioterapijos įrenginio veikimo principas apima šią operacijų seką, kuri detaliai pavaizduota Fig. 2. Lazerio impulsų šaltinio 2 spinduliuotė 14 nukreipiama į deformuojamą veidrodį 15, kuris kompensuoja lazerinės spinduliuotės pluošto iškraipymus. Po to laisvos formos asferinis veidrodis 16 iš Gauso pluošto suformuoja iš dalies nedifraguojantį pluoštą 17 ir kompensuoja elektronų ir lazerio pluošto grupinio greičio skirtumus bei impulso fronto savimoduliaciją. Ši pluošto spinduliuotė nukreipiama į plazmos greitintuvą 18, kuriame sukuria 2-10 pm skersmens plazmos kanalą, generuoja ir pagreitina krūvininkų pluoštus 19 iki 150-200 MeV energijos. Krūvininkų pluoštai gali būti nukreipiami į atitinkamą taikinį 20, kuriame generuojami Rentgeno ir y-spindulių diapazono stabdomosios spinduliuotės fotonai. Šiuos fotonus galima panaudoti radioterapijai. Didelės energijos krūvininkų pluoštai gali būti radioterapijai naudojami tiesiogiai, ir papildomai jų erdvines charakteristikas galima keisti ir valdyti magnetine sistema 21.The principle of operation of a high instantaneous dose rate radiotherapy device according to the invention comprises the following sequence of operations, which is illustrated in detail in FIG. 2. The radiation 14 of the laser pulse source 2 is directed to a deformable mirror 15, which compensates for the distortions of the laser beam. The free-form aspherical mirror 16 then forms a partially non-diffractive fiber 17 from the Gaussian fiber and compensates for the group velocity differences between the electron and laser beams and the pulse front self-modulation. This beam radiation is directed to a plasma accelerator 18, where it creates a 2-10 μm diameter plasma channel, generates and accelerates the carrier beams 19 to 150-200 MeV of energy. The carrier beams can be directed to the appropriate target 20, where X-ray and y-range braking radiation photons are generated. These photons can be used for radiotherapy. High-energy carrier fibers can be used directly for radiotherapy, and in addition their spatial characteristics can be modified and controlled by a magnetic system 21.
Iš dalies nedifraguojančių pluoštų pavyzdžiai parodyti Fig.3-8. Iš dalies nedifraguojančio Beselio pluošto santykinis intensyvumo pasiskirstymas sklidimo ir skersine kryptimi parodytas Fig.3, o vienmatės intensyvumo projekcijos 0,15 mm, 3,0 mm, ir 4,0 mm atstumu nuo pluošto susiformavimo pradžios - Fig.4. Iš dalies nedifraguojančių Airy pluoštų santykiniai intensyvumo pasiskirstymai sklidimo ir skersine kryptimi parodyti atitinkamai Fig. 5 ir Fig. 7, o vienmatės intensyvumo projekcijos 0,15 mm, 3,0 mm, ir 4,0 mm atstumu nuo pluošto susiformavimo pradžios - atitinkamai Fig. 6 ir Fig. 8.Examples of partially non-diffractive fibers are shown in Fig. 3-8. The relative intensity distribution in the propagation and transverse directions of the partially non-diffractive Bessel fiber is shown in Fig.3, and the one-dimensional intensity projections at 0.15 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm from the onset of fiber formation are shown in Fig.4. The relative intensity distributions in the propagation and transverse directions of the partially non-diffractive Airy fibers are shown in FIG. 5 and FIG. 7, and one-dimensional intensity projections at 0.15 mm, 3.0 mm, and 4.0 mm from the onset of fiber formation are shown in FIG. 6 and FIG. 8.
Elektronų pluošto krūvis ir erdvinis pasiskirstymas papildomai gali būti valdomi, keičiant plazmos kanalo matmenis ir koncentraciją plazmos greitintuvo 18 mikrotūtų sekos 22, parodytos Fig. 9, pagalba. Minėta plazmos kanalo koncentracija turi būti suderinta su greitinančio lazerio šaltinio intensyvumu, impulso trukme bei bangos ilgiu. Mikrotūtų seka 22 susideda iš krūvininkų generavimo modulio mikrotūtų 23 ir greitinimo modulio mikrotūtų 24. Fig. 10 pavaizduota lazerinio plazmos greitintuvo 18 pjūvis ir krūvininkų pluoštelių generavimo bei greitinimo būdas. Krūvininkų greitinimui naudojamos didelės jonizacijos energijos dujos, pvz. helis, įpurškiamos per mikrotūtas 24. Krūvininkai gali būti generuojami dėl koncentracijos gradiento tarp mikrotūtų 23 ir 24, arba panaudojant krūvininkų generacijai mažesnės jonizacijos dujų, pvz. azoto, vandenilio mišinį, įpurškiamą per mikrotūtas 23. Iš dalies nedifraguojančių pluoštų spinduliuotė nukreipiama į dujų čiurkšles 25 ir 26, kuriose sukuria 2-10 gm skersmens plazmos kanalą, generuoja ir pagreitina krūvininkų pluoštus 19. Fig. 11 parodyta išilginė mikrotūtų 23 ir 24 formuojamos čiurkšlių 25 ir 26 dujų koncentracijos priklausomybė nuo atstumo lazerio spinduliuotės sklidimo kryptimi.The charge and spatial distribution of the electron beam can be further controlled by varying the dimensions and concentration of the plasma channel in the microtube sequence 22 of the plasma accelerator 18 shown in FIG. 9, help. This plasma channel concentration must be matched to the intensity, pulse duration and wavelength of the accelerating laser source. The micro-nozzle sequence 22 consists of the charge-generating module micro-nozzles 23 and the acceleration module micro-nozzles 24. FIG. Figure 10 shows a section 18 of a laser plasma accelerator and a method for generating and accelerating carrier beams. High ionization energy gases are used to accelerate the carriers, e.g. helium injected through the microtubes 24. The charge carriers can be generated by a concentration gradient between the microtubules 23 and 24, or by using a lower ionization gas, e.g. a mixture of nitrogen and hydrogen injected through microtubes 23. The radiation from the partially non-diffractive fibers is directed to gas jets 25 and 26, where a 2-10 gm diameter plasma channel is generated, generating and accelerating the carrier fibers 19. FIG. 11 shows the longitudinal dependence of the gas concentration of the jets 25 and 26 formed by the microtubes 23 and 24 on the distance in the direction of propagation of the laser radiation.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2019075A LT6816B (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2019075A LT6816B (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2019075A LT2019075A (en) | 2021-04-12 |
| LT6816B true LT6816B (en) | 2021-05-10 |
Family
ID=75353535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2019075A LT6816B (en) | 2019-10-03 | 2019-10-03 | Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT6816B (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015169011A1 (en) | 2014-05-07 | 2015-11-12 | 上海交通大学 | Extra high energy electron beam or photon beam radiotherapy robot system |
| US10252083B2 (en) | 2015-09-23 | 2019-04-09 | Varian Medical Systems Inc. | Systems, methods, and devices for high-energy irradiation |
-
2019
- 2019-10-03 LT LT2019075A patent/LT6816B/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015169011A1 (en) | 2014-05-07 | 2015-11-12 | 上海交通大学 | Extra high energy electron beam or photon beam radiotherapy robot system |
| US10252083B2 (en) | 2015-09-23 | 2019-04-09 | Varian Medical Systems Inc. | Systems, methods, and devices for high-energy irradiation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2019075A (en) | 2021-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5040652B2 (en) | Apparatus and method for generating high energy particle pulses | |
| Glinec et al. | Radiotherapy with laser‐plasma accelerators: Monte Carlo simulation of dose deposited by an experimental quasimonoenergetic electron beam | |
| US6906338B2 (en) | Laser driven ion accelerator | |
| US8264174B2 (en) | Laser acceleration system for generating monoenergetic protons | |
| US8039819B2 (en) | Device and method for creating a spatial dose distribution in a medium volume | |
| Bulanov et al. | Feasibility of using laser ion accelerators in proton therapy | |
| US5394411A (en) | Method for producing high intensity optical through x-ray waveguide and applications | |
| CN103841744B (en) | Laser wake field acceleration and the method producing high brightness attosecond optical pulse | |
| US8872127B2 (en) | Beam current controller for laser ion source | |
| US20230126790A1 (en) | System and method for particle therapy | |
| LT6816B (en) | Laser-driven high-dose-rate generating device of ionizing radiation | |
| JP7095196B2 (en) | Ion acceleration method | |
| US10056221B2 (en) | Apparatus for generating charged particles | |
| JP5483175B2 (en) | Charged particle acceleration method, charged particle acceleration device, particle beam irradiation device, medical particle beam irradiation device | |
| JP2004101219A (en) | Radiation generator using laser | |
| LU102279B1 (en) | A robotic gantry for radiation therapy comprising tuneable compact focusing system | |
| RU2826450C1 (en) | Method of spatially directed laser acceleration of beam of charged particles in plasma with inhomogeneous concentration of electrons | |
| EP1871151B1 (en) | Method and device for creating stable and tuneable quasi monoenergetic electron beam | |
| CN111509559B (en) | Method for widening high-power strong laser spectrum | |
| Kim et al. | Characteristics of high electron beam generation and dose distribution in laser wakefield accelerator for cancer treatment | |
| CZ36217U1 (en) | Robotic gantries for radiation therapy incorporating a tunable compact focusing system | |
| JP2018094147A (en) | Charged-particle beam therapy apparatus | |
| Tomkus | Excitation of secondary radiation with high-intensity laser fields and its application in materials science | |
| Major et al. | The eli alps research infrastructure: scaling attosecond pulse generation for a large scale infrastructure | |
| Li et al. | Research Article Enhancement of Magnetic Vortex Acceleration by Laser Interaction with Near-Critical Density Plasma inside a Hollow Conical Target |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20210412 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20210510 |