Sistema láser de sobremesa de clase TW para la generación de protones/iones en relación con la investigación del cáncer
1 El sistema láser
En Monocrom, hemos abordado los desafíos de generar pulsos láser ultracortos de alta potencia mediante la construcción de un sistema láser CPA alimentado por varios sistemas MOPA. Utilizamos zafiro dopado con titanio (Ti:Sa) como material activo tanto para las etapas de oscilación como de amplificación. Basándonos en nuestra experiencia con cabezales de bombeo (PH) basados en diodos láser aplicados a materiales como el Nd:YAG [1064nm] o el Nd:YLF [1053nm], todos los sistemas de bombeo utilizados en esta configuración se basan en esta tecnología. En comparación con otras técnicas bien establecidas (bombeo por lámpara de destello), nuestros PH permiten frecuencias de repetición mucho más altas (hasta el régimen de kHz) y una mayor estabilidad a largo plazo.
Figura 1: Esquema general de un sistema láser amplificador de pulso chirped.
El sistema láser CPA consta de cuatro subsistemas principales. El primero consiste en un oscilador que genera pulsos de femtosegundos de baja energía a una frecuencia de repetición base de varios MHz. Un selector de pulsos selecciona 1 de cada 106 de todos los pulsos generados para ser inyectados en un estirador, que utiliza una red de difracción con 1200 ranuras por mm y está diseñado en una configuración Oeffner on-axis. Después del estirador comienza la cadena de amplificación, que consta de tres etapas, una regenerativa y dos amplificadores multipaso (Figura 1). Todos ellos son bombeados por un láser de estado sólido con conversión de frecuencia bombeado por diodo. Una vez que el pulso ha alcanzado la energía adecuada, un compresor que utiliza rejillas de difracción idénticas a las del estirador invierte la duración temporal del pulso a su estado original, dando lugar a una potencia pico de TW. Para evitar la ruptura del aire, el compresor se coloca en una cámara de vacío con un diseño Treacy. Finalmente, el pulso se enfoca en el objetivo para la generación de protones/iones (Figura 2).
Figura 2: Esquema general de una configuración de láser de bomba MOPA de salida dual utilizada para bombear la última etapa amplificadora en el CPA.
Figura 3: Un pulso láser potente y ultracorto se dirige hacia un objetivo delgado y las partículas generadas dentro del plasma son aceleradas por su alto campo eléctrico. Causado por la diferencia de masa entre electrones y protones (mp/me≈ 2000) ambas especies de partículas están bien separadas después de una corta distancia en vacío.
Generación de protones/iones
Las densidades de potencia alcanzadas son tan altas (>1018 W/cm2que el láser actúa básicamente como un acelerador de partículas cuando alcanza la superficie del objetivo. Después de impactar, los electrones son acelerados directamente y penetran en el objetivo. La mayoría de ellos se dispersan y disipan energía en su interior, pero los más enérgicos escapan, dejando tras de sí un potencial electrostático que genera un campo eléctrico que ioniza y acelera los iones de la superficie en un proceso llamado Aceleración de la Vaina Normal al Objetivo (TNSA).
Como consecuencia, se emite un intenso haz colimado de protones de alta energía perpendicular a la superficie posterior de los objetivos irradiados. Este haz presenta un espectro de energías, típicamente con un perfil exponencial, y presenta tres características principales (ver Figura 4): una gran dispersión de energía, una disminución suave del número de partículas con la energía y, finalmente, un “corte” abrupto que delimita la energía máxima de protones alcanzable y determina las leyes de escala experimentales para el proceso de aceleración. Este espectro depende en gran medida de las propiedades del objetivo, especialmente considerando su espesor. Después de diferentes experimentos, se ha demostrado que la energía máxima de protones acelerados mediante TNSA se puede mejorar utilizando objetivos más delgados.
A pesar de los resultados prometedores, las energías aceleradas de protones aún son bajas para ser aplicadas en tratamientos contra el cáncer. No obstante, las ventajas sobre las técnicas existentes como los aceleradores de ciclotrón (requisitos reducidos de blindaje contra la radiación, compacidad, consumo de energía o viabilidad económica para instituciones con medios limitados) hacen que los desarrollos futuros valgan la pena. Es por eso que se están logrando avances para aumentar la potencia pico del láser hasta el nivel de sub-petaW, todo ello confiando en la corriente Monocrom y en módulos de bombeo mejorados.
Figura 4: El gráfico visualiza el rendimiento de partículas por ángulo sólido estrecho sobre la energía de las partículas para diferentes espesores de objetivo. La energía máxima de las partículas alcanzada depende claramente del espesor del objetivo utilizado. La distribución espectral se mide mediante un detector de tiempo de vuelo.