Nytt sätt att tämja joner kan förbättra framtidens sjukvård

En forskargrupp på Chalmers har upptäckt ett helt nytt sätt att använda laser för att accelerera joner. På sikt skulle den nya kunskapen kunna leda till att avancerad cancerbehandling kan ges till betydligt fler än i dag. Resultaten publicerades nyligen i den högrankade tidskriften Physical Review Letters.

Avancerad jonteknik kan i vissa fall användas vid behandling av tumörer som inte kan opereras bort, till exempel hjärntumörer. Vid behandlingen slår en koncentrerad stråle av joner ut cancercellerna, utan att de friska cellerna i vävnaden skadas. Detta sker med hjälp av en så kallad cyklotron-accelerator.

I dag finns bara ett fåtal anläggningar runtom i världen som erbjuder den typen av jonbehandling.

– Det är väldigt få patienter som kan få den behandlingen i dag eftersom en sådan anläggning inte ens finns tillgänglig i alla europeiska länder. Med hjälp av vår metod för att kontrollera jonerna skulle förhoppningsvis samma teknik i framtiden kunna användas i utrustning som är kompakt, billig och lätt att använda, säger professor Mattias Marklund, chef för avdelningen för teoretisk fysik på Chalmers och en av de tre chalmersforskarna bakom upptäckten.

Tillsammans med Felix Mackenroth och Arkady Gonoskov lyckades han under bara några månader hitta nyckeln till det som kan bli ett paradigmskifte. Forskarnas arbete utgår från en partikelaccelerator där jonerna accelereras med hjälp av laser, till skillnad från konventionella acceleratorer där partiklarna accelereras med elektriska fält.

– Vi visste att en laserstråle kan fånga elektroner, men vi visste inte hur man kunde flytta dem så att de kunde dra med sig joner. Vi löste det genom att låta laserns våglängd variera systematiskt på ett sätt som gjorde att jonerna kunde accelereras. Detta ledde fram till den nya tekniken, säger Arkady Gonoskov, doktor i fysik.

Hittills har det bara funnits ett fåtal sätt att accelerera joner med hjälp av laser, och inget av dessa kunde styra jonerna på ett organiserat och effektivt sätt.

– Det var mer som att använda en slägga. Med vår metod kan vi fånga, stabilisera och organisera stora mängder joner med stor precision och utan att det går åt så mycket energi, säger Felix Mackenroth, doktor i fysik.

– Det här är ett litet steg på väg mot det slutliga målet att kunna behandla cancertumörer på ett sätt som ger mycket stor samhällsnytta. Men vi är fortfarande långt ifrån det slutliga målet, säger Felix Mackenroth.

Än så länge har metoden bara testats med hjälp av avancerade datorsimuleringar, men experiment planeras i samarbete med Lunds universitet. Forskningen sker inom ramen för Pliona-projektet som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Även Umeå universitet deltar i projektet.

Fakta: Partikelacceleration med hjälp av laser
Forskarna i Pliona-projektet använder en laser för att ge jonerna rätt energi, i stället för elektriska fält som används i konventionella partikelacceleratorer. De beskjuter en tunn folie med laser. När folien träffas av laserpulsen så joniseras dess atomer och materialet omvandlas till ett så kallat plasma, som består av laddade partiklar. En del elektroner lossnar och slungas iväg. Den elektriska spänning som uppstår mellan de bortslungade elektronerna och de positiva jonerna drar ut jonerna ur materialet och ger dem hög energi.

Fördjupning:

Läs den vetenskapliga artikeln Chirped-Standing-Wave Acceleration of Ions with Intense Lasers i tidskriften Physical Review Letters.

Se filmen Laser ska ge energirika joner för forskning och medicin om forskningen i Pliona-projektet och forskningsledaren Tünde Fülöp på Chalmers institution för fysik.

Läs mer om forskningsprojektet.

För mer information, kontakta:
Mattias Marklund, professor i teoretisk fysik, Chalmers, 031-772 39 39, mattias.marklund@chalmers.se