Mini-accelerator till nytta för medicin och astronomi

Wallenberg Academy Fellow Olle Lundh har utvecklat en teknik för att med högeffektlaser och gas skapa högenergipartiklar, i en anläggning som är så liten att den ryms i ett vanligt laboratorium. Nu testar han tekniken i alltifrån partikelacceleratorer till cancerbehandlingar och astrofysik.

Olle Lundh

Docent i fysik

Wallenberg Academy Fellow 2014

Lärosäte:
Lunds universitet

Forskningsområde:
Partikelacceleration med högeffektlaser

Partiklar med extremt hög energi används i bland annat materialstudier, för att bestråla cancertumörer och för att undersöka kemiska och fysikaliska processer på molekylnivå. Normalt behövs acceleratorer som kan vara flera kilometer långa för att ge partiklarna den energi som krävs, men med hjälp av högeffektlasern vid Lunds universitet har Olle Lundh skapat en anläggning som gör samma sak på bara några decimeter. 
Lasern bestrålar gaser som blir så energirika att atomerna delar upp sig i joner och fria elektroner, ett plasma av laddade partiklar. När laserpulsen rör sig genom gasen skjuter den undan elektronerna som sedan rör sig tillbaka som en svallvåg. Rörelsen ger extremt starka elektriska fält, så starka att accelerationssträckan kan krympas till en tiotusendel av det som behövs i acceleratoranläggningar som CERN och MAX IV.

Vill koppla tekniken till MAX IV

Nu arbetar Olle Lundh tillsammans med MAX IV för att hitta ett sätt att koppla ihop plasmatekniken med ett av deras strålrör, och på bara en halvmeter fördubbla energin hos de partiklar som kommer ur den 300 meter långa acceleratorn.

– Förhoppningsvis kan det bli en experimentstation som visar på möjligheterna i vår teknik att bli en del av framtida anläggningar. Det finns några liknande projekt knutna till bland annat CERN. Försöket skulle göra Sverige mer synligt på området, säger Olle Lundh.

I framtiden tror han att det kommer anläggningar som bygger helt på plasmatekniken, men det kan ta några decennier. Själv är han mer intresserad av vad som kan hända på kortare sikt. 

I ett projekt använder han de nya metoderna för att utveckla nya cancerbehandlingar. Tumörer bestrålas oftast med röntgen, men på senare år har protonstrålning visat sig vara ett lovande alternativ. Protonerna ger en mer exakt och riktad stråldos, men de kräver stora anläggningar. I Sverige finns bara en enda, vilket begränsar hur många patienter som kan få behandlingen. Olle Lundh och hans kollegor vill nu undersöka om deras högenergielektroner kan ha liknande effekt som protonerna.

 – Vi testar hur vi kan träffa ett mycket specifikt område genom att rikta elektronerna från olika håll och det verkar helt klart finnas potential. Med en plasmaaccelerator skulle anläggningen kunna anpassas till vanliga sjukhusmiljöer istället för att kräva ett stort laboratorium, som protonstrålningen gör.

Kanal av ljud kan fokusera lasern

Vid accelerationen i plasmat produceras också röntgenstrålning, som används i andra projekt. Olle Lundh samarbetar med experter i förbränningsfysik för att studera vad som sker när större droppar i sprayer snabbt bryts upp i mindre. Den processen är viktig att förstå för att optimera förbränningsprocesser, där bränslet sprutas ut. I en annan studie arbetar han med internationella experter inom astrofysik för att se hur material beter sig under extremt högt tryck och temperatur, som i vår planets kärna.

”Som Wallenberg Academy Fellow har jag frihet att utveckla mina idéer. Jag kan gå på djupet med forskningsfrågor som tar lång tid att lösa.” 

Samtidigt fortsätter utvecklingen av acceleratortekniken. Bland annat vill Olle Lundh skapa ett slags vågledare, en kanal för att fokusera laserstrålen. Efter en kort sträcka börjar den nämligen sprida sig, som ljus gör, och intensiteten minskar. 

– Att leda ljuset i en optisk fiber går inte, den skulle bara gå sönder. Vi behöver hitta ett sätt som fungerar vid så hög intensitet. Nu provar vi att skapa en kanal i plasmat med ultraljud.

Med en cylinderformad högtalare runtom plasmat kan det bli möjligt att skapa variationer i densiteten, och forma en kanal precis i mitten där laserstrålen finns.

Olle Lundh ville bli forskare redan på mellanstadiet. Han lånade böcker för mycket högre klasser och senare för universitetskurser – fastän han inte förstod så mycket av dem. Först ville han bli astrofysiker, sedan genetiker och därefter blev han intresserad av programmering. I dag är han väldigt nöjd med det forskningsfält han valt.

– Som forskare i plasmaacceleration har man potential att göra avtryck bortom grundforskningen. Andra forskare kan få nytta av den här tekniken, men det går också att bygga maskiner och metoder som gör att mina resultat kommer ut i samhället och kommer människor till godo, helt enkelt. Det är en viktig drivkraft för mig.

I dag har han kommit så långt i sin karriär att en stor del av forskningen i praktiken bedrivs av de doktorander han handleder. Det tog ett tag att vänja sig vid, men nu tycker han om det och ser att det är genom att skapa en bra miljö för dem och lära dem om fällorna och möjligheterna i arbetet, som han driver själva forskningen framåt.

– Det behöver finnas en balans mellan att jag instruerar dem och att jag ger dem frihet, både friheten att göra saker som jag själv inte ens tänkt på, och friheten att misslyckas. Det är då de kan blir kreativa som forskare.

Text Lisa Kirsebom
Bild Åsa Wallin