Uno dei laser più potenti d’Europa
Si trova nella sede di Pisa dell’Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr, e il tubo di luce che esso produce, e che può essere trasportato dove si vuole, ha numerose potenziali applicazioni nel campo biomedico, ma anche in quello dei beni culturali. Federica Baffigi e Martina Salvadori, ricercatrici del Cnr-Ino, illustrano alcuni dei suoi possibili utilizzi
Non tutti sanno che il laser - acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ovvero amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione - fu teorizzato da Albert Einstein negli anni ’20 del secolo scorso e realizzato per la prima volta da Theodore Maiman nel 1960. Nella sede di Pisa dell’Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr si trova uno dei laser più potenti e innovativi d’Europa, capace di raggiungere potenze fino a 250 Terawatt in impulsi di appena 30 femtosecondi, cioè milionesimi di miliardesimo di secondo. Si tratta di un laser ultra-intenso e ultra-corto, in grado di generare fasci di luce estremamente concentrati e precisi, come spiegano Federica Baffigi e Martina Salvadori (Cnr-Ino), che si occupano dello studio di questi laser e delle loro applicazioni.
“La luce prodotta da un laser è molto particolare: tutti i fotoni hanno lo stesso colore e oscillano in fase tra loro, è come se avessimo un tubo di luce che può essere trasportato dove vogliamo, modificandone il percorso con degli specchi, mentre con lenti e/o specchi parabolici possiamo concentrare l’energia del laser su una superficie piccolissima, fino a raggiungere densità di potenza molto elevate”, chiarisce Baffigi. “Fasci laser così corti e intensi e opportunamente focalizzati interagiscono poi con un gas supersonico generando plasma. All’interno di queste onde di plasma possono essere accelerate particelle come elettroni e protoni. Tali particelle possono poi essere utilizzate in varie applicazioni, anche biomediche. Questo meccanismo di accelerazione laser-plasma è chiamato Lwfa, Laser Wakefield Acceleration e permette di raggiungere dei gradienti di accelerazione molto più elevati dei tradizionali acceleratori lineari, detti Linac, Linear Accelerator, attualmente impiegati negli ospedali”.
Le due ricercatrici del Cnr-Ino, Martina Salvadori (a sinistra) e Federica Baffigi (a destra)
Tali caratteristiche fanno sì che l’accelerazione laser-plasma sia molto promettente per raggiungere il cosiddetto effetto flash. “L’effetto flash è una tecnica in studio per la radioterapia, basata sugli stessi principi: provocare danni al Dna delle cellule tumorali per impedirne la riproduzione e, quindi, arrestare la crescita del tumore”, aggiunge Salvadori. “Nella radioterapia convenzionale, l’efficienza radiobiologica è simile sia sul tessuto sano sia su quello tumorale. Tuttavia, sembra che irradiare un tessuto tumorale in un tempo estremamente breve, quindi con una dose molto elevata per unità di tempo, sia più efficace nel danneggiare le cellule tumorali, garantendo una maggiore sopravvivenza delle cellule sane. Il motivo di questo fenomeno è ancora oggetto di studio da parte della biomedicina”.
Sempre nel campo medicale, i laser di alta potenza e ad alto tasso di ripetizione sono degli ottimi candidati per poter essere impiegati nella produzione di radioisotopi che a loro volta sono ingrediente essenziale per la radiosintesi di mezzi di contrasto utilizzati nella Pet. “In questo frangente il laser viene focalizzato su un foglio molto sottile (ad esempio di alluminio) che diventa plasma. Il laser, trasferendo la sua energia agli elettroni, mette in moto un meccanismo che porta alla creazione di un campo elettrico molto intenso in grado di accelerare ioni e protoni. Questi ultimi vengono poi utilizzati per irraggiare un campione di acqua arricchita, dove vengono innescate delle reazioni nucleari che portano alla produzione del radioisotopo di interesse. Il laser di Pisa è attualmente impiegato per degli studi propedeutici a questa tipologia di applicazione”, continua Baffigi. “L’impiego di sistemi laser per questo tipo di applicazione renderebbe possibile la produzione di piccole quantità di radiofarmaco, rispondendo rapidamente alle richieste dei medici e permetterebbe di personalizzare il trattamento diagnostico in base alle esigenze del paziente. Inoltre, questa tecnologia si presta allo sviluppo di sistemi compatti dalle dimensioni ridotte, pensati per essere utilizzati direttamente negli ospedali”.
Non solo la radio medicina è il campo di applicazione del laser pisano. “I protoni accelerati con il meccanismo descritto possono essere usati per caratterizzare materiali: l’interazione tra particelle e materiale produce raggi X, che permettono di analizzarne la struttura interna. Questa tecnica è molto utilizzata nel settore dei beni culturali e viene impiegata, ad esempio, anche presso un acceleratore convenzionale situato a Firenze. Protoni di energie più alte vengono invece studiati per il loro possibile impiego nei trattamenti radioterapici”, precisa Salvadori.
“Le potenzialità del laser pisano sono destinate ad aumentare: un recente upgrade del laser ha portato ad accrescere il suo rep rate, cioè la frequenza di ripetizione degli spari da 10 Hz a 100 Hz e per questo presso il Cnr-Ino di Pisa è stata avviata la costruzione di un bunker sotterraneo, per garantire la sicurezza durante le sperimentazioni che generano radiazioni ionizzanti”, conclude Baffigi.
Fonte: Federica Baffigi, Istituto nazionale di ottica, federica.baffigi@ino.cnr.it; Martina Salvadori Istituto nazionale di ottica, martina.salvadori@ino.cnr.it