Pasajeros en London’s El aeropuerto de Heathrow recibió una buena noticia recientemente cuando se anunció que, gracias a los nuevos escáneres de tomografía computarizada (TC) del aeropuerto, pronto podrán dejar de separar los líquidos y geles en su equipaje de mano mientras pasan por el control de seguridad. Los escáneres producen imágenes de rayos X tridimensionales de alta resolución en tiempo real, lo que facilita la detección rápida de explosivos, sin la necesidad de un proceso de detección por separado.

Este desarrollo fue ampliamente informado en los medios y Anunciado como una bendición para los viajeros y el personal de seguridad por igual. Lo que no se informó tan ampliamente, sin embargo, es que la imagen optimizada de equipaje y contenedores se ha logrado, en parte, mediante mejoras en los aceleradores que proporcionan los haces de electrones para r los escáneres. Estas mejoras han hecho que los equipos de escaneo sean más compactos, al tiempo que mejoran la calidad del haz de imágenes, y se basaron en el conocimiento que se ha adquirido, directa e indirectamente, de R & D en aceleradores de partículas utilizados para la investigación científica.

Detección de seguridad en tiempo real

En la tomografía computarizada, que sigue siendo la técnica de imágenes más utilizada para el equipaje, un haz de partículas (tradicionalmente rayos X , pero también podrían ser neutrones u otras partículas) se envía a través del objeto. Al medir el haz atenuado y luego repetir este proceso en pasos en un rango de 180 o 360 ˚, el sistema de imágenes produce un gráfico de sombras 2D de la muestra, revelando detalles de su estructura interna (dimensiones, forma, defectos internos, densidad y pronto). Estas imágenes transversales se reconstruyen utilizando proyecciones desde varias direcciones y se visualizan utilizando un software de renderizado de gráficos 3D. Luego, la imagen 3D se manipula y se corta de varias maneras para proporcionar una comprensión completa del objeto.

Aunque existen muchos algoritmos de reconstrucción, la mayoría se clasifica en una de dos categorías: retroproyección filtrada (FBP) y reconstrucción iterativa (IR). Ambos procedimientos dan resultados inexactos y existe una compensación entre la precisión y el tiempo de cálculo requerido. FBP demanda menos potencia de cálculo pero es menos preciso, mientras que IR generalmente produce menos artefactos (errores en la reconstrucción) a un costo de cálculo más alto. En ambos casos, el requisito de potencia informática significa que la mayoría de los escáneres tomográficos adquieren imágenes estáticas, no en movimiento. Mientras tanto, el gran tamaño y el costo sustancial de los aceleradores utilizados para crear los haces de partículas garantizan que, aunque la TC se utiliza habitualmente para escanear el equipaje de bodega, su uso más amplio en el control de seguridad es limitado.

Recientemente, sin embargo, real Han surgido escáneres tomográficos de tiempo (RTT) que reducen significativamente estos obstáculos. Los primeros modelos fueron relativamente lentos, ya que estaban montados en un pórtico y el escáner se movía alrededor de la bolsa, por lo general tomaba de 12 a 15 vistas. Sin embargo, la nueva generación de sistemas RTT no tiene partes móviles y es considerablemente más rápida.

No se ha revelado el fabricante de los escáneres CT de 50 millones de libras esterlinas de Heathrow, pero uno de los sistemas más avanzados está fabricado por una empresa con sede en EE. UU., Rapiscan, y fue desarrollado con el apoyo y la capacitación de científicos del Reino Unido. Laboratorio Daresbury (operado por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología). El sistema de escaneo de equipaje Rapiscan utiliza múltiples fuentes de rayos X. Una matriz estacionaria de microemisores de rayos X captura decenas de miles de vistas de una bolsa, generando imágenes con una resolución significativamente mejor en todos los planos que las imágenes de TC estándar. También se ha desarrollado un algoritmo de reconstrucción muy rápido para acelerar el proceso de selección, lo que permite facturar entre 1500 y 1800 bolsas por hora. Esto es muy importante para la industria del transporte. Los controles de seguridad en los aeropuertos y muelles constituyen un cuello de botella importante en los viajes y el comercio internacionales, y los objetos desconocidos pueden provocar grandes retrasos incluso cuando resultan inofensivos.

Equilibrar la calidad con la dosificación

Los fabricantes de aceleradores de partículas utilizados en equipos de control de seguridad no suelen Es necesario tener en cuenta la dosis de radiación impartida a las maletas, contenedores, etc. Por supuesto, esto no es cierto en las imágenes médicas, donde la dosis para el paciente es una consideración vital. En este campo, la tomografía computarizada se usa ampliamente debido a su alta calidad de imagen, pero investigaciones recientes sobre los efectos perjudiciales de dosis más altas de radiación han llamado la atención sobre una técnica alternativa conocida como tomosíntesis digital.

La tomosíntesis digital funciona mediante moviendo la fuente de rayos X alrededor del paciente y adquiriendo imágenes, como en la tomografía computarizada. Sin embargo, en lugar de una rotación completa de 360 ˚, el ángulo es mucho más pequeño. Esto reduce la dosis, pero el ángulo más pequeño significa que hay menos información disponible para la reconstrucción, lo que conduce a una menor calidad de imagen. Mover la fuente también crea artefactos inducidos por el movimiento en las imágenes.

Un esfuerzo de R & D en curso del grupo científico de aceleradores de la Universidad de Liverpool / Instituto Cockcroft (que yo dirijo) y una empresa con sede en el Reino Unido, Adaptix, tiene como objetivo diseñar un sistema de tomosíntesis digital ultracompacto de alta resolución que ofrecerá aplicaciones mejoradas de imágenes médicas con menos impacto en el paciente. Los nuevos diseños incluyen un sistema con múltiples fuentes de rayos X en diferentes posiciones y ángulos que reemplazan la única fuente móvil. Esto minimiza los artefactos inducidos por el movimiento, aunque también crea nuevos desafíos que todavía estamos investigando. La esperanza es que el dispositivo se convierta en un paso intermedio entre las radiografías planas estándar de dosis baja y los escáneres de TC más costosos, dando a los médicos la opción de una herramienta que combine imágenes 3D con una dosis de radiación más baja.

Vencer al cáncer antes

Un tercer ejemplo de transferencia de tecnología en la ciencia de los aceleradores se relaciona con el tratamiento del cáncer. Las terapias con haces de protones e iones son muy eficaces para tratar ciertos tipos de enfermedades y son un resultado directo de R & D en aceleradores de iones para aplicaciones científicas fundamentales. Hasta hace poco, solo había una instalación clínica que usaba haces de protones para el tratamiento del cáncer en el Reino Unido: el Clatterbridge Cancer Center en Wirral, donde se han utilizado protones de 60 MeV para tratar melanomas oculares durante más de 25 años. El primer centro de cáncer de haz de protones de alta energía en el Reino Unido abrió sus puertas en 2018 en el hospital Christie en Manchester, y actualmente se están construyendo más.

A diferencia de los rayos X utilizados en La tomografía computarizada y las radioterapias convencionales, los haces de iones y protones utilizados en los tratamientos contra el cáncer no atraviesan todo el cuerpo. En cambio, se detienen bruscamente a una profundidad determinada por su energía. Modulando la energía y la dirección del haz, los médicos pueden administrar una dosis homogénea de radiación sobre un volumen de tumor 3D sin afectar el tejido circundante sano. Con el fin de optimizar aún más la terapia con haz de iones, un esfuerzo internacional de R & D se ha centrado en el desarrollo de técnicas novedosas de haz y de imágenes del paciente, estudios de modelos mejorados de simulación física y biológica utilizando Monte Carlo. e investigación sobre el diseño y la optimización de las instalaciones para garantizar un tratamiento óptimo del paciente junto con la máxima eficiencia. Todos estos son estudios que se basan en investigaciones que originalmente se enfocaron en aceleradores para aplicaciones de ciencias fundamentales y muestran cómo las aplicaciones de salud pueden beneficiarse de una R & más general.

Los aceleradores que entregan altas energías mientras mantienen una pequeña «huella» física podrían llevar la investigación y las aplicaciones que actualmente solo son posibles en instalaciones a gran escala en un uso más amplio

Beneficios futuros

Estas son solo algunas de las formas en que R & D en aceleradores de partículas ha generado beneficios más amplios. Otros avances incluyen mejores técnicas de aprendizaje automático, robótica, nuevos materiales y avances en criogenia, manejo y análisis de datos y, por supuesto, la World Wide Web, que se desarrolló para experimentos de física de partículas en el CERN. Estas aplicaciones han cambiado nuestro mundo y creo que las futuras tecnologías derivadas tendrán el mismo impacto.

Una de las razones de mi optimismo es que la investigación en curso sobre la ciencia de los aceleradores promete innovaciones tecnológicas en varias áreas . La actualización de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones (HL-LHC), por ejemplo, hará que el mundo El colisionador de partículas de mayor energía de d es una herramienta aún más poderosa para los descubrimientos.

La luminosidad, originalmente definida para caracterizar el brillo de una estrella, determina cuántas colisiones tienen lugar en un colisionador de partículas por unidad de tiempo.Actualmente, los rayos del LHC simplemente se cruzan para crear la oportunidad de que las partículas choquen; Para maximizar la posibilidad de un aplastamiento, los científicos de Cockcroft han contribuido a experimentos con un método para capturar pequeños racimos de protones de unos pocos centímetros de largo y lanzarlos de lado para golpear a otro montón de protones de frente. Estas «cavidades de cangrejo» tienen el potencial de aumentar la luminosidad del LHC en un factor de 10; esto acelerará el descubrimiento a tal grado que 10 meses de trabajo actual podrían realizarse en solo uno.

Estos desarrollos también exigirán nuevas herramientas de diagnóstico de haces para caracterizar completamente los haces más potentes, ya que las tecnologías existentes simplemente ya no funcionarán. Mi grupo ha estado desarrollando un monitor no invasivo basado en chorros de gas en estrecha colaboración con expertos del CERN y GSI en Alemania para la actualización del LHC, una tecnología que se muestra muy prometedora también para otros aceleradores de alta energía y alta intensidad.

Otras líneas de investigación apuntan a hacer que los aceleradores sean más compactos, simplificando así su funcionamiento y reduciendo su Los costos. Colaboraciones internacionales como EuPRAXIA y AWAKE están investigando varios mecanismos, incluida la aceleración de plasma impulsada por rayos láser y partículas. En estos esquemas, un plasma es modulado por un llamado «rayo impulsor» que genera gradientes de campo eléctrico extremadamente altos en el plasma. Al inyectar un haz de electrones en regiones con un campo eléctrico muy alto, se ha demostrado que los electrones se pueden acelerar a altas energías en distancias que son 1000 veces más cortas de lo que es posible en los aceleradores de RF convencionales. Estos son desarrollos muy interesantes, ya que los aceleradores que entregan altas energías mientras mantienen una pequeña «huella» física podrían llevar la investigación y aplicaciones que actualmente solo son posibles en instalaciones a gran escala en un uso más amplio.

Más en el futuro. , un colisionador de energía aún mayor (como el Future Circular Collider que están estudiando investigadores de todo el mundo) requerirá avances en varias áreas, incluidos imanes, materiales y cables superconductores, así como detectores y diagnósticos, todos ellos impulsores de la innovación que muestran Gran promesa para su aplicación en otras áreas, a menudo inesperadas. La R & D en aceleradores de partículas ha impulsado la innovación durante más de 100 años. Esto ha dado lugar a aplicaciones con enormes beneficios para la sociedad. Se avecina un futuro aún más prometedor.

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