Rolf Widerøe: ”Ringenes herre”

Av Jan Folkvard Evensen, Spesialist i onkologi, tidligere overlege ved Kreftklinikken Oslo universitetssykehus, Radiumhospitalet

---

Rolf Widerøe var ingeniøren som fant opp prinsippet for betatronen og ­protonsynkrotronen. Han var den første som fikk en lineærakselerator til å fungere, basert på konseptet til den svenske fysiker G.A. Ising. Moderne stråle­behandling kunne ikke la seg gjøre uten Widerøes ideer. Drevet av sin vitenskapelige ærgjerrighet innledet han samarbeid med Luftwaffe ­under krigen. Det kostet han anseelse i hjemlandet og drev han i landflyktighet. Etter krigen flyttet han til Sveits og arbeidet for Brown Boveri & Cie med å konstruere akseleratorer for material­testing, kreftbehandling og grunnforskning i fysikk. Han tok ut over 200 ­patenter, fikk flere æresdoktorater og en rekke internasjonale priser. Widerøe gjenvant til en viss grad sin anseelse i Norge midt på 1990 tallet, ikke minst takket være professor ­Tor Brustad ved Radiumhospitalet.

Innledning

Rolf Widerøe (Figur 1) ble født i Oslo 11. juli 1902. Han vokste opp i en søskenflokk på 6, 3 jenter og 3 gutter, ikke langt fra Vinderen. Hans to brødre, Viggo (f. 1904) og Arild (f. 1908), var flyentusiaster og startet Widerøes Flyveselskap i 1934. Arild omkom i en flyulykke over Bunnefjorden 1. august 1937. Under andre verdenskrig var Viggo medlem av Torsvik-gruppen i Ålesund. Torsvik-gruppen hjalp til med å få norske og britiske soldater over til Storbritannia. Aktiviteten ble oppdaget av Gestapo og gruppen gikk i oppløsning. Fem medlemmer ble henrettet og 3 ble dømt til tukthusstraff i Tyskland, blant dem Viggo. Han ble sittende fire år i tukthus-fangenskap i Tyskland.

Årene 1900-1930 rystet fysikkens grunnvoller med kvante- og relativitetsteori (1). Bak dette sto en gruppe unge, geniale europeiske fysikere. I år 1900 lanserte M. Planck teorien om lysets kvantenatur for å forklare den spektrale fordeling av stråling fra sorte legemer. I de påfølgende 30 år formuleres kvantemekanikken av E. Schrødinger og W. Heisenberg. Einsteins spesielle og generelle relativitetsteori kom i hhv. 1905 og 1915. Dette paradigmeskiftet førte til filosofiske vanskeligheter idet kvantemekanikken ikke ga noen deterministisk, men bare en stokastisk beskrivelse av de individuelle atomprosesser. Det var nettopp disse filosofiske vanskeligheter som lå til grunn for den livslange uenighet mellom A. Einstein og N. Bohr (2).

Allerede som gymnasiast på Halling skole i Oslo var Widerøe opptatt av E. Rutherfords eksperimenter som gikk ut på å spalte atomkjerner ved bombardement med ladete partikler fra en radioaktiv kilde. Det var bl.a. med bakgrunn i denne type eksperimenter at Rutherford lanserte en ny atommodell i 1911, med sentralt plassert kjerne og elektroner i bane rundt. For å trenge inn i atomkjernen må man ha høyer energier. Det var i denne sammenheng han ble interessert i høyenergi akseleratorer. Han så også tidlig nytten av disse i kreftbehandling.

Utdannelse og doktorgrad

Etter artium i 1920 dro han til Karlsruhe i Tyskland og ble immatrikulert ved Die Technische Hochschule. Han ville bli diplomingeniør. Sterkstrøm var hovedinteressen. Ved siden av studiene lekte han hele tiden med ideen om å lage høyenergetisk stråling. Allerede som 20 åring spurte han seg: Kunne ikke samme prinsipp som gjelder for en vanlig transformator også brukes til å akselerere elektroner? En transformator består av to adskilte spoler (primær- og sekundærspolen) som er viklet rundt en sammenhengende jernring. Ved å variere spenningen i primærspolen genereres en spenning i sekundærspolen. Forholdet mellom spenningene er tilnærmet lik forholdet mellom vindingstallene i de respektive spolene.

Widerøes idé var å erstatte sekundærspolen med en immateriell leder, i praksis en evakuert torus (lufttom ”smultring”). En skisse av dette laget han så tidlig som i 1923 (3). Det han selv kalte en stråletransformator, etter hvert induksjonsakselerator, fikk senere navnet betatron. Dette fordi den akselererer elektroner, også kalt β-partikler.

Da Widerøe var ferdig med diplomoppgaven og eksamen reiste han tilbake til Oslo i 1924. Etter praksis og avtjent verneplikt reiste han tilbake til Tyskland. Tanken var å ta en doktorgrad på ideen om induksjonsakseleratoren. I Karlsruhe fikk han avslag. Der mente de ideen ikke var realiserbar. I Achen, hos professor Walter Rogowski, fikk han innpass. Her fikk han også tilgang til de spesiallagede rørene han trengte ved at laboratoriet hadde et godt glasblåserverksted. Han lyktes imidlertid ikke i å få induksjonsakseleratoren til å virke.

Widerøe rettet så oppmerksomheten mot et konsept introdusert av den svenske fysiker G.A. Ising noen år tidligere. Konseptet var basert på det som ble kalt multippel akselerasjon, gjentatte akselerasjoner etter hverandre. Problemet bestod i å få de repeterte akselerasjoner på rett sted til rett tid. Widerøe løste problemet ved å finne opp prinsippet for resonant akselerasjon. Det går i korthet ut på å kople en rekke med rør av ledende materiale til en alternerende spenning (Fig. 2). En positiv ladning vil da akselereres mot et negativt ladet rør. Feltet inne i en leder er 0. Partikkelen vil derfor bevege seg med konstant hastighet inne i røret. Når partikkelen når enden av røret skifter polariteten til positiv. Partikkelen vil da skyves fra røret og akselereres mot neste rør som da er negativt ladet, osv. Rørenes lengde må avstemmes til vekselspenningens frekvens, derav navnet resonant akselerasjon. Tiden det tar for partikkelen å passere et rør må svare til vekselspenningens halve cykel. Da partikkelens hastighet øker, må rørlengden økes tilsvarende. Høye energier krever derfor lange akseleratorer. Widerøe viste at dette prinsippet hadde noe for seg ved i 1927 å bygge verdens første lineærakselerator med multiakselerasjon av ioner i et elektrisk vekselfelt (Fig. 3). Kalium ioner ble ført gjennom et driftrør som var tilknyttet en vekselspenning på ca. 25 kV, max. 1 MHz. De ble derved akselerert 2 ganger i vekselfeltet og oppnådde en energi på 50 kV.

Widerøes doktoravhandling ble todelt. I første del redegjør han for resonant akselerasjon og lineærakseleratoren han fikk til å fungere og i annen del om prinsippet for induksjonsakseleratoren. Han viste at idéen var holdbar, men nådde ikke målet med den teknologi han hadde tilgjengelig.

Gjennombruddet

Widerøes pionerarbeid var lenge upåaktet. I løpet av 1940 lyktes det imidlertid Donald W Kerst å akselerere elektroner til en energi av 2.3 MeV på basis av betatron prinsippet som var nedfelt i Widerøes doktoravhandling. Betatronen er simpelthen en transformator hvor en sky av elektroner, inne i en evakuert torus, inntar rollen til sekundærspolen. Primærspolen er et varierende magnetfelt i hullet i ”smultringen”. I tillegg til å akselerere elektronene trengs et magnetfelt for å holde dem i bane, med konstant radius inne i torusen, etter hvert som elektronenes hastighet øker. Torusen er derfor anbrakt mellom polene på en spesielt utformet magnet som nettopp sørger for dette (Fig. 4). Forholdet mellom variasjonen av de to magnetfelt kan uttrykkes matematisk i det som kalles Widerøes betingelse eller betatron likningen.

Etter at det hadde lyktes DW Kerst å akselerere elektroner på basis av betatron prinsippet som var nedfelt i Widerøes doktoravhandling, tok Widerøe i 1943 selv fatt på å konstruere en betatron i Hamburg (se under). Resultatet ble at Europas første fungerende betatron ble bygd, med energi på ca. 15 MeV.

Widerøe var således opphavsmannen til etterkrigstidens to mest betydningsfulle behandlingsapparater. Radiumhospitalet fikk som et av Europas første sykehus en betatron i 1953. Radiumhospitalet har i alt hatt 3 betatroner. Den første var en BBC Betatron (31 MV), Den ble faset ut i 1971. Den siste var en BBC Asklepitron 35 (35 MV) som ble tatt i bruk i 1963 og faset ut i 1985. Figur 5 viser en torus fra en av Radiumhospitalets betatroner. Lineærakseleratoren har nå erstattet betatronen og er arbeidshesten i en hver stråleterapiavdeling. I en slik akselerator «surfer» elektronene på mikrobølger (4). Figur 6 viser «gantry» i en moderne lineærakselerator med et vandrebølgerør hvor elektronene akselereres. Etter å ha blitt avbøyd 270 grader (akromatisk avbøyning) kan elektronstrålen rettes mot en spredningsfolie eller mot et target, avhengig av om man vil bestråle med elektroner eller fotoner (bremsestråling).

Oppholdet i Tyskland 1943-45

Widerøes ”ulykke” var oppholdet i Tyskland i perioden 1943 til 1945. Høsten 1943 ble han oppsøkt av en mann ved navn Theodor Hollnack. Med seg hadde han to menn med hver sin doktorgrad i fysikk, SS-offiserer på spesialoppdrag for Luftwaffe. Man hadde fått det for seg at ved å rette Widerøes ”strålekanon” mot alliertes fly så kunne man drepe flyveren. De trang imidlertid Widerøes bistand og denne takket ja til å bistå.

Dette var jo helt meningsløst, hvilket tidlig ble innsett av sentrale personer som Werner Heisenberg og Walter Gerlach. Siste nevnte var formann i Rådet for Luftwaffes forskningsstasjon og også en av de mest innflytelsesrike i Uranverein, Hitlers uranklubb (5). Begge var blant de 10 internerte på Farm Hall etter krigen (6). Widerøe fikk imidlertid fortsette med å konstruere sin betatron.

Hvorfor dro Widerøe til Tyskland i 1943? Han måtte vite at det var uakseptabelt å samarbeide med fienden. Selv begrunnet han det med å ville hjelpe sin bror til å få lettere soningsforhold, i beste fall frigivelse. Andre er av den oppfatning at han kanskje var naiv og mest opptatt av å få realisere sin kongstanke. I Tyskland fikk han i så måte «carte blanche». Til syvende og sist er det vanskelig å vite hva som virkelig drev han.

Landssvik saken

Den 20. april 1945 ble det levert inn en anonym anmeldelse på Rolf Widerøe (7). Det fremgikk der at han hadde funnet opp gyroskopet på V2 rakettene, Tysklands fryktede våpen som bl.a. ble brukt mot London og Antwerpen. På bakgrunn av dette ble det utskrevet en ordre om fengsling. Widerøes pass ble beslaglagt og ha ble satt på Ilebu landssviksfengsel 24. mai 1945.

For å få klarhet i Widerøes virksomhet i Tyskland ble det nedsatt en sakkyndig komité med 4 medlemmer, alle profilerte norske fysikere. Formann i komiteen var professor Egil A Hyllerås, datidens fremste norske fysiker, som bl.a. samarbeidet med kapasiteter som Max Born og Hans Bethe. I 1928 oppfant Hyllerås en metode som gir en nøyaktig beskrivelse av elektronenes relative bevegelse i atomer og molekyler. På den måten var han den første som bekreftet den generelle gyldigheten av kvantemekanikken. De tre andre i komiteen var Roald Tangen, Harald Wergeland og Gunnar Randers.

Komiteen konkluderte med at Widerøe var en middelmådig fysiker som ikke hadde prestert noe særlig av interesse. Konklusjon på landssvik sak 3418/45 var at Widerøe ikke hadde ytet fienden bistand og aldri hatt noe med V2-bombene å gjøre. Han var heller ikke nazist. Han skulle sannsynligvis aldri vært arrestert. Han fikk likevel en bot på kr. 5000 og et forelegg på kr. 120 000 for sitt samarbeid med tyskerne (8).

Stemningen i Norge etter krigen gjorde det vanskelig for Widerøe å bli værende. Han emigrerte til Sveits og fortsatte å arbeide for Brown Boweri & Cie. Under hele krigen var han formelt ansatt hos Brown Boweri i Norge.

CERN

Rolf Widerøe og Odd Dahl (1898-1994) var meget sentrale da CERN ble etablert i 1954. CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) er en europeisk organisasjon for forskning på partikkelfysikk, kjernefysikk og kjernekjemi. Hensikten var å reetablere europeisk forskning, samt å bedre relasjonene mellom europeiske land etter 2. verdenskrig. Rolf var med i en ekspertgruppe som skulle stå for konstruksjonen av CERNs akselerator, en proton synkrotron (PS). Han hadde tatt patent på protonsynkrotronen seks år tidligere. Dahl var administrator og koordinator for PS-prosjektet. Enda en nordmann var med, Kjell Johnsen (1921-2007), akseleratorekspert og professor i kjernefysikk. Akseleratoren sto ferdig i 1959. Åttende desember nådde man energitoppen, 28.3 GeV. For CERN har PS vært svært viktig og er fremdeles i drift. PS er CERNs arbeidshest nr. 1 og fungerer nå som injektor i kjeden av større akseleratorer som bl.a. ender opp i LHC (Large Hadron Collider). PS-teknologien er nå brukt i alle større akseleratorer.

Widerøe innså tidlig at det var mulig å oppnå høye tyngdepunktsenergier ved å la partikkelstråler kollidere med hverandre. Tyngdepunktsenergi i partikkel-kollisjoner er den energi som kan omsettes til nye partikler. Dette tok han patent på i 1943, men kom aldri selv til å utvikle dette patentet til en praktisk fungerende ”collider”. Det gjorde imidlertid andre, noe som til syvende og sist resulterte i at CERN den 4. juli 2012 kunne annonsere at Higgs partikkelen var funnet (9).

Nobelpris?

Widerøe mottok mange æresbevisninger (10). Her skal bare nevnes to: ”Robert R. Wilson Prize for Achievement in the Physics of Particle Accelerators” for hans mange bidrag til akselerator fysikk og teknologi og ”Røntgenprisen” for sine bidrag til akseleratoranvendelse i stråleterapi. Hans interesse for og innsikt i stråleterapi kom tydelig til uttrykk ved et foredrag han holdt på Radiumhospitalet 12. november 1974: ”Strålebiologi og stråleterapi – Aktuelle problemer”. Her avdekket han betydelig innsikt i til grunn liggende mekanismer for effekt av stråling på biologiske systemer (11).

Professor Robert Hofstadter ved Stanford University, selv nobelprisvinner (fysikk 1961), nominerte Widerøe til fysikkprisen i januar 1985, men forslaget nådde ikke opp. Tidligere forsøk hadde også vært mislykket. Flere mener at Widerøe burde hatt en nobelpris, bl.a. professor Søren M. Bentzen (8). Han mener at Widerøe burde delt prisen med Ernest O. Lawrence som fikk prisen i 1939: “for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements”. Lawrence bygget på Widerøes ideer og var i ettertid påpasselig med å erkjenne dette.

På 1990 tallet oppsøker professor Tor Brustad ved Radiumhospitalet Riksarkivet for å se saksdokumentene vedrørende Widerøe (Landssviksak nr. 3418/45); konklusjon som nevnt over. Tanken var å hedre Widerøe på “1st Scandinavian Symposium in Radiation Oncology” i Rosendal i mai 1997. Widerøe gikk imidlertid ut av tiden i oktober året før.

Anbefalt lesing: Sørheim A: Besatt av en drøm – Historien om Rolf Widerøe. Referanse 8.

Referanser

1: Gamow, G: Thirty years that shook physics.
Doubleday & ­Company, Inc., Garden City, New York 1966

2: Whitaker A: Einstein, Bohr and the quantum dilemma. From Quantum Theory to Quantum Information.
Cambridge ­University Press, 2006

3: Aspelund O: Rolf Widerøe har passert 80 år.
Fra Fysikkens Verden, 46, Nr. 1, 5-7, 1984

4: Evensen JF: Akseleratorfysikk. Onkonytt 2015; 1: 18-23

5: Bernstein J: Hitlers Uranium Club.
Springer-Verlag N.Y., Inc (2001)

6: Evensen JF: Operation Epsilon og Farm Hall.
Fra ­Fysikkens Verden, 74, Nr. 1, 31-33, 2012.

7: Brustad T: Rolf Widerøe: Why is the Originator of the Science of Particle Accelerators so Neglected, Particularly in his Home ­Country? Acta Oncologica 1998; 37: 603-614

8: Sørheim A: Besatt av en drøm – Historien om Rolf Widerøe. ­Forlaget Historie og Kultur AS, 2015.

9: CERN Courier: 4 July 2012: a day to remember. CERN Courier August 23, 2012. http://cerncourier.com/cws/article/cern/50565

10: Vaagen JS: FFV Gratulerer.
Fra Fysikkens Verden, 54, Nr. 2, 34, 1992.

11: Widerøe R: Strålebiologi og stråleterapi – Aktuelle problemer,
Fra Fysikkens Verden, 37, Nr. 2, 39-47, 1975.