Cestující v londýnských Letiště Heathrow dostalo nedávno několik dobrých zpráv, když bylo oznámeno, že – díky novým skenerům počítačové tomografie (CT) na letišti – budou brzy schopni přestat oddělovat tekutiny a gely v příručních zavazadlech, když procházejí bezpečností. skenery vytvářejí trojrozměrné rentgenové snímky s vysokým rozlišením v reálném čase, což usnadňuje rychlou detekci výbušnin bez nutnosti samostatného procesu screeningu.

Tento vývoj byl široce hlášen v médiích a ohlášeno jako požehnání pro cestující i bezpečnostní pracovníky. Co však nebylo tak široce hlášeno, je, že racionálního zobrazování zavazadel a kontejnerů bylo dosaženo částečně vylepšením urychlovačů poskytujících elektronové paprsky pro r skenery. Tato vylepšení učinila skenovací zařízení kompaktnější a zároveň zvýšila kvalitu zobrazovacího paprsku – a byla založena na znalostech získaných přímo a nepřímo z R & D do urychlovače částic používané pro vědecký výzkum.

Bezpečnostní screening v reálném čase

V CT skenování – stále nejpoužívanější zobrazovací technika pro zavazadla – paprsek částic (tradičně rentgenové záření , ale mohou to být také neutrony nebo jiné částice) je vysílán objektem. Měřením zeslabeného paprsku a opakováním tohoto procesu v krocích v rozsahu 180 nebo 360 ° vytváří zobrazovací systém 2D stínový graf vzorku, který odhaluje podrobnosti jeho vnitřní struktury (rozměry, tvar, vnitřní vady, hustota a již brzy). Tyto průřezové obrazy jsou rekonstruovány pomocí projekcí z několika směrů a vizualizovány pomocí softwaru pro 3D grafiku. S 3D obrazem je pak manipulováno a řezáno různými způsoby, aby bylo zajištěno důkladné porozumění objektu.

Ačkoli existuje mnoho rekonstrukčních algoritmů, většina spadá do jedné ze dvou kategorií: filtrovaná zpětná projekce (FBP) a iterativní rekonstrukce (IR). Oba postupy poskytují nepřesné výsledky a mezi přesností a požadovanou dobou výpočtu existuje kompromis. FBP vyžaduje menší výpočetní výkon, ale je méně přesný, zatímco IR obecně produkuje méně artefaktů (chyby v rekonstrukci) při vyšších výpočetních nákladech. V obou případech požadavek na výpočetní výkon znamená, že většina tomografických skenerů získává statické obrazy, nikoli pohyblivé. Velké rozměry a značné náklady na urychlovače použité k vytvoření částicových paprsků mezitím zajišťují, že ačkoli se CT běžně používá ke skenování zadrženého zavazadla, jeho širší použití při bezpečnostním prověřování je omezené. objevily se skenery pro časovou tomografii (RTT), které tyto překážky významně snižují. První modely byly relativně pomalé, protože byly namontovány na portále a skener se pohyboval kolem vaku, obvykle s 12 až 15 pohledy. Nová generace systémů RTT však nemá žádné pohyblivé části a je podstatně rychlejší.

Výrobce CT skenerů Heathrow v hodnotě 50 milionů liber nebyl zveřejněn, ale jeden z nejpokročilejších systémů vyrábí americká společnost Rapiscan a byl vyvinut s podporou a školením vědců z Velké Británie Laboratoř v Daresbury (provozovaná Radou pro vědecká a technologická zařízení). Systém skenování zavazadel Rapiscan využívá několik rentgenových zdrojů. Stacionární řada mikro rentgenových zářičů zachycuje desítky tisíc pohledů vaku a generuje obrazy s výrazně lepším rozlišením ve všech rovinách než standardní CT zobrazování. Byl také vyvinut algoritmus velmi rychlé rekonstrukce, který zrychluje proces screeningu a umožňuje kontrolovat 1 500 až 1 800 pytlů za hodinu. To je pro dopravní průmysl nesmírně významné. Bezpečnostní kontroly na letištích a v docích představují hlavní překážku v mezinárodním cestování a obchodu a neznámé objekty mohou způsobit dlouhá zpoždění, i když se ukáží jako neškodná.

Vyvažování kvality dávkováním

Výrobci urychlovačů částic používaných v zařízeních pro prověřování bezpečnosti obecně je třeba vzít v úvahu radiační dávku, která je přenášena na kufry, kontejnery atd. To samozřejmě neplatí pro lékařské zobrazování, kde je dávka pro pacienta zásadním faktorem. V této oblasti je CT skenování široce používáno kvůli jeho vysoké kvalitě obrazu, ale nedávný výzkum škodlivých účinků vyšších dávek záření upozornil na alternativní techniku známou jako digitální tomosyntéza.

Digitální tomosyntéza funguje od pohyb rentgenového zdroje kolem pacienta a získávání snímků, jako v počítačové tomografii. Místo úplné rotace o 360 ° je však úhel mnohem menší. To snižuje dávku, ale menší úhel znamená, že pro rekonstrukci je k dispozici méně informací, což vede k nižší kvalitě obrazu. Pohyb zdroje také v obrazech vytváří artefakty vyvolané pohybem.

Pokračující R & D úsilí skupiny urychlovače vědy na University of Liverpool / Cockcroft Institute (kterou vedu) a britská společnost Adaptix si klade za cíl navrhnout ultrakompaktní digitální tomosyntetický systém s vysokým rozlišením, který nabídne vylepšené lékařské zobrazovací aplikace s menším dopadem na pacienta. Nové návrhy zahrnují systém s více rentgenovými zdroji v různých pozicích a úhlech, které nahrazují jeden pohybující se zdroj. To minimalizuje artefakty vyvolané pohybem, i když to také vytváří nové výzvy, které stále zkoumáme. Doufáme, že se zařízení stane přechodným krokem mezi standardními, nízkými dávkami planárních rentgenů a dražšími CT skenery, což lékařům poskytne možnost nástroje, který kombinuje 3D zobrazování s nižší dávkou záření.

Porazit rakovinu dříve

Třetí příklad přenosu technologií ve vědě urychlovače se týká léčby rakoviny. Protonové a iontové paprskové terapie jsou velmi účinné při léčbě určitých typů onemocnění a jsou přímým výsledkem z R & D na urychlovače iontů pro základní vědecké aplikace. Až donedávna existovalo ve Velké Británii pouze jedno klinické zařízení využívající protonové paprsky k léčbě rakoviny: Clatterbridge Cancer Center na Wirralu, kde se k léčbě očních melanomů používá více než 25 let 60 MeV protonů. První vysokoenergetické centrum pro léčbu protonových paprsků ve Velké Británii otevřelo své brány v roce 2018 v nemocnici Christie v Manchesteru a v současné době se staví další.

Na rozdíl od rentgenových paprsků používaných v CT a konvenční radioterapie, protonové a iontové paprsky používané při léčbě rakoviny neprocházejí celým tělem. Místo toho se ostře zastaví v hloubce určené jejich energií. Modulováním energie a směru paprsku mohou lékaři dodat homogenní dávku záření přes 3D objem nádoru a zároveň šetřit zdravou okolní tkáň. Za účelem další optimalizace terapie iontovým paprskem se mezinárodní úsilí R & D zaměřilo na vývoj nových technik zobrazování paprskem a pacienty, studie vylepšených biologických a fyzikálních simulačních modelů využívajících Monte Carlo kódy a výzkum designu a optimalizace zařízení, aby bylo zajištěno optimální zacházení s pacientem a maximální efektivita. Jedná se o všechny studie, které staví na výzkumu, který se původně zaměřoval na urychlovače základních vědeckých aplikací a ukazují, jak mohou aplikace ve zdravotnictví těžit z obecnějších R & D.

Akcelerátory, které dodávají vysoké energie při zachování malé fyzické „stopy“, by mohly přinést širší využití výzkumu a aplikací, které jsou v současné době možné pouze ve velkých zařízeních

Budoucí výhody

Existuje jen několik způsobů, jak R & D na urychlovačích částic vedlo k širším výhodám. Mezi další pokroky patří lepší techniky strojového učení, robotika, nové materiály a pokroky v kryogenice, manipulaci s daty a jejich analýze – a samozřejmě World Wide Web, který byl vyvinut pro experimenty částicové fyziky v CERNu. Tyto aplikace změnily náš svět a já věřím, že budoucí spin-out technologie budou mít stejný dopad.

Jedním z důvodů mého optimismu je, že pokračující vědecko-výzkumný výzkum slibuje technologické inovace v řadě oblastí Například upgrade High Luminosity u Large Hadron Collider (HL-LHC) způsobí potíže Nejrychlejší urychlovač částic d je ještě účinnějším nástrojem pro objevy.

Světelnost, původně definovaná pro charakterizaci jasu hvězdy, určuje, kolik srážek proběhne v urychlovači částic za jednotku času.V současné době se paprsky v LHC jen protínají, aby vytvořily možnost srážky částic; aby maximalizovali šanci na rozbití, vědci z Cockcroftu přispěli k experimentům s metodou zachycování krátkých svazků protonů dlouhých několik centimetrů a jejich házení do strany, aby zasáhly další svazek protonů čelně. Tyto „krabové dutiny“ mají potenciál zvýšit svítivost LHC o faktor 10; to zrychlí objev do takové míry, že 10 měsíců současné práce by bylo možné provést jen v jednom.

Tento vývoj bude také vyžadovat nové nástroje pro diagnostiku paprsků, které plně charakterizují výkonnější paprsky, protože stávající technologie už prostě nebudou fungovat. Moje skupina vyvíjí neinvazivní monitor na bázi plynových paprsků v úzké spolupráci s odborníky z CERN a GSI v Německu kvůli upgradu LHC – technologii, která je velkým příslibem i pro jiné vysokoenergetické a vysoce intenzivní urychlovače.

Další oblasti výzkumu mají za cíl učinit urychlovače kompaktnějšími, čímž se zjednoduší jejich provoz a sníží se jejich náklady. Mezinárodní spolupráce, jako jsou EuPRAXIA a AWAKE, zkoumají několik mechanismů, včetně plazmového zrychlení řízeného laserem a částicovým paprskem. V těchto schématech je plazma modulována takzvaným „hnacím paprskem“, který generuje extrémně vysoké gradienty elektrického pole v plazmě. Vstřikováním elektronového paprsku do oblastí s velmi vysokým elektrickým polem se ukázalo, že elektrony mohou být urychlovány na vysoké energie na vzdálenosti, které jsou 1000krát kratší, než je možné u konvenčních RF urychlovačů. Jedná se o velmi vzrušující vývoj, protože urychlovače, které dodávají vysoké energie při zachování malé fyzické „stopy“, by mohly přinést širší využití výzkumu a aplikací, které jsou v současné době možné pouze ve velkých zařízeních.

Dále v budoucnosti , ještě víceenergetický urychlovač (například Future Circular Collider, který zkoumají vědci z celého světa) bude vyžadovat pokrok v několika oblastech, včetně magnetů, supravodivých materiálů a kabelů, stejně jako detektorů a diagnostiky – to jsou všechny hnací síly inovací, které ukazují velký příslib pro použití v jiných, často neočekávaných oblastech. R & D do urychlovačů částic hnaly inovace již více než 100 let. Výsledkem byly aplikace s obrovskými výhodami pro společnost. Před námi je ještě slibnější budoucnost.

• Užijte si zbytek roku 2019 Physics World Focus on Instruments & Vakuum v našem digitálním časopise nebo prostřednictvím fyziky Světová aplikace pro jakýkoli smartphone nebo tablet se systémem iOS nebo Android.