Vědci z Ruska a ČR vytvořili metodu urychlení iontů, která může přispět k terapii rakoviny

Pracovníci Ústavu laserových a plazmových technologií Národní výzkumní Moskevského inženýrského fyzického ústavu spolu s kolegy i Německa a České republiky nabídli novou metodu generace velice silných kvazistatických elektrických polí, které přispívají urychlení iontů v laserové plazmě.

Výsledky této práce mají velký význam pro medicínu, zejména pro protonovou terapii, co se týče léčení onkologických chorob. Vědecký článek je zveřejněn v prestižním vědeckém časopisu Scientific Reports.

Jak víme, existují tři základní metody léčení onkologických chorob: chirurgický zásah, chemioterapie a ozářování (radioterapie). Poslední představuje působení ionizujícího záření, což je zhoubné nejen pro nádor, ale i pro vedlejší zdravé tkáně. Právě to omezuje výkon svazku gama paprsků, které se používají při radioterapii.

V tom smyslu je výhodněji používat protony. Díky relativně velké hmotnosti protony zažívají jenom nevelké zasíjení v tkáních a rozsah délky jejich probíhání je velice malý. Proto svazek protonů se dá velmi přesně zaostřit směrem k nádoru bez poškození okolních zdravých tkání.

Ale k vytváření svazky protonů je potřebný urychlovač nabitých částic. Je to velice drahé a vícetunové zařízení. Tak například synchrocyklotron terapeutického centra ve městě Orse (Francie) má celkovou hmotnost 900 tun. Proto ve mnohých světových univerzitách se pracuje s alternativními metodami generace svazků velice rychlých nabitých částic. Jedno z nich spočívá na použití laserového urychlovače.

Laserové urychlovače nabitých částic jsou v podstatě kompaktnější a levnější ve srovnání s obyčejnými cyklotrony a synchrotrony, ale kvalita svazků, které se vytváří jejich pomocí, zatím není dostatečná pro většinu praktických užití kvůli velkému rozhození energií protonů a nedostatečnému výkonu. V dnešní době se zahájil skutečný závod za novými metodami laserového urychlení: vytvoření protonového svazku s energetickým výkonem 100 až 200 MV a rozhozením, které nepřekračuje několik procent, což by objevilo nové období v laserové medicíně.

Podle slov vědců Moskevského inženýrského fyzického ústavu teorie, kterou rozpracovali, bude přispívat vývoji nových metod laserového urychlení. „Při práci jsme teoreticky předpověděli a ukázali pomocí číselného modelování dost paradoxní na první pohled účinek: síla radiačního tření, která působí na nabité částice a které vyzařují elektromagnetické vlny, může přispívat jejich urychlení," sdělil docent katedry teoretické jaderné fyziky Moskevské inženýrské fyzické univerzity a vědecký pracovník ústavu Extreme Light Infrastructure Beamlines (Česká republika) Jevgenij Gelfer.

U obyčejných mechanických systémů síly tření vždy způsobují ztrátu kinetické energie a zpomalení uspořádaného pohybování. Síla radiačního tření funguje zvláštním způsobem, vzniká v důsledku přesunu energie vnějšího pole (v tomto případě laserového) do energie kvant velice vysoké frekvence. Pracovním tělem, který uskutečňuje tento přenos, je elektron a během přenosu energie z jedné nádrže do druhé sám se dokáže zpomalit nebo urychlit.

„My jsme prozkoumali rozšíření velice silného laserového impulzu ve plazmě. V elektromagnetických polích o výkonu několika petavatů a více (1 PW=1 015 W, pro srovnání výkon největší elektrárny ve světě — 22 500 MW, t.j. cca 50 000 krát méně) elektrony natolik intenzivně vyzařují, že se jejich pohybování určuje nejen Lorentzovou sílou, ale i sílou radiačního tření, která vzniká v důsledku vrácení během záření. Přičemž poslední dokonce může převyšovat Lorentzovou sílu ve velikosti. My jsme ukázali, že přitom zpomalení elektronů v důsledku radiačního tření v rovině, která je kolmá ve směru šíření laserového paprsku, vyvolává jejich silnější urychlení dopředu. Takovým způsobem to přispívá efektivnějšímu rozdělení nábojů ve plazmě a zesílení podélného elektrického pole, které přitom vzniká. Právě toto pole vyvolává urychlení iontů, proto výsledek, který jsme dosáhli, může přispět k získání iontových svazků vyšší kvality," říká Jevgenij Gelfer.