Forskare på Chalmers och Göteborgs universitet presenterar en ny metod som kan fördubbla energin hos protonstrålar som produceras av högeffektlasrar. Genombrottet kan på sikt leda till mer kompakta och prisvärda acceleratorer som kan komma till nytta inom flera områden, inte minst inom avancerad vård.

Så får en protonstråle fördubblad energi. Den nya metoden bygger på att en laserstråle delas och skickas mot en tunn folie från två olika vinklar – exakt samtidigt. (Illustratioon: Yen Strandqvist/Chalmers)

Protonstrålar kan användas till att behandla vissa typer av svåra tumörer genom att slå ut cancerceller med hjälp av så kallad protonterapi. Problemet är att dagens anläggningar är så stora och dyra att det bara finns ett fåtal i världen.
Moderna högeffektlasrar kan accelerera partiklar på betydligt kortare avstånd än vad traditionella acceleratorer klarar. Det krävs bara en bråkdels millimeter för varje meter som behövs idag. Men dagens laserbaserade acceleratorer klarar inte producera protonstrålar med så hög energi som krävs för protonterapi. Forskare runtom i världen har provat olika metoder för att få upp energin genom att experimentera med hur laserpulserna används. Göteborgsforskarnas nya metod som fördubblar energin är därför ett genombrott.
Tekniken bygger på att en laserstråle delas och skickas mot en tunn folie från två olika vinklar – exakt samtidigt. I krocken skapas ett mycket starkt elektromagnetiskt fält som ger extra energi till partiklarna – protonerna – när de skjuts iväg i form av en stråle. Trots att den laserstråle som delats har samma energi som i tidigare experiment, innebär krocken att energin hos protonerna fördubblas.
– Det här fungerade bättre än vi vågat hoppas, säger Julien Ferri, forskare på institutionen för fysik på Chalmers. Målet är att i framtiden kunna uppnå samma energinivåer som i dagens anläggningar för protonterapi. Metoden skulle då göra det möjligt att bygga kompakt utrustning som bara kräver en tiondel så mycket yta. Det betyder att ett vanligt sjukhus skulle kunna erbjuda sina patienter protonterapi.
Än så länge ges behandlingen bara på en plats i Sverige – i Uppsala. Det som är unikt med protonterapi är att det går att skjuta prick på cancerceller och slå ut dem, utan att skada de friska celler som finns i vävnaden eller organen intill. Därför är metoden avgörande för att kunna behandla djupt sittande tumörer i till exempel hjärna eller ryggrad. Ju högre energi en protonstråle har, desto längre ner under huden kan den bekämpa cancerceller.
Även om forskarna har gjort ett stort framsteg genom att lyckas fördubbla protonstrålens energi, så är slutmålet långt ifrån uppnått.
– Vi behöver komma upp i tio gånger så hög energi för att kunna nå ännu djupare in i kroppen, säger Tünde Fülöp, professor på institutionen för fysik på Chalmers. En av mina drivkrafter är att kunna bidra till att fler ska kunna få protonterapi. Det kanske ligger 30 år fram i tiden, men varje steg framåt är viktigt.
De accelererade protonerna är inte bara intressanta när det gäller cancerbehandling. De kan också användas för att genomlysa och undersöka olika material och för att göra radioaktivt material mindre skadligt. Energirika protoner är också viktiga för rymdindustrin, eftersom de utgör en stor del av den kosmiska strålning som kan skada satelliter och annan utrustning i rymden. Med protoner i laboratorier kan man studera hur skadorna uppstår och utveckla nya material som tål påfrestningarna bättre.
Julien Ferri och Tünde Fülöp har tillsammans med forskarkollegan Evangelos Siminos på Göteborgs universitet tagit fram både simuleringar och teoretiska beräkningar som visar att metoden fungerar. Nästa steg är att göra experiment i samarbete med Lunds universitet.
– Nu tittar vi på fler sätt för att kunna öka energin i protonstrålarna, säger Tünde Fülöp. Vi arbetar med laserstrålar som har högre intensitet än om man skulle ta allt solljus som träffar jorden och rikta det mot änden av ett hårstrå, så det finns mycket att ta av. Utmaningen är att konvertera mer av den intensiteten till protonerna.
De nya vetenskapliga resultaten har publicerats i den ansedda Naturetidskriften Communications Physics.
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse inom ramen för projektet Plasma based compact ion sources.
Andra finansiärer är European Research Council och Vetenskapsrådet. Simuleringarna har gjorts på det nationella datacentrumet Chalmers Centre for Computational Science and Engineering (C3SE).

Filed under: SvenskTeknik