Lontoon matkustajat Heathrow’n lentokenttä sai hyviä uutisia äskettäin, kun ilmoitettiin, että – lentokentän uusien tietokonetomografioiden (CT) ansiosta – ne pystyvät pian lopettamaan käsimatkatavaroidensa nesteiden ja geelien erottamisen turvallisuuden läpi. skannerit tuottavat korkean resoluution kolmiulotteisia röntgenkuvia reaaliajassa, mikä helpottaa räjähteiden havaitsemista nopeasti ilman erillistä seulontaprosessia.

Tästä kehityksestä raportoitiin laajasti tiedotusvälineissä ja Mitä niin laajasti ei kuitenkaan raportoitu, on se, että matkalaukkujen ja konttien virtaviivaistaminen on saavutettu osittain parantamalla kiihdyttimiä, jotka tarjoavat elektronisuihkut r skannerit. Nämä parannukset ovat tehneet skannauslaitteista pienemmät ja parantaneet myös kuvasäteen laatua – ja ne perustuivat tietoon, joka on hankittu suoraan ja epäsuorasti R & D: ltä tieteelliseen tutkimukseen käytetyt hiukkaskiihdyttimet.

Reaaliaikainen turvatarkastus

TT-skannauksessa – edelleen yleisimmin käytetty matkatavaroiden kuvantamistekniikka – hiukkassäde (perinteisesti röntgensäteet) , mutta se voi myös olla neutroneja tai muita hiukkasia) lähetetään kohteen läpi. Mittaamalla vaimennettu säde ja toistamalla tämä prosessi vaiheittain 180- tai 360 ˚ -alueella, kuvantamisjärjestelmä tuottaa näytteen 2D-varjokuvan, joka paljastaa yksityiskohdat sen sisäisestä rakenteesta (mitat, muoto, sisäiset viat, tiheys ja pian). Nämä poikkileikkauskuvat rekonstruoidaan useista suunnista tulevilla projektioilla ja visualisoidaan 3D-grafiikkaohjelmalla. 3D-kuvaa manipuloidaan ja leikataan sitten monin tavoin objektin perusteellisen ymmärtämisen aikaansaamiseksi.

Vaikka on olemassa monia jälleenrakennusalgoritmeja, useimmat kuuluvat kahteen luokkaan: suodatettu takaisinprojektio (FBP) ja iteratiivinen rekonstruktio. (IR). Molemmat menettelyt antavat epätarkkoja tuloksia, ja tarkkuuden ja vaaditun laskenta-ajan välillä on kompromissi. FBP vaatii vähemmän laskentatehoa, mutta on vähemmän tarkka, kun taas IR tuottaa yleensä vähemmän esineitä (virheitä rekonstruoinnissa) korkeammilla laskentakustannuksilla. Molemmissa tapauksissa laskentatehovaatimus tarkoittaa, että useimmat tomografiset skannerit hankkivat staattisia kuvia, ei liikkuvia. Samaan aikaan hiukkassäteiden luomiseen käytettyjen kiihdyttimien suuri koko ja huomattavat kustannukset varmistavat, että vaikka CT: tä käytetään rutiininomaisesti ruumaan menevien matkatavaroiden skannaamiseen, sen laajempi käyttö turvatarkastuksissa on rajallista.

Viime aikoina kuitenkin todellinen -Tomografiset skannerit (RTT) ovat tulleet esiin, jotka vähentävät merkittävästi näitä esteitä. Ensimmäiset mallit olivat suhteellisen hitaita, koska ne asennettiin lastauslaituriin ja skanneria siirrettiin pussin ympäri, yleensä 12-15 näkymää. Uuden sukupolven RTT-järjestelmissä ei kuitenkaan ole liikkuvia osia, ja ne ovat huomattavasti nopeampia.

Heathrow’n 50 miljoonan punnan TT-skannerien valmistajaa ei ole paljastettu, mutta yksi edistyneimmistä järjestelmistä on yhdysvaltalaisen Rapiscanin valmistama, ja se on kehitetty Ison-Britannian tutkijoiden tuella ja koulutuksella. Daresburyn laboratorio (ylläpitää tiede- ja teknologianeuvostoja). Rapiscan-matkatavaroiden skannausjärjestelmä käyttää useita röntgenlähteitä. Kiinteä mikroröntgensäteilijöiden joukko tallentaa kymmeniä tuhansia laukunäkymiä ja tuottaa kuvia huomattavasti paremmalla tarkkuudella kaikissa tasoissa kuin tavallinen CT-kuvantaminen. Seulontaprosessin nopeuttamiseksi on myös kehitetty erittäin nopea jälleenrakennusalgoritmi, jonka avulla on mahdollista tarkistaa 1500 – 1800 pussia tunnissa. Tämä on erittäin merkittävää liikenneteollisuudelle. Turvatarkastukset lentokentillä ja telakoilla ovat merkittävä pullonkaula kansainvälisessä matkustamisessa ja kaupassa, ja tuntemattomat esineet voivat aiheuttaa pitkiä viivästyksiä, vaikka ne osoittautuisivatkin vaarattomiksi.

Laadun ja annoksen tasapainottaminen

Turvatarkastuslaitteissa käytettävien hiukkaskiihdyttimien valmistajat eivät yleensä on otettava huomioon matkalaukkuihin, astioihin ja niin edelleen annettava säteilyannos. Tämä ei tietenkään pidä paikkaansa lääketieteellisessä kuvantamisessa, jossa potilaan annos on tärkeä näkökohta. Tällä alalla TT-skannausta käytetään laajalti korkean kuvanlaadunsa vuoksi, mutta viimeaikainen tutkimus suurempien säteilyannosten haitallisista vaikutuksista on kiinnittänyt huomiota vaihtoehtoiseen tekniikkaan, joka tunnetaan nimellä digitaalinen tomosynteesi.

Digitaalinen tomosynteesi toimii röntgenlähteen siirtäminen potilaan ympärille ja kuvien hankkiminen, kuten tietokonetomografiassa. Täyden 360 ˚ -kierron sijaan kulma on kuitenkin paljon pienempi. Tämä vähentää annosta, mutta pienempi kulma tarkoittaa, että rekonstruointiin on saatavilla vähemmän tietoa, mikä heikentää kuvan laatua. Lähteen siirtäminen luo myös kuvista liikkeen aiheuttamia esineitä.

Jatkuva R & D-työ, jonka kiihdytintieteellinen ryhmä Liverpoolin yliopistossa / Cockcroft-instituutissa (jota minä johdan) ja Isossa-Britanniassa sijaitsevan yrityksen, Adaptixin, tarkoituksena on suunnitella erittäin pienikokoinen, korkean resoluution digitaalinen tomosynteesijärjestelmä, joka tarjoaa parannettuja lääketieteellisiä kuvantamisohjelmia, joilla ei ole vähemmän vaikutusta potilaaseen. Uudet mallit sisältävät järjestelmän, jossa on useita röntgenlähteitä eri asennoissa ja kulmissa, jotka korvaavat yhden liikkuvan lähteen. Tämä minimoi liikkeen aiheuttamat artefaktit, vaikka se luo myös uusia haasteita, joita tutkimme edelleen. Toivon, että laitteesta tulee välivaihe tavallisten, pieniannoksisten tasomaisen röntgensäteen ja kalliimpien TT-skannerien välillä, mikä antaa lääkäreille mahdollisuuden käyttää työkalua, joka yhdistää 3D-kuvantamisen pienempään säteilyannokseen.

Syövän nopeampi voittaminen

Kolmas esimerkki kiihdytintekniikan teknologiansiirrosta liittyy syövän hoitoon. Protoni- ja ionisädehoidot ovat erittäin tehokkaita tietyntyyppisten sairauksien hoidossa, ja ne ovat suoria seurauksia R & D: stä ionikiihdyttimiin perustieteellisiin sovelluksiin. Viime aikoihin asti Yhdistyneessä kuningaskunnassa oli vain yksi kliininen laitos, joka käytti protonipalkkeja syövän hoidossa: Cliridbridgen syöpäkeskus Wirralissa, jossa 60 MeV-protonia on käytetty silmämelanoomien hoitoon yli 25 vuoden ajan. Ison-Britannian ensimmäinen korkean energian protonisuihkusyövän keskus avasi ovensa vuonna 2018 Manchesterin Christie-sairaalassa, ja muita rakennetaan parhaillaan.

Toisin kuin Suomessa käytettävät röntgensäteet TT-skannaus ja tavanomaiset syöpähoidoissa käytettävät sädehoidot, protoni- ja ionisäteet eivät kulje koko kehon läpi. Sen sijaan ne pysähtyvät voimakkaasti energiansa määrittelemässä syvyydessä. Moduloimalla säteen energiaa ja suuntaa, lääkärit voivat antaa homogeenisen säteilyannoksen 3D-kasvaimen tilavuudessa säästämällä terveellistä ympäröivää kudosta. Ionisädehoidon optimoimiseksi kansainvälinen R & D -toiminta on keskittynyt uusien säteen ja potilaan kuvantamistekniikoiden kehittämiseen, tutkimuksiin parannetuista biologisista ja fysikaalisista simulointimalleista käyttäen Monte Carloa koodit sekä tutkimus laitoksen suunnittelusta ja optimoinnista, jotta voidaan varmistaa potilaan optimaalinen hoito ja tehokkuus. Nämä kaikki ovat tutkimuksia, jotka perustuvat alun perin perustutkimuksen kiihdyttimiin kohdistuvaan tutkimukseen ja osoittavat, miten terveydenhuollon sovellukset voivat hyötyä yleisemmästä R & D.

Kiihdyttimet, jotka tuottavat paljon energiaa ja säilyttävät pienen fyysisen jalanjäljen, voivat tuoda nykyään vain suurissa tiloissa mahdollisia tutkimuksia ja sovelluksia laajempaan käyttöön

Tulevat hyödyt

Nämä ovat vain muutamia tapoja, joilla R & D hiukkaskiihdyttimissä Muita edistysaskeleita ovat mm. paremmat koneoppimistekniikat, robotiikka, uudet materiaalit sekä kryogeniikan, tiedonkäsittelyn ja analyysin edistysaskeleet – ja tietenkin CERN: n hiukkasten fysiikan kokeita varten kehitetty World Wide Web. Nämä sovellukset ovat muuttaneet maailmaamme, ja uskon, että tulevilla spin-out-tekniikoilla on yhtä suuri vaikutus.

Yksi syy optimismiini on, että jatkuva kiihdytintutkimus lupaa teknologiainnovaatioita useilla alueilla Esimerkiksi suuren Hadron Colliderin (HL-LHC) korkean valovoiman päivitys saa d: n suurimman energian hiukkasten törmäys on vieläkin tehokkaampi työkalu löytöihin.

Valovoima, joka määriteltiin alun perin tähtien kirkkauden kuvaamiseksi, määrittää kuinka monta törmäystä tapahtuu hiukkasten törmäyksessä aikayksikköä kohti.Tällä hetkellä LHC: n palkit vain risteävät luodakseen mahdollisuuden hiukkasille törmätä; Cockcroftin tutkijat ovat osallistuneet kokeisiin menetelmällä, jolla pyritään sieppaamaan muutaman senttimetrin pituiset lyhyet protonipalat ja heittämään ne sivuttain osumaan toiseen protonipalaan. Nämä ”rapuontelot” voivat lisätä LHC: n kirkkautta 10: llä; tämä nopeuttaa löytämistä siinä määrin, että 10 kuukautta nykyistä työtä voitaisiin tehdä vain yhdessä.

Tämä kehitys vaatii myös uusia sädediagnostiikkatyökaluja tehokkaampien säteiden täydelliseksi luonnehtimiseksi, koska nykyinen tekniikka ei yksinkertaisesti enää toimi.Ryhmäni on kehittänyt ei-invasiivista kaasusuihkupohjaista näyttöä läheisessä yhteistyössä CERNin ja GSI: n asiantuntijoiden kanssa. Saksassa LHC-päivitys – tekniikka, joka osoittaa suurta lupausta myös muille korkean energian ja korkean intensiteetin kiihdyttimille.

Muilla tutkimusalueilla pyritään tekemään kiihdyttimistä pienempiä, yksinkertaistamalla siten niiden toimintaa ja vähentämällä niiden kiihdytyksiä. Kansainväliset yhteistyöt, kuten EuPRAXIA ja AWAKE, tutkivat useita mekanismeja, mukaan lukien laser- ja hiukkassädeohjattu plasman kiihtyvyys. Näissä järjestelmissä plasmaa moduloi niin kutsuttu ”käyttöpalkki”, joka tuottaa erittäin korkeat sähkökentän gradientit plasmassa. Ruiskuttamalla elektronisuihku alueille, joilla on erittäin suuri sähkökenttä, on osoitettu, että elektroneja voidaan kiihdyttää suuriksi energioiksi 1000 kertaa lyhyemmillä etäisyyksillä kuin se on mahdollista tavanomaisissa RF-kiihdyttimissä. Tämä on erittäin jännittävää kehitystä, koska kiihdyttimet, jotka tuottavat paljon energiaa ja säilyttävät pienen fyysisen ”jalanjäljen”, voivat tuoda nykyään vain suurissa tiloissa mahdollisia tutkimuksia ja sovelluksia laajempaan käyttöön.

Tulevaisuudessa , vielä korkeamman energian törmäys (kuten Future Circular Collider, jota tutkivat tutkijat ympäri maailmaa) vaatii edistystä useilla aloilla, mukaan lukien magneetit, suprajohtavat materiaalit ja kaapelit sekä ilmaisimet ja diagnostiikka – kaikki innovaatioiden ajurit, jotka osoittavat suuri lupa soveltaa muilla, usein odottamattomilla alueilla. R & D hiukkaskiihdyttimiin on ollut innovaatioita yli 100 vuoden ajan. Tämä on johtanut sovelluksiin, joista on valtavasti hyötyä yhteiskunnalle. Edessä on vielä lupaavampi tulevaisuus.

• Nauti loppuvuodesta 2019 fysiikan maailmassa keskittyen instrumentteihin & Tyhjiö digitaalisessa lehdessämme tai fysiikan kautta Maailmasovellus mihin tahansa iOS- tai Android-älypuhelimeen tai -tablet-laitteeseen.