Passagerer i Londons Heathrow Airport fik nogle gode nyheder for nylig, da det blev meddelt, at de – takket være lufthavnens nye computertomografi (CT) -scannere – snart vil være i stand til at stoppe med at adskille væsker og geler i deres håndbagage, når de går igennem sikkerhed. scannere producerer tredimensionelle røntgenbilleder i høj opløsning i realtid, hvilket gør det lettere at opdage sprængstoffer hurtigt uden behov for en separat screeningproces.

Denne udvikling blev bredt rapporteret i medierne og indvarslet som en velsignelse for både rejsende og sikkerhedspersonale. Det, der ikke blev rapporteret så bredt, er imidlertid, at strømlinet billeddannelse af bagage og containere til dels er opnået ved forbedringer af acceleratorerne, der leverer elektronstrålerne til r scannerne. Disse forbedringer har gjort scanningsudstyr mere kompakt, samtidig med at kvaliteten af billedstrålen forbedres – og de var baseret på viden, der er erhvervet direkte og indirekte fra R & D til partikelacceleratorer anvendt til videnskabelig forskning.

Sikkerhedsscreening i realtid

I CT-scanning – stadig den mest udbredte billedbehandlingsteknik til bagage – en stråle af partikler (traditionelt røntgenstråler , men det kan også være neutroner eller andre partikler) sendes gennem objektet. Ved at måle den svækkede stråle og derefter gentage denne proces i trin over et 180- eller 360 ˚-område producerer billeddannelsessystemet et 2D-skyggebillede af prøven, der afslører detaljer om dens interne struktur (dimensioner, form, interne defekter, tæthed og snart). Disse tværsnitsbilleder rekonstrueres ved hjælp af fremskrivninger fra flere retninger og visualiseres ved hjælp af 3D-grafikgengivelsessoftware. 3D-billedet manipuleres og skæres derefter på forskellige måder for at give en grundig forståelse af objektet.

Selvom der findes mange rekonstruktionsalgoritmer, falder de fleste i en af to kategorier: filtreret tilbage projektion (FBP) og iterativ rekonstruktion (IR). Begge procedurer giver unøjagtige resultater, og der er en afvejning mellem nøjagtighed og beregningstid, der kræves. FBP kræver mindre computerkraft, men er mindre nøjagtig, mens IR generelt producerer færre artefakter (fejl i genopbygningen) til en højere beregningsomkostning. I begge tilfælde betyder computerkraftkravet, at de fleste tomografiske scannere erhverver statiske billeder, ikke i bevægelse. I mellemtiden sikrer den store størrelse og de betydelige omkostninger ved de acceleratorer, der bruges til at skabe partikelstrålerne, at skønt CT rutinemæssigt bruges til at scanne bagage, er dens bredere anvendelse i sikkerhedsscreening begrænset.

For nylig er det dog reelt -tomografiske (RTT) scannere er opstået, der reducerer disse forhindringer betydeligt. De første modeller var relativt langsomme, da de blev monteret på en portal, og scanneren blev bevæget rundt om posen og tog typisk 12 til 15 visninger. Den nye generation af RTT-systemer har dog ingen bevægelige dele og er betydeligt hurtigere.

Producenten af Heathrows CT-scannere på £ 50 mio. er ikke blevet offentliggjort, men et af de mest avancerede systemer er lavet af et amerikansk firma, Rapiscan, og blev udviklet med support og uddannelse fra forskere ved Storbritanniens Daresbury Laboratory (drives af Science and Technology Facilities Council). Rapiscan-bagagescanningssystemet bruger flere røntgenkilder. Et stationært udvalg af mikro-røntgenemitter fanger titusindvis af visninger af en pose og genererer billeder med betydeligt bedre opløsning i alle plan end standard CT-billeddannelse. En meget hurtig rekonstruktionsalgoritme er også udviklet til at fremskynde screeningsprocessen, hvilket gør det muligt at kontrollere 1500 til 1800 poser i timen. Dette er meget vigtigt for transportbranchen. Sikkerhedskontrol i lufthavne og dokker udgør en stor flaskehals i international rejse og handel, og ukendte genstande kan forårsage lange forsinkelser, selv når de viser sig at være harmløse.

Balancering af kvalitet med dosering

Producenterne af partikelacceleratorer, der anvendes i sikkerhedscreeningsudstyr, gør generelt ikke har brug for at overveje den strålingsdosis, der tilføres kufferterne, beholderne og så videre, der er afbildet. Dette er naturligvis ikke tilfældet i medicinsk billeddannelse, hvor dosis til patienten er en vigtig overvejelse. På dette felt anvendes CT-scanning i vid udstrækning på grund af dens høje billedkvalitet, men nyere forskning i de skadelige virkninger af højere strålingsdoser har gjort opmærksom på en alternativ teknik kendt som digital tomosyntese.

Digital tomosyntese fungerer af flytning af røntgenkilden rundt om patienten og erhvervelse af billeder, som i computertomografi. I stedet for en fuld 360 ˚ rotation er vinklen dog meget mindre. Dette reducerer dosis, men den mindre vinkel betyder, at der er mindre information tilgængelig til rekonstruktionen, hvilket fører til lavere billedkvalitet. Flytning af kilden skaber også bevægelsesinducerede artefakter i billederne.

En løbende R & D-indsats fra accelerator-videnskabsgruppen ved University of Liverpool / Cockcroft Institute (som jeg leder) og en britisk virksomhed, Adaptix, sigter mod at designe et ultrakompakt digitalt tomosyntese-system med høj opløsning, der tilbyder forbedrede medicinske billedbehandlingsapplikationer med mindre indflydelse på patienten. De nye designs inkluderer et system med flere røntgenkilder i forskellige positioner og vinkler, der erstatter den ene bevægelige kilde. Dette minimerer bevægelsesinducerede artefakter, selvom det også skaber nye udfordringer, som vi stadig undersøger. Håbet er, at enheden bliver et mellemliggende trin mellem standard, lavdosis plane røntgenstråler og dyrere CT-scannere, hvilket giver læger mulighed for et værktøj, der kombinerer 3D-billeddannelse med en lavere strålingsdosis.

At slå kræft hurtigere

Et tredje eksempel på teknologioverførsel inden for acceleratorvidenskab vedrører kræftbehandling. Proton- og ionstrålebehandlinger er meget effektive til behandling af visse typer sygdomme, og de er et direkte resultat fra R & D til ionacceleratorer til grundlæggende videnskabelige anvendelser. Indtil for nylig var der kun en klinisk facilitet, der brugte protonstråler til kræftbehandling i Storbritannien: Clatterbridge Cancer Center på Wirral, hvor 60 MeV-protoner er blevet brugt til behandling af okulære melanomer i mere end 25 år. Det første højenergi-protonstrålekræftcenter i Storbritannien åbnede sine døre i 2018 på Christie hospitalet i Manchester, og flere er i øjeblikket under opførelse.

I modsætning til de røntgenstråler, der anvendes i CT-scanning og konventionelle strålebehandlinger, proton- og ionstråler, der anvendes i kræftbehandling, passerer ikke hele kroppen. I stedet stopper de skarpt i en dybde, der bestemmes af deres energi. Ved at modulere strålens energi og retning kan klinikere levere en homogen dosis stråling over et 3D-tumorvolumen, mens de sparer sundt omgivende væv. For yderligere at optimere ionstrålebehandling har en international R & D-indsats fokuseret på udviklingen af nye stråle- og patientbilleddannelsesteknikker, undersøgelser af forbedrede biologiske og fysiske simuleringsmodeller ved hjælp af Monte Carlo koder og forskning i anlægsdesign og optimering for at sikre optimal patientbehandling sammen med maksimal effektivitet. Dette er alle studier, der bygger på forskning, der oprindeligt målrettede mod acceleratorer til grundlæggende videnskabelige applikationer og viser, hvordan sundhedsapplikationer kan drage fordel af mere generel R & D.

Acceleratorer, der leverer høje energier, samtidig med at de opretholder et lille fysisk “fodaftryk”, kan bringe forskning og applikationer, der i øjeblikket kun er mulige i større anlæg, til bredere brug

Fremtidige fordele

Dette er blot et par af de måder, som R & D på partikelacceleratorer har ført til større fordele. Andre fremskridt inkluderer bedre maskinlæringsteknikker, robotteknologi, nye materialer og fremskridt inden for kryogenik, datahåndtering og analyse – og selvfølgelig World Wide Web, som blev udviklet til partikelfysikeksperimenter på CERN. Disse applikationer har ændret vores verden, og jeg tror, at fremtidige spin-out-teknologier vil have lige så stor indflydelse.

En af grundene til min optimisme er, at den igangværende accelerator-science-forskning lover teknologiinnovationer inden for en række områder Den høje lysstyrkeopgradering af Large Hadron Collider (HL-LHC) vil f.eks. d’s højeste energi partikel kolliderer et endnu mere kraftfuldt værktøj til opdagelser.

Lysstyrke, oprindeligt defineret til at karakterisere lysstyrken på en stjerne, bestemmer, hvor mange kollisioner der finder sted i en partikelkollider pr. tidsenhed.I øjeblikket krydser bjælkerne i LHC bare for at skabe mulighed for partikler at kollidere; For at maksimere chancen for et smash har Cockcroft-forskere bidraget til eksperimenter med en metode til at fange korte bunker af protoner et par centimeter lange og smide dem sidelæns for at ramme en anden bunke protoner frontalt. Disse “krabbehulrum” har potentialet til at øge lysstyrken på LHC med en faktor 10, hvilket vil fremskynde opdagelsen i en sådan grad, at der kan udføres 10 måneders nuværende arbejde på kun én.

Denne udvikling vil også kræve nye strålediagnosticeringsværktøjer til fuldt ud at karakterisere de mere kraftfulde stråler, da eksisterende teknologier simpelthen ikke længere fungerer. Min gruppe har udviklet en ikke-invasiv gasstrålebaseret skærm i tæt samarbejde med eksperter fra CERN og GSI i Tyskland til LHC-opgraderingen – en teknologi, der også giver store løfter for andre højenergi- og højintensitetsacceleratorer.

Andre forskningsområder søger at gøre acceleratorer mere kompakte og derved forenkle deres drift og reducere Internationale samarbejder som EuPRAXIA og AWAKE undersøger adskillige mekanismer, herunder laser- og partikelstråledrevet plasmaacceleration. I disse ordninger moduleres et plasma af en såkaldt “drivstråle”, der genererer ekstremt høje elektriske feltgradienter i plasmaet. Ved at injicere en elektronstråle i regioner med et meget højt elektrisk felt er det vist, at elektroner kan accelereres til høje energier over afstande, der er 1000 gange kortere, end det er muligt i konventionelle RF-acceleratorer. Dette er meget spændende udvikling, da acceleratorer, der leverer høje energier, samtidig med at de opretholder et lille fysisk “fodaftryk”, kunne bringe forskning og applikationer, der i øjeblikket kun er mulige i store anlæg, i bredere brug.

Yderligere i fremtiden , en endnu højere energi-kollider (såsom Future Circular Collider, der undersøges af forskere over hele verden), vil kræve fremskridt inden for flere områder, herunder magneter, superledende materialer og kabler, såvel som detektorer og diagnostik – alle drivkræfter for innovation, der viser stort løfte om anvendelse i andre, ofte uventede områder. R & D til partikelacceleratorer har kørt innovation i mere end 100 år. Dette har resulteret i applikationer med enorme fordele for samfundet. En endnu mere lovende fremtid ligger foran os.

• Nyd resten af Physics World-fokus i 2019 på instrumenter & Støvsug i vores digitale magasin eller via Physics Verdensapp til enhver iOS- eller Android-smartphone eller tablet.