Forskare från Sveriges Chalmers tekniska högskola och Göteborgs universitet presenterar en ny metod som kan fördubbla energin hos en protonstråle som produceras av laserbaserade partikelacceleratorer. Genombrottet kan leda till mer kompakt, billigare utrustning som kan vara användbar för många applikationer, inklusive protonterapi.

Protonterapi innebär att en stråle av accelererade protoner avfyras mot cancertumörer, döda dem genom bestrålning. Men utrustningen som behövs är så stor och dyr att den bara finns på ett fåtal platser över hela världen.

Moderna kraftfulla lasrar erbjuder potential att minska utrustningens storlek och kostnad, eftersom de kan accelerera partiklar över en mycket kortare sträcka än traditionella acceleratorer – vilket minskar avståndet som krävs från kilometer till meter. Problemet är, trots ansträngningar från forskare runt om i världen, lasergenererade protonstrålar är för närvarande inte tillräckligt energiska. Men nu, de svenska forskarna presenterar en ny metod som ger en fördubbling av energin – ett stort steg framåt.

Standardmetoden innebär att en laserpuls avfyras mot en tunn metallfolie, med interaktionen som resulterar i en stråle av högt laddade protoner. Den nya metoden innebär istället att först dela upp lasern i två mindre intensiva pulser, innan du skjuter båda mot folien från två olika vinklar samtidigt. När de två pulserna kolliderar på folien, de resulterande elektromagnetiska fälten värmer folien extremt effektivt. Tekniken resulterar i protoner med högre energi samtidigt som man använder samma initiala laserenergi som standardmetoden.

"Detta har fungerat ännu bättre än vi vågat hoppas. Syftet är att nå de energinivåer som faktiskt används i protonterapi idag. I framtiden kanske det då är möjligt att bygga mer kompakt utrustning, bara en tiondel av den nuvarande storleken, så att ett vanligt sjukhus skulle kunna erbjuda sina patienter protonterapi, säger Julien Ferri, forskare vid institutionen för fysik på Chalmers, och en av forskarna bakom upptäckten.

Den unika fördelen med protonterapi är dess precision när det gäller att rikta in sig på cancerceller, döda dem utan att skada friska celler eller organ i närheten. Metoden är därför avgörande för att behandla djupt sittande tumörer, lokaliserad i hjärnan eller ryggraden, till exempel. Ju högre energi protonstrålen har, ju längre in i kroppen kan den tränga in för att bekämpa cancerceller.

Även om forskarnas prestation med att fördubbla energin i protonstrålarna representerar ett stort genombrott, slutmålet är fortfarande långt borta.

"Vi behöver uppnå upp till 10 gånger de nuvarande energinivåerna för att verkligen rikta oss djupare in i kroppen. En av mina ambitioner är att hjälpa fler människor att få tillgång till protonterapi. Kanske ligger det 30 år i framtiden, men varje steg framåt är viktigt, säger Tünde Fülöp, Professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Accelererade protoner är inte bara intressanta för cancerbehandling. De kan användas för att undersöka och analysera olika material, och att göra radioaktivt material mindre skadligt. De är också viktiga för rymdindustrin. Energetiska protoner utgör en stor del av kosmisk strålning, som skadar satelliter och annan rymdutrustning. Att producera energiska protoner i labbet gör det möjligt för forskare att studera hur sådan skada uppstår, och att utveckla nya material som bättre tål rymdresornas påfrestningar.

Tillsammans med forskarkollegan Evangelos Siminos vid Göteborgs universitet, Chalmersforskarna Julian Ferri och Tünde Fülöp använde numeriska simuleringar för att visa metodens genomförbarhet. Deras nästa steg är att genomföra experiment i samarbete med Lunds universitet.

"Vi tittar nu på flera sätt att ytterligare öka energinivån i protonstrålarna. Föreställ dig att fokusera allt solljus som träffar jorden vid ett givet ögonblick på ett enda sandkorn - det skulle fortfarande vara mindre än laserstrålarnas intensitet som vi arbetar med. Utmaningen är att leverera ännu mer av laserenergin till protonerna." säger Tünde Fülöp.

De nya vetenskapliga resultaten har publicerats i tidskriften Kommunikationsfysik , del av Natur familj.