Projektanslag

Laser ska ge energirika joner för forskning och medicin

Cancerbehandling, materialanalys och energiforskning är några områden där man kan använda energirika joner. I dag måste jonerna accelereras i stora och dyra anläggningar, men svenska forskare försöker utveckla en mindre och billigare metod. Laser är en del av lösningen.

Om man bestrålar något med joner, har de en unik egenskap jämfört med exempelvis röntgenstrålning eller elektroner. De ger ifrån sig nästan all sin energi där de stannar, istället för gradvis, eller vid ytan där de tränger in. Det gör att man kan få en väldigt bra precision, exempelvis vid cancerbehandlingar. Djupt sittande tumörer kan bestrålas utan att vävnaden omkring skadas.

Tekniken används sedan flera decennier, men den har en nackdel: för att producera joner med tillräckligt hög energi krävs en mycket stor anläggning. En sådan byggs just nu i Uppsala, och det blir den första i Norden. Med starka elektriska fält ska man där accelerera vätejoner, det vill säga protoner, över långa sträckor tills de har den energi som passar för behandlingen. Det är dyrt, och dessutom måste patienterna behandlas vid någon av de få anläggningar som existerar i världen.

Stark laser förvandlar material till plasma

Men det finns ett annat sätt att producera energirika joner. För omkring femton år sedan upptäckte forskare att om man beskjuter ett tunt lager av något material, nästan vilket som helst, med laserpulser med hög effekt så joniseras materialets atomer; en del av deras elektroner lossnar och slungas iväg. Materialet omvandlas till ett plasma, ungefär som en gas bestående av laddade partiklar. Den elektriska spänning som uppstår mellan de bortslungade elektronerna och de positiva jonerna drar ut jonerna ur materialet och ger dem hög energi.

Den här processen ska forskare vid Chalmers tekniska högskola, Umeå universitet och Lunds universitet undersöka i detalj de närmaste åren.

– En plasmabaserad jonkälla skulle bli en kompakt anläggning där man bara behöver en bråkdels millimeter för varje meter som krävs i dag. Det skulle kunna bli mycket billigare. Det här har en enorm potential, men i dag får jonerna inte tillräckligt höga och specifika energier. Vi måste lära oss att kontrollera dem bättre.

Det säger Tünde Fülöp, professor i fysik vid Chalmers tekniska högskola. Med specifika energier menar hon helt enkelt att jonerna ska ha just de energier man önskar. I dag vet forskarna inte riktigt vad de ska få för resultat från gång till annan, och då blir jonerna inte så användbara.

Protoner viktiga för medicin, material och rymdteknik

Vid Lunds universitet finns den mest kraftfulla högeffektslasern i Norden, och det är där experimenten och mätningarna kommer göras. I Göteborg och Umeå utförs en stor del av de teoretiska analyserna, och nya experiment planeras.

– När vi förstår vad som händer kan vi konstruera nya experiment, där vi får högre energier och ett smalare energiområde. I dag är vi inte i närheten av de strålkvaliteter som man får i konventionella acceleratorer. Men det är en teknik som på sikt skulle kunna revolutionera området, säger Tünde Fülöp.

Projektet har som mål att utforma bättre experiment och teoretiska modeller för att öka effektiviteten och strålkvaliteten i plasmabaserade jonkällor. På så vis kommer man närmare en praktisk användning inom medicin, teknik och naturvetenskap. Protoner kan exempelvis användas för att genomlysa och undersöka olika material, för att bearbeta kärnavfall så att det blir mindre långlivat och för att utveckla nya energikällor. 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.

Okända processer utforskas

Forskarna i det nya projektet kommer att experimentera med effekten på lasern, antalet laserstrålar och vilket material som beskjuts. Men de kommer också studera fysikaliska processer som inte har något med själva jonbildningen att göra. Bland annat kan det ske fusionsreaktioner, där atomkärnor smälter samman så att nya ämnen bildas.

– Det är väldigt snabba processer och man måste vara kreativ i sina mätmetoder för att se vad som händer. Det går oftast inte att mäta direkt i materialet utan man ser på vad som kommer ut och räknar på vad som kan ha hänt, säger Tünde Fülöp.

Intresset för de här processerna är stort och Tünde Fülöp räknar med att de svenska forskarna kommer att samarbeta med kollegor på andra håll i världen, bland annat i Oxford. Hon skrattar lite när hon medger att om administratörerna på Chalmers fått bestämma hade projektet satt upp konkreta siffermål, exempelvis hur mycket högre effektivitet de ska uppnå vid jonproduktionen. Men forskarna i projektet höll emot.

– Det är förstås för att vi ser hur svårt det är att åstadkomma. Men att det är svårt betyder inte att vi inte kommer att lyckas!

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström