Passagiere in London Der Flughafen Heathrow hat kürzlich einige gute Nachrichten erhalten, als bekannt wurde, dass sie dank der neuen Computertomographie (CT) -Scanner des Flughafens bald aufhören können, die Flüssigkeiten und Gele in ihrem Handgepäck zu trennen, während sie die Sicherheitskontrolle durchlaufen Scanner erzeugen hochauflösende dreidimensionale Röntgenbilder in Echtzeit, wodurch es einfacher wird, Sprengstoffe schnell zu erkennen, ohne dass ein separater Screening-Prozess erforderlich ist.

Über diese Entwicklung wurde in den Medien und in den Medien ausführlich berichtet Dies wurde jedoch als Segen für Reisende und Sicherheitspersonal angekündigt. Es wurde jedoch nicht so häufig berichtet, dass eine optimierte Bildgebung von Gepäck und Containern teilweise durch Verbesserungen der Beschleuniger erreicht wurde, die die Elektronenstrahlen liefern r die Scanner. Diese Verbesserungen haben die Scanausrüstung kompakter gemacht und gleichzeitig die Qualität des Abbildungsstrahls verbessert – und sie basieren auf Wissen, das direkt und indirekt von R & D in erworben wurde Teilchenbeschleuniger für wissenschaftliche Forschung.

Echtzeit-Sicherheitsüberprüfung

Beim CT-Scannen – immer noch die am weitesten verbreitete Bildgebungstechnik für Gepäck – wird ein Partikelstrahl (traditionell Röntgenstrahlung) verwendet , aber es könnten auch Neutronen oder andere Teilchen sein) wird durch das Objekt geschickt. Durch Messen des abgeschwächten Strahls und anschließendes Wiederholen dieses Vorgangs in Schritten über einen Bereich von 180 oder 360 ° erzeugt das Abbildungssystem einen 2D-Schattengraphen der Probe, der Details seiner inneren Struktur (Abmessungen, Form, innere Defekte, Dichte und) enthüllt bald). Diese Querschnittsbilder werden mithilfe von Projektionen aus verschiedenen Richtungen rekonstruiert und mithilfe einer 3D-Grafik-Rendering-Software visualisiert. Das 3D-Bild wird dann auf verschiedene Weise manipuliert und in Scheiben geschnitten, um ein gründliches Verständnis des Objekts zu ermöglichen.

Obwohl viele Rekonstruktionsalgorithmen existieren, fallen die meisten in eine von zwei Kategorien: gefilterte Rückprojektion (FBP) und iterative Rekonstruktion (IR). Beide Verfahren liefern ungenaue Ergebnisse und es besteht ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und erforderlicher Rechenzeit. FBP erfordert weniger Rechenleistung, ist jedoch weniger genau, während IR im Allgemeinen weniger Artefakte (Fehler bei der Rekonstruktion) bei höheren Rechenkosten erzeugt. In beiden Fällen bedeutet der Rechenleistungsbedarf, dass die meisten Tomographiescanner statische und keine bewegten Bilder erfassen. In der Zwischenzeit stellen die Größe und die erheblichen Kosten der Beschleuniger, die zur Erzeugung der Partikelstrahlen verwendet werden, sicher, dass die CT zwar routinemäßig zum Scannen von Gepäck verwendet wird, ihre breitere Verwendung bei der Sicherheitsüberprüfung jedoch begrenzt ist. In letzter Zeit jedoch real Es sind Zeittomographiescanner (RTT) entstanden, die diese Hindernisse erheblich reduzieren. Die ersten Modelle waren relativ langsam, da sie auf einem Portal montiert waren und der Scanner um die Tasche herum bewegt wurde, wobei normalerweise 12 bis 15 Ansichten aufgenommen wurden. Die neue Generation von RTT-Systemen hat jedoch keine beweglichen Teile und ist erheblich schneller.

Der Hersteller der 50-Millionen-Pfund-CT-Scanner von Heathrow wurde nicht bekannt gegeben, aber eines der fortschrittlichsten Systeme wird von einem in den USA ansässigen Unternehmen, Rapiscan, hergestellt und mit Unterstützung und Schulung von Wissenschaftlern in Großbritannien entwickelt Daresbury Laboratory (betrieben vom Science and Technology Facilities Council). Das Gepäckscansystem von Rapiscan verwendet mehrere Röntgenquellen. Eine stationäre Anordnung von Mikro-Röntgenstrahlern erfasst Zehntausende Ansichten eines Beutels und erzeugt Bilder mit einer deutlich besseren Auflösung in allen Ebenen als die Standard-CT-Bildgebung. Es wurde auch ein sehr schneller Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt, um den Screening-Prozess zu beschleunigen und die Überprüfung von 1500 bis 1800 Beuteln pro Stunde zu ermöglichen. Dies ist für die Transportbranche von enormer Bedeutung. Sicherheitskontrollen an Flughäfen und Docks stellen einen großen Engpass im internationalen Reise- und Handelsverkehr dar, und unbekannte Objekte können lange Verzögerungen verursachen, selbst wenn sie sich als harmlos herausstellen.

Abwägen von Qualität und Dosierung

Die Hersteller von Teilchenbeschleunigern, die in Sicherheitsüberprüfungsgeräten verwendet werden, tun dies im Allgemeinen nicht müssen die Strahlungsdosis berücksichtigen, die den Koffern, Behältern usw. verliehen wird, die abgebildet werden sollen. Dies gilt natürlich nicht für die medizinische Bildgebung, bei der die Dosis für den Patienten eine wichtige Rolle spielt. Auf diesem Gebiet ist das CT-Scannen aufgrund seiner hohen Bildqualität weit verbreitet, aber neuere Forschungen zu den schädlichen Auswirkungen höherer Strahlungsdosen haben die Aufmerksamkeit auf eine alternative Technik gelenkt, die als digitale Tomosynthese bekannt ist.

Die digitale Tomosynthese funktioniert von Bewegen der Röntgenquelle um den Patienten und Erfassen von Bildern wie bei der Computertomographie. Anstelle einer vollen 360 ° -Drehung ist der Winkel jedoch viel kleiner. Dies reduziert die Dosis, aber der kleinere Winkel bedeutet, dass weniger Informationen für die Rekonstruktion verfügbar sind, was zu einer geringeren Bildqualität führt. Durch das Verschieben der Quelle werden auch bewegungsinduzierte Artefakte in den Bildern erzeugt.

Eine fortlaufende R & D-Anstrengung der Accelerator Science Group an der Universität Liverpool / Cockcroft Institute (das ich leite) und ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen, Adaptix, haben sich zum Ziel gesetzt, ein ultrakompaktes, hochauflösendes digitales Tomosynthesesystem zu entwickeln, das verbesserte medizinische Bildgebungsanwendungen mit geringeren Auswirkungen auf den Patienten bietet. Die neuen Designs umfassen ein System mit mehreren Röntgenquellen an verschiedenen Positionen und Winkeln, die die eine sich bewegende Quelle ersetzen. Dies minimiert bewegungsinduzierte Artefakte, schafft jedoch auch neue Herausforderungen, die wir noch untersuchen. Die Hoffnung ist, dass das Gerät zu einem Zwischenschritt zwischen planaren Standardröntgen mit niedriger Dosis und teureren CT-Scannern wird, sodass Ärzte die Möglichkeit haben, ein Werkzeug zu verwenden, das 3D-Bildgebung mit einer niedrigeren Strahlendosis kombiniert.

Krebs früher besiegen

Ein drittes Beispiel für den Technologietransfer in der Beschleunigerwissenschaft betrifft die Krebsbehandlung. Protonen- und Ionenstrahl-Therapien sind sehr effektiv bei der Behandlung bestimmter Arten der Krankheit und sie sind ein direktes Ergebnis von R & D in Ionenbeschleuniger für grundlegende wissenschaftliche Anwendungen. Bis vor kurzem gab es in Großbritannien nur eine klinische Einrichtung, in der Protonenstrahlen zur Krebsbehandlung eingesetzt wurden: das Clatterbridge Cancer Center on the Wirral, in dem seit mehr als 25 Jahren 60 MeV-Protonen zur Behandlung von Augenmelanomen eingesetzt werden. Das erste Hochenergie-Protonenstrahl-Krebszentrum in Großbritannien wurde 2018 im Christie-Krankenhaus in Manchester eröffnet. Derzeit werden weitere gebaut.

Im Gegensatz zu den in CT-Scans und herkömmliche Strahlentherapien, Protonen- und Ionenstrahlen, die bei Krebsbehandlungen verwendet werden, passieren nicht den gesamten Körper. Stattdessen halten sie scharf in einer Tiefe an, die von ihrer Energie bestimmt wird. Durch die Modulation der Energie und Richtung des Strahls können Ärzte eine homogene Strahlendosis über ein 3D-Tumorvolumen abgeben und gleichzeitig gesundes umliegendes Gewebe schonen. Um die Ionenstrahl-Therapie weiter zu optimieren, konzentrierte sich eine internationale R & D-Anstrengung auf die Entwicklung neuartiger Strahl- und Patientenbildgebungstechniken sowie auf Studien zu verbesserten biologischen und physikalischen Simulationsmodellen unter Verwendung von Monte Carlo Codes und Forschung zum Design und zur Optimierung von Einrichtungen, um eine optimale Behandlung des Patienten bei maximaler Effizienz sicherzustellen. Dies sind alles Studien, die auf Forschungen aufbauen, die ursprünglich auf Beschleuniger für Anwendungen in der Grundlagenforschung abzielten und zeigen, wie Gesundheitsanwendungen von allgemeineren R & D profitieren können.

Beschleuniger, die hohe Energien liefern und gleichzeitig einen kleinen physischen „Fußabdruck“ beibehalten, könnten Forschung und Anwendungen, die derzeit nur in großen Einrichtungen möglich sind, in einen breiteren Einsatz bringen

Zukünftige Vorteile

Dies sind nur einige der Möglichkeiten, wie R & D auf Teilchenbeschleunigern angewendet wird hat zu weiteren Vorteilen geführt. Weitere Fortschritte sind bessere Techniken des maschinellen Lernens, Robotik, neue Materialien und Fortschritte in der Kryotechnik, Datenverarbeitung und -analyse – und natürlich das World Wide Web, das für Teilchenphysik-Experimente am CERN entwickelt wurde. Diese Anwendungen haben unsere Welt verändert, und ich glaube, dass zukünftige Spin-out-Technologien ebenso große Auswirkungen haben werden.

Ein Grund für meinen Optimismus ist, dass die fortlaufende beschleunigerwissenschaftliche Forschung technologische Innovationen in einer Reihe von Bereichen verspricht Das Upgrade der hohen Leuchtkraft des Large Hadron Collider (HL-LHC) zum Beispiel wird die Welt in Schwung bringen Der energiereichste Partikelkollider von d ist ein noch leistungsfähigeres Werkzeug für Entdeckungen.

Die ursprünglich zur Charakterisierung der Helligkeit eines Sterns definierte Leuchtkraft bestimmt, wie viele Kollisionen in einem Partikelkollider pro Zeiteinheit stattfinden.Derzeit kreuzen sich die Strahlen im LHC gerade, um die Möglichkeit für Kollisionen von Partikeln zu schaffen. Um die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes zu maximieren, haben die Wissenschaftler von Cockcroft zu Experimenten mit einer Methode beigetragen, bei der kurze Protonenbündel mit einer Länge von einigen Zentimetern eingefangen und seitlich geworfen werden, um ein weiteres Protonenbündel frontal zu treffen. Diese „Krabbenhöhlen“ haben das Potenzial, die Leuchtkraft des LHC um den Faktor 10 zu erhöhen. Dies beschleunigt die Entdeckung in einem solchen Maße, dass 10 Monate aktueller Arbeit in nur einem durchgeführt werden können.

Diese Entwicklungen erfordern auch neuartige Strahldiagnosewerkzeuge, um die leistungsstärkeren Strahlen vollständig zu charakterisieren, da vorhandene Technologien einfach nicht mehr funktionieren. Meine Gruppe hat in enger Zusammenarbeit mit Experten von CERN und GSI einen nicht-invasiven Monitor auf Gasstrahlbasis entwickelt in Deutschland für das LHC-Upgrade – eine Technologie, die auch für andere Hochenergie- und Hochintensitätsbeschleuniger vielversprechend ist.

Andere Forschungsbereiche zielen darauf ab, Beschleuniger kompakter zu machen, wodurch ihre Bedienung vereinfacht und ihre reduziert werden Kosten. Internationale Kooperationen wie EuPRAXIA und AWAKE untersuchen verschiedene Mechanismen, einschließlich laser- und partikelstrahlgesteuerter Plasmabeschleunigung. Bei diesen Schemata wird ein Plasma durch einen sogenannten „Antriebsstrahl“ moduliert, der erzeugt extrem hohe elektrische Feldgradienten im Plasma. Durch Injizieren eines Elektronenstrahls in Regionen mit einem sehr hohen elektrischen Feld wurde gezeigt, dass Elektronen über Entfernungen, die 1000-mal kürzer sind als dies bei herkömmlichen HF-Beschleunigern möglich ist, auf hohe Energien beschleunigt werden können. Dies sind sehr aufregende Entwicklungen, da Beschleuniger, die hohe Energien liefern und gleichzeitig einen kleinen physischen „Fußabdruck“ beibehalten, Forschung und Anwendungen, die derzeit nur in großen Anlagen möglich sind, in größerem Umfang nutzen könnten.

Weiter in der Zukunft Ein noch energiereicherer Collider (wie der Future Circular Collider, der von Forschern auf der ganzen Welt untersucht wird) erfordert Fortschritte in verschiedenen Bereichen, einschließlich Magneten, supraleitenden Materialien und Kabeln sowie Detektoren und Diagnostik – allesamt Innovationstreiber, die dies zeigen Vielversprechend für die Anwendung in anderen, oft unerwarteten Bereichen. R & D in Teilchenbeschleunigern treibt seit mehr als 100 Jahren Innovationen voran. Dies hat zu Anwendungen mit enormen Vorteilen für die Gesellschaft geführt. Eine noch vielversprechendere Zukunft liegt vor uns.

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