– Acceleratorbaserade röntgenkällor kan användas för att studera nya material, kemiska reaktioner och proteiner med extrem precision och detaljrikedom ända ner på subatomär nivå, säger docent Olle Lundh och doktor Jonas Björklund Svensson som är huvudförfattare till artikeln.
Partikelacceleratorer är alltså mycket kraftfulla verktyg för medicin, vetenskap och industri. De används för många olika ändamål, från strålterapi (för att bota cancer) till partikelfysik (för att utforska den subatomära världen). Ett välkänt exempel är den 27 kilometer långa LHC-acceleratorn vid CERN, som användes för upptäckten av Higgspartikeln. En mer närliggande är synkrotronljuskällan MAX IV i Lund, där högenergetiska elektroner används för att generera intensiv röntgenstrålning.
Sträckan minskas mer än 1000 gånger
Material och olika reaktioner kan studeras genom att man bestrålar dem med partiklar med hög energi. Partiklarna får sin energi genom att accelereras i elektriska fält. Ju mindre saker man ska studera, desto högre energi behöver partiklarna ha, och då krävs längre accelerationssträckor. Därför byggs acceleratorerna större och större.
Men på Högeffektslaserlaboratoriet i Lund arbetar Olle Lundh, docent i fysik, och hans kollegor med att utveckla en ny accelerationsmetod som utnyttjar plasma, och jämfört med traditionella acceleratorer kan man uppnå mer än 1000 gånger högre partikelenergier för en given accelerationssträcka. Sträckan kan därmed minskas mer än 1000 gånger.
– Vi genererar laserpulser med upp till 40 terawatt i toppeffekt. Det är en högre effekt än jordens samlade elproduktion, men det är möjligt eftersom pulsens varaktighet är mycket, mycket kort, säger Olle Lundh och berättar att lasern är baserad på en teknik som vann nobelpriset 2018. Genom att fokusera laserpulserna i heliumgas kan man få elektroner att ”surfa” på en mikroskopisk men kraftfull plasmavåg.
– Med den nya tekniken kan vi få intensiva och fokuserade röntgenstrålar genom att skicka elektronerna genom en lins av plasma. Denna typ av lins är otroligt starkt fokuserande för elektronstrålarna, vilket får dem att sända ut röntgenstrålning i en snäv kon. Målet är nu att använda den här tekniken för att studera till exempel materia vid extrema temperaturer och tryck som påminner om astronomiska förlopp, så som i kärnan av en planet, berättar Jonas Björklund Svensson.
Framtida behandling mot cancer
Olle Lundh är noga med att påpeka att MAX IV och liknande anläggningar är väldigt bra och att lasertekniken inte kan ersätta de anläggningarna.
– Men det är ett komplement som kan användas av mindre forskargrupper eller inom sjukhus.
För förutom att genera röntgenstrålar kan tekniken användas till att generera energirika partikelstrålar som skulle kunna användas för behandling av cancer genom att bekämpa djupt liggande tumörer på ett mer effektivt sätt än dagens strålmetoder med röntgen. Eftersom de laserbaserade acceleratorerna kan göras små skulle de kunna få plats på ett sjukhus.
Om plasma
Plasma är en het gas där elektronerna rör sig fritt från atomkärnorna. Gasen består av partiklar som står i kollektiv växelverkan med varandra genom krafter av lång räckvidd. Karakteristiskt för ett plasma är vågfenomen av olika slag. Plasmor möjliggör mycket mindre, men väldigt kraftfulla acceleratorer. För att skapa starka fält i plasma kan man använda moderna lasrar. Genom att bestråla gaser med laser kan en mycket stor mängd energi föras in i gasen på kort tid. Då delas gasatomerna upp i joner och fria elektroner. Mellan jonerna och elektronerna blir den elektriska kraften så stark att den skjuter iväg elektronerna. Då utvecklas även röntgenstrålning.
Cirka 99 % av den kända materien i universum består av plasma i form av joniserad gas.
Om artikeln
Artikeln består av forskning utförd vid LTH i samarbete med Umeå universitet och Göteborgs universitet. Författare är Jonas Björklund Svensson, Diego Guénot, Julien Ferri, Henrik Ekerfelt, Isabel Gallardo González, Anders Persson, Kristoffer Svendsen, László Veisz och Olle Lundh.
Läs artikeln “Low-divergence femtosecond X-ray pulses from a passive plasma lens” i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics