Acceleratorer – fysikkens store maskiner
Vor viden om naturen omkring os på det mikroskopiske og atomare plan skylder vi for en stor dels vedkommende opfindelsen og anvendelsen af acceleratorer. Disse enorme atomknusere har været en teknologisk kraftanstrengelse, der både har ledt til et omfattende internationalt samarbejde og til et meget væsentligt teknologisk spin-off.

Et forholdsvis velkendt eksempel på en accelerator er den såkaldte strålekanon brugt til cancerbehandling. I disse maskiner accelereres elektroner til spændinger på 20 millioner volt, hvorved et præcist bundt af hård røntgenstråling kan dannes og ødelægge kræftcellerne. Til venstre vises selve kanonen roteret til tre positioner, hvorimod billedet til højre viser detaljer fra selve acceleratoren.
(Foto: Varian Medical Systems, Inc.)

Acceleration betyder hastighedsforøgelse. Når vi træder hårdt på speederen i vores 
bil, og bilen skyder fremad, mens vi presses tilbage i sædet, får vi en meget håndgribelig oplevelse af, at kraft og acceleration hører sammen.

Det var den engelske fysiker Isaac Newton (1643-1727), der i sin anden lov formulerede, at hvis der virker en kraft på et frit objekt, så leder dette til acceleration.

Jo større kraft, jo større acceleration – og jo tungere objekt, jo mindre acceleration.

Når vi i fysikkens verden taler om acceleratorer, tænker vi dog ikke på biler og andre store objekter, hvis hastighed øges. Med acceleratorer mener vi nemlig partikelacceleratorer, som ved hjælp af elektriske felter accelererer partikler på atomskalaen op til enorme hastigheder ofte tæt på lysets (300.000 km pr. sekund).

Elektronen har en elementarladning

Faktisk kender vi alle eksempler på sådanne acceleratorer fra hverdagen. I de gammeldags fjernsyn med billedrør accelereres elektroner fra en elektronkanon ved hjælp af spændinger på op til 10.000 volt mod forsiden af fjernsynets skærm, og der dannes derved lys.

Et andet eksempel er de såkaldte strålekanoner, som vi kender fra hospitalernes kræftafdelinger, og som jeg vender tilbage til senere.

I en accelerator udnytter man, at en atomar partikel med elektrisk ladning – dvs. atomkerner eller elektroner – kan accelereres ved hjælp af en elektrisk kraft, den såkaldte Lorentz-kraft opkaldt efter den hollandske fysiker Hendrik Lorentz (1853-1928).

Denne elektriske kraft tilvejebringes af det elektriske felt mellem to ladede metalelektroder.

Eksempelvis er der mellem de to poler på det batteri, du putter i lommelygten, en spændingsforskel på cirka 1 volt. Det betyder, at en negativt ladet elektron vil kunne accelereres fra den negative elektrode til den positive.

Den ladning, elektronen har, kaldes 'elementarladningen', og når en elektron accelereres over en spændingsforskel på 1 volt forøges elektronens energi med en mængde, som vi kalder en elektronvolt.

Den første accelerator

Det var den engelske fysiker Ernest Rutherford (1871-1939), der først anvendte acceleratorer til at studere atomer og deres struktur.

Forinden havde Rutherford eksperimenteret med at bruge alfa-partikler (dvs. kerner af helium-atomer) fra naturligt forekommende radioaktive materialer.

Han bombarderede et tyndt folie af guld med alfa-partikler og så til sin store overraskelse, at selvom langt de fleste partikler passerede stort set uhindret igennem foliet, var der enkelte, der tydeligvis ramte 'noget' og derfor blev kastet tilbage.

Rutherford tolkede, ganske korrekt, at atomerne derfor måtte bestå af en lille tung kerne med lette elektroner omkring.

Det var nødvendigt at opnå høje elektriske spændinger

Rutherfords eksperimenter med alfapartikler havde den begrænsning, at det var svært at få alfa-partikler nok, og han kunne heller ikke ændre på deres energi. Han satte sig derfor for at bygge en accelerator, hvor man kunstigt kunne accelerere partiklerne.

Til det formål var det nødvendigt at kunne opnå meget høje elektriske spændinger, så i stedet for at bruge mange batterier var ideen at bygge højspændingsgeneratorer. Det var Rutherfords medarbejdere Cockcroft og Walton, der først byggede brugbare højspændingsgeneratorer.

Ved at anvende elektroniske dioder og kondensatorer kunne de opnå spændinger på flere hundrede tusinde volt, svarende til energien af radioaktive partikler fra atomare henfald.

Verdens første accelerator var født, og Rutherford anvendte disse elektrostatiske acceleratorer til detaljerede undersøgelser af atomernes struktur, og ved hjælp af acceleratorer opdagede han senere atomkerners deling i en såkaldt kernereaktion.

Mod højere og højere energier

Med Rutherford og medarbejderes opfindelse af den første accelerator gik starten til den udvikling, som har ført til stadig større og kraftigere acceleratorer og derved højere og højere partikelenergier.

Generelt kan man nemlig sige, at jo mindre detaljer, man ønsker at undersøge inden for partikelfysikken, jo større energier er nødvendige.

Fakta

Denne artikel stammer fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her.

For at studere de elementære partikler, som vi består af, og i særdeleshed de partikler, som atomkernerne selv består af (kaldet protoner og neutroner), kræves meget høje energier.

Man kan således kun studere disse i fri tilstand ved at lade dem kollidere ved høj energi med andre partikler, og det endda kun i det meget korte tidsrum selve kollisionen varer.

Man kan ikke opnå vilkårligt høje spændninger

Som bekendt opdagede Einstein (1879-1955) med sin relativitetsteori, at lysets hastighed, c, på cirka 300.000 km/s udgør en øvre maksimal hastighed, som ikke kan overskrides. Det betyder, at når man accelererer partikler i en accelerator, bliver det sværere og sværere at øge partiklernes hastighed, efterhånden som man nærmer sig lysets hastighed.

Men derfor kan energien dog fortsat godt øges, og energien i partikelkollisioner kan omdannes til nye partikler. Dette er direkte beskrevet i Einsteins mest berømte formel, E=mc2, der populært sagt siger, at masse m og energi E er to sider af samme sag.

De elektrostatiske acceleratorer 'opfundet' af Rutherford og medarbejdere stødte dog hurtigt mod en anden øvre grænse, idet man ikke kan opnå vilkårligt høje spændinger. Problemet er, at der ved spændinger omkring 1 million volt opstår gnister, og herved falder spændingen jo.

Selv ved brug af specielle gnisthæmmende gasser ved høje tryk kan grænsen for den maksimale spænding 'kun' øges op til nogle gange 10 millioner volt.

Lineære og cirkulære acceleratorer

Det var nordmanden Rolf Widerøe (1902-1996), der først fik en god ide til at omgå
de begrænsende maksimale spændinger og dermed energier, man kunne opnå med acceleratorer af 'Rutherford-typen'.

Han opfandt den lineære vekselspændingsaccelerator, der består af metalrør, hvorigennem man sender de ønskede ladede partikler. Når en partikel bevæger sig fra et rør til det næste, vil den kunne accelereres af en spænding mellem de to rør.

Tager vi som eksempel protoner, der er positivt ladede, skal det første rør have en positiv spænding, hvorimod det næste rør skal have en negativ spænding, for at accelerationen lykkes.

Når protonerne så er inde i det andet rør, vender man spændingen, og protonerne vil nu accelereres fra det andet rør over imod et tredje. Og sådan kan man fortsætte. Man forbinder så de ulige rør til den ene pol af en vekselspændingsgenerator, og de lige rør til den anden pol.

For at regnestykket kan gå op, skal rørene naturligvis have en bestemt længde og desuden gøres længere og længere, idet partiklernes hastighed jo øges. Dette kan så fortsætte, indtil partiklernes hastighed ikke kan blive højere (dvs. når de har opnået hastigheder nær lysets).

Det smarte ved denne type accelerator er, at vi nu kan opnå lige så store energier, som vi har råd til. Der er ingen principielle begrænsninger.

Elektromagneterne anvendt i cyklotroner kan veje flere hundrede tons

Den lineære accelerator, der har opnået den største energi, er den gamle 'two-mile' accelerator ved Stanford University i Californien fra 1967. Her accelererede man elektroner og positroner op til energier svarende til 50 milliarder volt.

En lige så god ide til at omgå gnistproblemet var opfindelsen af den såkaldte cyklotron af Ernest Lawrence (1901-1958) i 1929 i USA. En cyklotron er en cirkulær accelerator, hvor partikler accelereres fra centeret og udad i en spiralformet bane.

I en cyklotron udnytter man, at en ladet partikel, der bevæger sig på tværs af et konstant magnetfelt, vil afbøjes i en cirkelbane.

Elektromagneterne anvendt i cyklotroner kan veje mange hundrede tons. Inde i selve magneten er der placeret to elektroder, der hver er formet som en halv, flad kagedåse med lidt afstand imellem.

Accelerationen sker i gabet mellem disse to elektroder, der er forbundet til hhv. positiv og negativ spænding.

Når partiklerne bevæger sig inde i elektroderne, ændres fortegnet på deres spænding, og partiklerne accelereres nu igen mellem de to halve kagedåser. Dette er meget lig den lineære accelerator beskrevet ovenfor, blot genbruges det accelererende felt af de samme to elektroder mange gange. Magnetfeltet bruges til at holde partiklerne langs halve cirkelbaner, med større og større radius, da energien jo øges.

Partiklernes omløbstid er ens for alle omgange

Lawrences fortjeneste, som han fik Nobelprisen for i 1939, var, at han viste, at forøgelsen i hastighed af partiklerne nøjagtigt opvejes af den forøgede banelængde; partiklernes omløbstid er altså ens for alle omgange.

Gennem tiden er der bygget større og større cyklotroner for at opnå større og større energier.

Fysikeren Ernest Rutherford opdagede atomets struktur omkring 1910 ved at sprede alfa-partikler (helium-kerner) på guldatomer i form at et tyndt folie. Om end de fleste partikler stort set passerede lige gennem foliet var der også nogle, der spredtes med meget store vinkler (på atomkerner). Dette tolkede Rutherford således, at atomet måtte være opbygget af en lille tung kerne med lette elektroner omkring. (Illustration: Troels Marstrand)

Princippet i en cyklotron bryder dog sammen ved meget store hastigheder og energier, igen på grund af de begrænsninger, der er beskrevet ved Einsteins relativitetsteori.

Partiklerne støder så at sige imod lysets hastighed, og protoner kan kun accelereres til energier på et par 100 millioner elektronvolt.

Både for den lineære accelerator og for cyklotronen er det kun de partikler, der ankommer i accelerationsgabet på det rette tidspunkt, der accelereres. Acceleratoren leverer altså bundter af partikler, og partikler, der måtte ankomme før eller senere end dette bundt, vil ikke få den rette energi og gå tabt.

Accelererede atomare partikler vil ved passage gennem materiale nedbremses og gå i stykker. Derfor accelereres alle partiklerne i et metalkammer, der er pumpet ned til et meget lavt tryk; et vakuum. De nødvendige tryk er meget lave, svarende til tætheden af luftatomer i verdensrummet.

 

Synkrotroner og kollisionsacceleratorer

Cyklotroner er som omtalt ovenfor begrænset i energi af den endelige lyshastighed, og derudover bliver de let meget store og tunge.

Et nyt gennembrud kom med den såkaldte synkrotron, som består af en række af separate afbøjningsmagneter placeret langs en lukket, mere eller mindre cirkelformet bane.

Partiklerne fastholdes langs denne kurve af magnetfeltet, der er justeret til partiklernes energi. Accelerationen foretages ligesom i den lineære accelerator og i cyklotronen af et accelerationsgab.

Igen skal bundterne af partikler for hvert omløb ankomme i accelerationsgabet til det rette tidspunkt, for at accelerationen fungerer. Altså skal partikelbundterne og det accelererende felt være synkrone, deraf navnet synkrotron.

Ved at bruge dette princip får man nu igen en accelerator, hvor kun pris og ikke tekniske hindringer begrænser den maksimale energi.

 

Grunden blev lagt til fysikkes største maskine

Synkrotronen blev opfundet omkring 1945, men det tog dog 10-15 år, før ideen og potentialet realiseredes for alvor. Det viste sig, at det var meget fordelagtigt ud over afbøjningsmagneter også at anvende specielle fokuserende magneter, såkaldte kvadrupoler, i disse synkrotroner.

Det resulterede nemlig i en meget lille partikelstråle, og derfor kunne man bruge væsentligt mindre magneter.

Det fortælles, at en af de største acceleratorer, der blev bygget uden kvadrupoler, havde et vakuumkammer stort nok til, at en engelsk jeep kunne køre rundt inde i den, dog med forruden slået ned. Ved brug af kvadrupoler kunne man nøjes med vakuumrør på få centimeter!

Grunden var nu lagt til fysikkens allerstørste maskiner, og den største synkrotron, der er blevet konstrueret, er den såkaldte LHC (Large Hadron Collider) ved det fælleseuropæiske partikelfysik-laboratorium CERN ved Geneve.

Den er bygget i en tunnel på 27 kilometer i omkreds, 50-100 meter under jordens overflade.

I LHC kan protoner accelereres til en energi på cirka 7.000 milliarder elektronvolt. For at opnå så store energier har man været nødt til at designe superledende elektromagneter med magnetfelter helt op til 7 tesla, hvilket er et magnetfelt 4 gange kraftigere end i almindelige elektromagneter.

 

Fysikernes verdensbillede i dag

Mange af de kendte elementarpartikler og deres egenskaber er fundet ved hjælp af synkrotroner. Man accelererer og smadrer kendte stabile partikler som protoner ind i andre partikler, enten i form af et fast materiale eller som en modsatrettet partikelstråle fra en anden synkrotron.

Ved at bruge to modsatrettede partikelstråler opnår man
en meget højere kollisionsenergi. Man registrerer de udsendte kaskader af partikler fra kollisionerne, og ved at regne tilbage til selve kollisionen er der mulighed for at opdage nye fænomener, partikler og deres egenskaber.

Vi har således i mere end 50 år vidst, at naturen omkring os på det atomare niveau er opbygget af protoner, neutroner og elektroner. At protonerne og neutronerne ikke var elementære opdagede man ved hjælp af acceleratorer i 1960’erne.

Det viste sig, at begge bestod af mindre partikler. Disse endnu mindre partikler kaldes kvarker.

 

Man har opdaget to partkler mere

Desuden opdagede man i 1950’erne neutrinoen, en partikel, hvis eksistens var forudsagt allerede i 1930’erne, men som er ekstremt svær at påvise, da den stort set ikke vekselvirker med noget som helst og derfor blot 'flyver' lige igennem alting.

Principtegning af en synkrotron-accelerator, hvor partikelstrålerne kan bringes til at kollidere. De røde magneter holder partiklerne langs en lukket bane, de blå magneter fokuserer partikelstrålen og accelerationen foregår vha. de sorte accelerationselementer. Når to modsatrettede partikelstråler med meget høj energi bringes til kollision i acceleratoren opstår 'nye' partikler, som kan studeres. (Illustration: Troels Marstrand)

Hele den forunderlige verden, vi kender, består altså kun af elementære partikler, nemlig to kvarker og elektronen. Desuden findes altså også neutrinoen.

Man kalder disse fire partikler tilsammen for en 'familie', og senere har det vist sig, at hver af disse fire partikler også har en søster, en såkaldt antipartikel.

Yderligere har man senere opdaget to familier mere i partikelkollisioner. Partiklerne i disse to sidste familier er dog ikke stabile, men henfalder meget hurtigt til partikler fra den første basale familie.

 

Standardmodellen mangler en forklaring

I naturen har man fundet fire kræfter, 
der virker mellem partiklerne:

 

  1. Den elektromagnetiske kraft, som vi jo bruger blandt andet i acceleratorer.
     
  2. Den svage kernekraft, som kendes fra radioaktive henfald.
     
  3. Den stærke kernekraft, der binder protoner og neutroner sammen i atomkerner.
     
  4. Tyngdekraften, som jo blandt andet holder os fast til jorden.

Dette er fysikerens verdensbillede af i dag, den såkaldte standardmodel, som er bygget på resultater opnået ved hjælp af de store acceleratorer.

Standardmodellen har haft enorm succes med at beskrive naturen omkring os på det fundamentale plan. Modellen har dog visse mangler, for eksempel har man ikke indtil nu haft en god forklaring på, hvorfor partikler, og dermed også os mennesker, har masse.

 

Det er kun en brøkdel, vi har 'set og forstået'

En model, som har været på banen i 40 år, forklarer, at en særlig partikel – Higgs-partiklen – giver alle andre partikler masse. I juni 2012 fandt man så, som forudsagt, denne Higgspartikel i højenergikollisioner ved LHCacceleratoren på CERN.

Et uløst problem med standardmodellen er, at man fra observationer af universet har erkendt, at den synlige masse, vi ser omkring os i stjerner og galakser, kun indeholder måske 5 procent af hele universet. Resten, de 95 procent, ved vi ikke, hvad er, og derfor kaldes det mørkt stof og mørk energi.

Det forventes, at LHC og andre kommende acceleratorer kan give os et tip om, hvad dette mørke stof og den mørke energi er. Men det er en fascinerende tanke, at selvom vi i meget stor detalje kender og forstår vores daglige 'synlige' verden, så er det faktisk kun en lille brøkdel, vi har 'set og forstået'.

 

Medicinske acceleratorer

Acceleratorer har fra starten været fysikernes værktøj, men forholdsvis hurtigt opdagede man acceleratorers anvendelighed i industri og medicin.

I dag er acceleratorer inden for naturvidenskabelig forskning, heriblandt fysik, faktisk kommet i mindretal, og man anslår, at der i dag findes flere end 20.000 acceleratorer.

I industrien anvender man acceleratorer til for eksempel sterilisation af medicinsk udstyr og til hærdning af værktøj og andre materialemodifikationer med stråling.

Man bruger også acceleratorer til at implantere ioner i halvlederkomponenter som transistorer.

Inden for sundhedsvidenskab anvender man for eksempel acceleratorer i forbindelse med PET-scanning (Positron Emissions Tomografi), hvor radioaktive isotoper fabrikeret af acceleratorer bruges i forbindelse med diagnosticering af sygdomme.

 

Strålebehandling kan bruges til kræftbehandling

Den væsentligste anvendelse er dog inden for kræftbehandling. Allerede kort efter Wilhelm Röntgens (18451923) opdagelse af røntgenstråler i 1895, startede anvendelsen inden for kræftbehandling, og i dag involverer omkring halvdelen af al kræftbehandling stråleterapi.

Kræft er som bekendt uhæmmet vækst af nogle af kroppens celler. I de tilfælde, hvor en kræftknude (tumor) ikke har spredt sig, men sidder tilgængeligt og ikke har infiltreret kritisk væv, er den bedste behandling at fjerne kræften kirurgisk.

Men i de tilfælde, hvor tumoren ikke umiddelbart er tilgængelig, for eksempel hvis den sidder i hjerne eller rygmarv, kan man med fordel bruge strålebehandling, selv når tumoren er tæt på kritiske organer og væv.

Ved selve behandlingen bestråles kræftcellerne, hvorved deres DNA ødelægges, og efterfølgende går kræftcellerne til grunde.

Ved gentagne behandlinger sikrer man, at alle kræftceller dør. Når man bestråler kræftceller, kan det ikke undgås, at også raskt væv bliver bestrålet, og dette kan give ubehagelige og endda varige bivirkninger for patienten.

Dog er kræftceller normalt nemmere at slå ihjel end normale celler, og derudover sker der en vis heling af de raske celler.

Oversigt over partikler, der indgår i standardmodellen. Stoffet er inddelt i tre familier og desuden indgår såkaldte kræftbærere, der formidler naturkræfterne. Higgs-partiklen er en nødvendig ingrediens for at give partiklerne masse. Alle partikler har desuden en såkaldt antipartikel. (Illustration: Aktuel Naturvidenskab)

Derfor opdeler man strålebehandling i typisk 20-50 behandlinger med en dag imellem, hvorved man dels sikrer, at alle kræftceller dør, og dels giver man det raske væv mulighed for at hele efter bestrålingen.

 

Røntgenstråling spredes ikke væsentligt gennem vævet

Stråling anvendt i stråleterapi er i dag ofte hård røntgenstråling, mere præcist gammastråling. En lineær accelerator producerer elektroner med en energi op til 20 millioner elektronvolt, der efterfølgende nedbremses i en plade af et tungt grundstof som wolfram.

Under denne nedbremsning udsendes der hård røntgenstråling, som anvendes til strålebehandlingen. Ved hjælp af diverse filtre og blænder laves et parallelt strålebundt, der er optimeret til tumorens udstrækning, samtidig med at man minimerer strålingen på det omkringliggende væv. 

Røntgenstråling spredes ikke væsentligt på sin vej gennem vævet, og man kan derfor generere et veldefineret strålebundt i tumoren.

Normalt er den lineære accelerator ophængt i et drejeligt stativ, en såkaldt gantry, således at acceleratoren og dermed strålingen kan ramme patienten fra en hvilken som helst retning og derved minimere dosis til omkringliggende raskt, kritisk væv.

Men selv når denne optimering er foretaget, vil en ikke uvæsentlig dosis afsættes i det omkringliggende væv.

Specielt for en tumor inde i kroppen vil der typisk afsættes en større dosis foran end i selve tumoren og også en væsentlig dosis bag tumor, idet den højenergetiske stråling forholdsvis let trænger igennem hele kroppen.

Der er derfor en ikke uvæsentlig risiko for skader på patienten både på kort og på langt sigt. Der kan for eksempel med tiden opstå en ny, sekundær cancer pga. strålingen. Af den grund har der siden stråleterapiens begyndelse været en konstant jagt på at forbedre stråleterapien.

 

Partikelterapi rammer meget specifikt

En potentielt bedre terapi blev foreslået kort efter anden verdenskrig, idet den amerikanske fysiker Robert Wilson (1914-2000) indså, at stråler af atomkerner kunne være fordelagtige til stråleterapi.

Hvor elektroner, der skydes ind i vævet, afbøjes meget på atomerne i kroppen, så vil atomkerner stort set gå ligeud.

Yderligere vil kerner have en veldefineret rækkevidde, og de vil hovedsageligt afsætte deres energi hen imod enden af deres rækkevidde.

På deres vej ind i kroppen afsættes kun en reduceret dosis, og bagved tumoren afsættes der stort set ingen dosis. Det betyder, at man vælger energien af partiklerne således, at partiklernes rækkevidde svarer til den dybde i kroppen, hvor tumoren findes.

Man tilpasser altså energien af partikelstrålen således, at den svarer til udstrækningen af tumoren i dybden. Vha. afbøjningsmagneter dirigeres partikelstrålen, så man bestråler hele tværsnittet af tumoren.

Alt i alt kan man sige, at sammenlignet med almindelig stråleterapi kan partikelterapi yderligere optimere den dosis, der afsættes i tumor, samtidig med at dosis i det omkringliggende væv reduceres.

 

Acceleratorne er forholdsvis store

Der skulle dog gå mange år fra Wilsons forslag om partikelterapi, før man faktisk begyndte at bruge denne behandlingsform. Man brugte i begyndelsen acceleratorer, der oprindelig var bygget til forskningsformål, men i dag er der flere leverandører af partikelacceleratorer, der er specielt bygget til cancerterapi.

En partikelaccelerator til stråleterapi skal altså kunne levere tilstrækkeligt energirige partikler til, at de kan nå godt og vel halvt ind i kroppen. Det svarer til protoner med en energi på 250 millioner elektronvolt eller kulkerner med en energi på 5 milliarder elektronvolt.

Mulige accelerator-typer er dermed cyklotroner eller synkrotroner, og begge slags anvendes i dag. Acceleratorerne er dog forholdsvis store, for synkrotroner omkring 15 meter i diameter, og de kan ikke som traditionelle strålekanoner monteres i en gantry.

I stedet monteres acceleratoren fast på gulvet, og man transporterer partiklerne ved hjælp af et system af magneter til patienten.

Ofte bygges flere partikeltransport-linjer til flere patientrum, idet acceleratoren typisk kan levere intensitet nok til flere samtidige behandlinger.

 

Der er især forhåbninger til behandlingen af kræftramte børn

De fleste partikelacceleratorer anvender protonstråler, men på det seneste er man begyndt at eksperimentere med tungere kerner som kulkerner.

Den nye synkrotronstrålings-ring ASTRID2 under færdiggørelse i kælderen under Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet. (Foto: Lars Kruse, AU Kommunikation)

Man formoder, at kulkerner på grund af deres fundamentale egenskaber kan have flere fordele – dels fordi de afbøjes endnu mindre end protoner på deres vej i vævet, og dels fordi kulkerner er mere effektive til at ødelægge DNA’et i cellerne.

Endnu er der dog kun få eksempler på klinisk anvendelse af kulkerner i partikelterapi, men resultaterne er lovende. Partikelterapi er en forholdsvis ny form for stråleterapi med et væsentligt potentiale.

Om end det er en dyrere form for terapi,
vil man med denne behandling kunne kurere tumorer, der i dag kun vanskeligt eller umuligt kan kureres, og man vil kunne mindske bivirkninger med øget livskvalitet til følge.

Specielt er der store forhåbninger til partikelterapi af kræftramte børn, idet de jo forhåbentlig har en lang levetid efter en strålebehandling, og dermed er det vigtigt at reducere risikoen for sekundær kræft ved optimal strålebehandling.

Et internationalt ekspertpanel har evalueret projektforslag om et anlæg til partikelstrålebehandling i Danmark, og det er på den baggrund besluttet, at et dansk partikelterapicenter skal bygges ved Aarhus Universitetshospital i Skejby.

 

Acceleratorer ved Institut for Fysik og Astronomi

I Danmark har der gennem tiden været opbygget flere acceleratorfaciliteter til forskning, men i de seneste tiår har denne udvikling især været koncentreret ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.

Igennem 1960’erne og 1970’erne var et succesfuldt forskningsfelt studiet af ladede partiklers passage gennem stof, og de energirige partikler kom naturligvis fra acceleratorer.

Det var et forskningsfelt, der oprindelig blev startet ved Københavns Universitet af Niels Bohr (1885-1962) og hans elev Jens Lindhard (1922-1997), der senere blev professor i fysik ved Aarhus Universitet.

Mange acceleratorer blev bygget og indkøbt til Fysisk Institut ved Aarhus Universitet af professor Karl Ove Nielsen (1920-1996). Flere af disse acceleratorer er stadig i brug.

Som følge af forskellige samarbejder og eksperimentelle studier blandt andet ved CERN opstod ideen om at bygge en synkrotron til den type forskning, man interesserede sig for ved instituttet i Aarhus.

 

Ladede ioner blev især anvendt til at studere atomfysik

I høj grad takket være ildsjælen Erik Uggerhøj udmøntede ideen sig i ASTRID (Aarhus Storage Ring for Ions and Electrons, Denmark), der blev designet og bygget i sidste halvdel af firserne som en af de allerførste af sin slags.

Dels var det nyt at bygge en kombineret synkrotron og lagerring, altså en accelerator, der både kunne accelerere til høj energi og bagefter opbevare og lagre partiklerne ved denne energi i lang tid.

Yderligere var det nyt at bygge en sådan accelerator, der kunne anvende mange slags ladede partikler, både elektroner og positivt og negativt ladede ioner af vilkårlig masse og ladning.

Positivt og negativt ladede ioner blev især anvendt
 til studier inden for atomfysik, der så senere udviklede sig til også at omfatte studier af store biomolekyler.

 

Elektroner udsender stråling, når de afbøjes i et magnetfelt

ASTRID gjorde det eksempelvis muligt at udføre levetidsmålinger på negative ioner (for eksempel negativt helium) og lave eksperimenter med rekombination mellem molekylære ioner og elektroner.

Flere af disse eksperimenter var helt nye og kun mulige med en lagerring, og de er stadig ikke blevet forbedret.

Anvendelsen af ASTRID til acceleration og lagring af elektroner ved høj energi havde et mere målrettet formål nemlig at producere synkrotronstråling. Når elektroner med hastigheder tæt på lysets afbøjes i et magnetfelt, udsender de elektromagnetisk stråling i fremadgående retning.

Denne elektromagnetiske stråling indeholder i princippet alle bølgelængder (eller 'farver' af lys) fra radiobølger over infrarødt lys og synligt lys til ultraviolet lys og røntgenstråling.

 

Det er afgørende, hvor brilliant strålingen er

Synkrotronstråling har vist sig at være en fænomenal lyskilde fra det infrarøde bølgelængdeområde til gammastrålingsområdet. Afgørende for synkrotronstråling er, hvor brilliant den er, hvor brillians er defineret som intensitet pr. areal og vinkelenhed. 

Altså jo mindre lyskilden er, og jo mere parallelt lyset er, jo større er brillansen. Ved opfindsomme acceleratordesigns har det været muligt igennem de sidste mere end 20 år at øge brillansen af den udsendte stråling med utallige størrelsesordener.

Fotoet viser et lille udsnit af acceleratoren ASTRID2, hvor man gennem et kvartsvindue kan se den kortbølgede, blåhvide synkrotronstråling, som det hele handler om. Synkrotronstrålingen kan bruges til et utal af eksperimenter inden for mange forskellige fagområder. (Foto: Niels Hertel)

Denne meget store brillans har gjort synkrotronstråling til det måske mest benyttede værktøj til undersøgelser af egenskaber ved den mikroskopiske og nanoskopiske verden omkring os.

Dette gælder både atomer, molekyler, biomolekyler, faste stoffer, katalysatorer og meget mere.

 

Fra ASTRID til ASTRID2

For ASTRIDs vedkommende accelereres elektronerne til en energi på 580 millioner elektronvolt, og synkrotronstrålingen opstår ved afbøjning i et magnetfelt på 1,6 tesla.

Strålingen har en bølgelængde ned til blød røntgenstråling (3 nanometer), og den er meget brillant, idet selve elektronstrålen (lyskilden) kun er cirka 2 millimeter bred og 0,1 millimeter høj.

ASTRID er en næsten kvadratisk synkrotron med en omkreds på 40 meter, og ud over de store afbøjningsmagneter i hjørnerne består en sådan synkrotron af en lang række andre magneter og komponenter, der er nødvendige for acceleratorens funktion.

 

ASTRID blev omdannet til en dedikeret synkrotronstrålingsring

Maskinen bruges ved, at der hver morgen skydes en stor strøm af elektroner med en energi på 100 millioner elektronvolt fra en foraccelerator ind i ASTRID.

Disse elektroner accelereres derefter yderligere op til topenergien på 580 millioner elektronvolt, hvor de lagres indtil næste dag.

Den intense synkrotronstråling udsendes fra den lagrede elektronstråle med kun et beskedent intensitetstab til følge, idet kun en lille brøkdel af elektronerne tabes på 24 timer.

Fra slutningen af 1990’erne blev den kombinerede accelerator ASTRID omdannet til en dedikeret synkrotronstrålingsring, idet opfindelsen af en elektrostatisk lagerring, navngivet ELISA, overtog forskningen med lagrede ioner.

Årligt bruges ASTRID af mere end 100 forskere fra indog udland, og en lang række epokegørende studier er blevet udført ved denne facilitet.

 

ASTRID har opdaget væskeposer bundet til sædceller

Eksempelvis er der ved ASTRID blevet udviklet et røntgenmikroskop, hvor man blandt andet har opdaget en slags væskeposer (vesikler), der er bundet til menneskesædceller, og hvis funktion og indhold man endnu ikke har afsløret.

Et andet eksempel er, at man ved hjælp af ASTRID har studeret katalysatorer beregnet til at fjerne svovl fra olie og på den baggrund fået en meget bedre forståelse af disse katalysatorers virkemåde. Dette har ført til udvikling af forbedrede katalysatorer anvendt på storskala i dansk industri.

Som et tredje eksempel kan det nævnes, at ASTRID for nylig er blevet brugt til eksperimenter med materialet grafen, der består af kulstof arrangeret i lag med en tykkelse på kun et enkelt atomlag. Ved hjælp af ASTRID har forskere kunnet producere og identificere en udgave af grafen, der potentielt kan anvendes som halvleder og dermed erstatte silicium i computerchips.

 

Der er mulighed for helt nye studier

ASTRID er imidlertid blevet en 'gammel dame', og i 2008 blev der bevilget penge til en ny synkrotronstrålingskilde med den 'ultimative' brillans, ASTRID2.

Indkøringen af denne nye accelerator er startet i sommeren 2012 med en forventet færdiggørelse af hele faciliteten ultimo 2014. Synkrotronstrålingen vil have et tværsnit på cirka 0,1 millimeter i den ene retning og 0,01 millimeter i den anden.

Herved opnås en enorm brillans af synkrotronstrålingen, der giver mulighed for helt nye studier, blandt andet studier, der foregår over meget korte tidsintervaller og undersøgelser af meget små prøver.

 

Fremtidens acceleratorer

Udviklingen af acceleratorer igennem de sidste 100 år har været overordentlig succesfuld, både inden for fundamental forskning og inden for praktiske anvendelser. Stort set alle eksisterende acceleratorer bygger
på anvendelsen af elektriske og magnetiske felter.

Med den nuværende teknologi er det svært at øjne væsentligt højere energier, end man kan præstere i dag, ligesom det er svært at forestille sig, at man vil bygge væsentligt større acceleratorer end de nuværende på op til 30 km. Skal man derfor accelerere partikler til endnu højere energier i fremtiden, må acceleratorerne bygges på nye principper.

En mulighed er at bruge elektromagnetisk stråling, dvs. lys, fra lasere. Lasere kan i dag skabe ekstremt kraftige elektriske felter, der potentielt kan udnyttes til acceleration. En anden mulighed er at bruge en stråle af partikler til at accelerere andre partikler.

Faktisk har forskere ved Stanford University i USA, ganske imponerende, accelereret elektroner hele 50 milliarder elektronvolt over 1 meter ved hjælp af en anden partikelstråle. Accelerationen har dog kun været effektiv for en meget lille brøkdel af partiklerne, men det var et meget vigtigt eksperiment, der viser de principielle muligheder.

 

Et nyt projekt er under opbygning i Lund

Et nyt lokalt acceleratorprojekt er det fælleseuropæiske projekt European Spallation Source, ESS, der er under opbygning i Lund i Sverige, finansieret med 50 % fra Danmark, Norge og Sverige. Dette vil blive den hidtil mest effektfulde protonaccelerator i verden.

Der er dog tale om forholdsvis velkendt teknologi, idet acceleratoren vil være en lineær radiofrekvens-accelerator som den gode gamle two-mile accelerator nævnt tidligere. Men den vil blive bygget med anvendelse af superledende teknologi.

Protonerne vil blive accelereret til energier på 2 milliarder elektronvolt, og partikelstrålen vil få en effekt på hele 5 millioner watt. Denne intense protonstråle skal ramme et roterende hjul med en diameter på 2 m bygget af wolfram, hvorved neutroner med stor intensitet udsendes.

Denne verdens mest intense neutronkilde skal bruges til at undersøge og designe fremtidens materialer. Projektet forventes at levere de første neutroner i 2019 og at være færdigt i 2025 og vil koste omkring 10 milliarder kroner. Fra dansk side deltager Aarhus Universitet i design og opbygning af selve acceleratoren.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs nyt om fusionsenergi, som DTU med forsøgsreaktoren på billedet nedenfor - en såkaldt tokamak - nu er kommet lidt nærmere.