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治癌新突破 | 激光高密度中子让一切清晰可见!

2021-09-17 17:28     来源:江苏激光产业技术创新战略联盟     X射线原子核
导读:

成像技术受材料限制较大,有些材料对X射线不敏感,可能在X射线下呈现“透明、隐形”的状态。日本大阪大学的研究人员发现了一种利用激光形成高密度中子,从而对多种材料成像的方法,这一方法或许让更多的目标物体“无所遁形”。

在精确的时间点获得某过程的快照对于许多领域都很重要,包括生物学、材料科学和工程学。向目标物质发射中子束是获取信息的一种重要方式,然而这往往需要核反应堆和专业设施。如今,大阪大学的研究人员在《 Applied Physics Express》上公开了他们的研究,称他们发现了一种同时产生中子和X光的激光驱动方法。

研究不同的结构时,在不破坏目标系统的前提下获取所需信息非常必要。其中一种方法是将光、电离辐射或粒子对准目标材料,然后观察他们之间的相互作用。中子(尤其是低能中子)则是其中的优秀粒子,因为它们很可能与包括氢在内的不同原子核相互作用。然而,产生中子可并不容易,需要专业的设施。

使用激光产生中子如今备受青睐,因为激光结构紧凑,可以短时间内爆发种子,并且可以同时产生x光。大阪的研究人员开发了一种激光驱动的中子源,它只有指尖那么大,并且可以在极短的时间内产生大量的快中子。中子随后在减速剂的作用下减速,从而使自身达到最适合成像的状态和水平。

同时使用激光诱导中子和X射线照相术的“快照”结果。(左)样品照片:镍氢电池Ni-MH、镍镉电池Ni-Cd和碳化硼粉末B2C 。(中)x光射线照相术,其中碳化硼B2C 粉末在X光下是“透明”、“隐形”的。(右)中子照相术,根据阴影部分,可以将镍镉电池与镍氢电池区分开来,观察到碳化硼粉末的低透射率。这些结果突出了中子的优势,中子可以识别那些X射线“束手无策”的材料。

现有的放射生物学研究表明,癌变组织通常由有氧型和乏氧型两类细胞组成,其中有氧癌细胞易被放射线杀死,但乏氧癌细胞却对常规放疗所用的X 射线、伽玛射线以及电子束不敏感,耐受性强,不易杀死,这也就是常规放疗后癌症容易复发的主要原因。但奇特的是,这种乏氧癌细胞对中子射线却特别敏感。经中子射线照射后,肿瘤(尤其是脑瘤)部位乏氧细胞的复活率几乎为零,术后癌症复发率极低,这就是中子治癌的独特优势。


硼中子俘获疗法 来源: INC国际神经科学

研究通讯作者Akifumi副教授解释道:“我们能够产生高密度中子——比在一些恒星中发现的还要高,这意味着我们可以非常快速地获得所需的信息,x光也是同时产生的,因此该系统可以同时提供两种互补技术。”与此同时,中子是通过激光器的开关控制的,这使得该系统更安全。

研究人员利用他们的技术表明,碳化硼可通过中子探测到,而用x光则无法成像。此外,他们以非破坏性的方式检查了典型电池中的有害物质,并能够使用中子检测镉的存在。

Yogo副教授说:“我们能够用该方法实现的快速中子爆发为瞬间过程成像,甚至可以观察到发动机中的燃油喷射和快速喷气式飞机中的气泡破裂等现象,这将为许多行业的研究提供更多可能。”这一技术或许也可为大阪大学一直参与的日本新一代抗癌技术——硼中子俘获疗法提供更多信息。

原文来源:Single shot radiography by a bright source of laser-driven thermal neutrons and x-rays,Applied Physics Express,DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/ac2212,部分信息来源于INC国际神经科学

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