Một nhóm các nhà vật lí quốc tế làm việc tại Phòng thí nghiệm Los Alamos ở Mĩ vừa sử dụng một laser phát ra các proton 67.5 MeV – những proton năng lượng cao nhất từng được tạo ra theo phương pháp này. Công trình của họ hướng tới những dụng cụ gốc laser mới dùng cho liệu pháp proton, phương pháp sẽ nhỏ gọn hơn và rẻ hơn nhiều so với các nguồn máy gia tốc hạt hiện có.

Khi một chùm proton năng lượng cao truyền qua cơ thể người, nó gửi lại phần lớn năng lượng của nó bên trong một thể tích nhỏ, kích cỡ và vị trí của vùng đó có thể tính toán được với độ chính xác cao. Kết quả là proton mang lại một lợi thế dễ thấy so với các dạng bức xạ khác dùng phá hủy các tế bào ung bướu vì chúng ít gây ra sự nguy hại cho mô khỏe xung quanh hơn. Thật không may, các máy gia tốc cần thiết để phát ra proton có thể chiếm tới hàng nghìn mét vuông và tiêu tốn chừng 100 triệu đôla. Điều này làm hạn chế số lượng thiết bị liệu pháp proton có sẵn và bệnh nhân thường phải đi những quãng đường dài để được điều trị theo phương pháp này.

Một số nhà vật lí tin rằng một máy phát proton gốc laser có thể chế tạo với chi phí khoảng một phần mười của một máy gia tốc hạt thông thường và đủ nhỏ để chứa trong một phòng thí nghiệm cỡ lớp học. Ý tưởng là các xung laser cực mạnh đó đánh bật electron ra khỏi các nguyên tử bên trong một tấm bia nhỏ xíu, làm cho các electron tích góp trên mặt sau của bia. Cơ cấu này thiết lập một điện trường xuyên qua bia, làm gia tốc các ion thu được và buộc chúng rời khỏi chất liệu dưới dạng một chùm năng lượng rất cao.

Năng lượng là một vấn đề

Tuy nhiên, trong thực tế, một số laser petawatt (1015 W) mạnh nhất thế giới chỉ có thể làm phát ra các proton với năng lượng cực đại chừng 58 megaelectronvolt (MeV). Trong khi các khối u của mắt có thể điều trị bằng các proton 60–70 MeV, thì những khối u ở sâu hơn bên trong đòi hỏi năng lượng cỡ 300 MeV.

Đột phá mới nhất được thực hiện bởi Kirk Flippo thuộc Los Alamos, Sandrine Gaillard thuộc trung tâm nghiên cứu Forschungszentrum Dresden–Rossendorf (FZD) ở Đức cùng các cộng sự, họ đã sử dụng laser Tridend của Los Alamos phát ra các proton 67,5 MeV. Công trình thực hiện trên một thiết kế bia mới lạ - một miếng đồng hình cái đe gồm một hình nón xung quanh dài 100 µm và một cái đĩa phẳng bề ngang 100 µm gắn trên đầu nhọn của nó. Đội của Flippo đã chiếu thẳng chùm laser vào bên trong hình nón, giải phóng các electron được dẫn hướng lên đầu nhọn và thiết lập một điện trường là gia tốc các proton ra khỏi đĩa. Các nhà nghiên cứu khẳng định sự sắp xếp này hiệu quả hơn nhiều so với các màng mỏng dùng trong những thí nghiệm trước đây – họ sử dụng các xung laser 80 J, trong khi kỉ lục 58 MeV trước đây dung các xung laser 450 J.

Thành viên đội nghiên cứu, Michael Bussmann thuộc FZD, nói rằng bước tiến bộ đáng kể này về năng lượng proton cực đại còn có thể thực hiện bằng cách tăng cường độ của phần chính của mỗi xung so với “tiền-xung”, xung đi trước xung chính và có thể làm hỏng bia mục tiêu.

Không đủ proton

Tuy nhiên, phải mất một thập kỉ hoặc lâu hơn nữa trước khi các proton do laser tạo ra có thể dùng trong trận chiến chống ung thư. Một thách thức nữa là Tridend và các nguồn laser mạnh hơn khác đòi hỏi quá nhiều năng lượng để có thể hoạt động ở tố độ xung chừng 10 Hz theo yêu cầu cần thiết để tạ ra đủ proton cho liệu pháp ung thư.

Theo Bussmann, việc đạt tới tốc độ sản xuất cao đáp ứng nhu cầu lớn sẽ là vấn đề chọn lựa bia mục tiêu thích hợp. Một khả năng sẽ là một số loại tinh chỉnh của hình cái đe, ông nói. Tuy nhiên, những người khác thì tin rằng câu trả lời nằm ở chỗ giảm kích thước của bia, cho phép các electron nóng lên và phát ra khỏi bia nhanh hơn nhiều và do đó có sự phân bố năng lượng đồng đều hơn, nói cách khác là dẫn tới việc giảm các electron năng lượng thấp. “Chúng tôi đã có đủ năng lượng trong các laser của mình, câu trả lời là chúng tôi có thể sử dụng nó hiệu quả hơn như thế nào mà thôi”, Bussmann nói. “Không ai có ý tưởng cuối cùng vào lúc này cả”, ông nói, “nhưng chúng tôi đang ở trong vị thế kiểm tra toàn bộ những lí thuyết khác nhau này và xem lí thuyết nào hoạt động tốt nhất”.

Nhìn xa khỏi liệu pháp ung thư, Flippo tin rằng các nguồn proton như thế còn có thể dùng để tạo ra các đồng vị y khoa và dùng để phát ra neutron cho nghiên cứu trong ngành vật lí vật chất hóa đặc và những lĩnh vực khoa học khác. Chúng cũng có thể dùng để tìm kiếm các chất liệu hạt nhân bên trong hàng hóa, biết rằng các đặc trưng của một chùm proton bị biến đổi theo những cách rõ ràng bởi các chất phóng xạ.

Nghiên cứu được trình bày tại cuộc họp thường niên của Phân viện Vật lí Plasma của Hội Y khoa Mĩ, tổ chức ở Atlanta, từ ngày 2 đến 6/11.

Theo physicsworld.com