L’aéroport d’Heathrow a récemment reçu de bonnes nouvelles lorsqu’il a été annoncé que – grâce aux nouveaux scanners de tomographie informatisée (CT) de l’aéroport – ils seront bientôt en mesure de cesser de séparer les liquides et les gels dans leurs bagages à main pendant qu’ils passent le contrôle de sécurité. Les scanners produisent des images radiographiques tridimensionnelles haute résolution en temps réel, ce qui facilite la détection rapide des explosifs, sans avoir besoin d’un processus de dépistage séparé.

Ce développement a été largement rapporté dans les médias et annoncée comme une aubaine pour les voyageurs et le personnel de sécurité. Ce qui n’a pas été si largement rapporté, cependant, c’est que l’imagerie rationalisée des bagages et des conteneurs a été obtenue, en partie, grâce à des améliorations des accélérateurs qui fournissent les faisceaux d’électrons pour r les scanners. Ces améliorations ont rendu l’équipement de numérisation plus compact, tout en améliorant la qualité du faisceau d’imagerie – et elles étaient basées sur des connaissances acquises, directement et indirectement, de R & D en accélérateurs de particules utilisés pour la recherche scientifique.

Contrôle de sécurité en temps réel

En tomodensitométrie – toujours la technique d’imagerie la plus utilisée pour les bagages – un faisceau de particules (traditionnellement des rayons X , mais il peut également s’agir de neutrons ou d’autres particules) est envoyé à travers l’objet. En mesurant le faisceau atténué, puis en répétant ce processus par étapes sur une plage de 180 ou 360 ˚, le système d’imagerie produit un shadowgraph 2D de l’échantillon, révélant les détails de sa structure interne (dimensions, forme, défauts internes, densité et bientôt). Ces images en coupe sont reconstruites à l’aide de projections dans plusieurs directions et visualisées à l’aide d’un logiciel de rendu graphique 3D. L’image 3D est ensuite manipulée et découpée de différentes manières pour fournir une compréhension approfondie de l’objet.

Bien que de nombreux algorithmes de reconstruction existent, la plupart tombent dans l’une des deux catégories suivantes: rétroprojection filtrée (FBP) et reconstruction itérative (IR). Les deux procédures donnent des résultats inexacts et il y a un compromis entre la précision et le temps de calcul requis. Le FBP demande moins de puissance de calcul mais est moins précis, tandis que l’IR produit généralement moins d’artefacts (erreurs de reconstruction) à un coût de calcul plus élevé. Dans les deux cas, la puissance de calcul requise signifie que la plupart des scanners tomographiques acquièrent des images statiques et non des images en mouvement. Pendant ce temps, la grande taille et le coût substantiel des accélérateurs utilisés pour créer les faisceaux de particules garantissent que, bien que la tomodensitométrie soit couramment utilisée pour scanner les bagages de soute, son utilisation plus large dans le contrôle de sécurité est limitée.

Récemment, cependant, réel des scanners de tomographie temporelle (RTT) ont vu le jour, qui réduisent considérablement ces obstacles. Les premiers modèles étaient relativement lents, car ils étaient montés sur un portique et le scanner était déplacé autour du sac, prenant généralement 12 à 15 vues. Cependant, la nouvelle génération de systèmes RTT n’a pas de pièces mobiles et est considérablement plus rapide.

Le fabricant des scanners CT de 50 millions de livres sterling d’Heathrow n’a pas été divulgué, mais l’un des systèmes les plus avancés est fabriqué par une société américaine, Rapiscan, et a été développé avec le soutien et la formation de scientifiques britanniques. Laboratoire de Daresbury (géré par le Science and Technology Facilities Council). Le système de numérisation des bagages Rapiscan utilise plusieurs sources de rayons X. Un réseau stationnaire de micro-émetteurs de rayons X capture des dizaines de milliers de vues d’un sac, générant des images avec une résolution nettement meilleure dans tous les plans que l’imagerie CT standard. Un algorithme de reconstruction très rapide a également été développé pour accélérer le processus de criblage, permettant de contrôler 1500 à 1800 sacs par heure. C’est extrêmement important pour l’industrie des transports. Les contrôles de sécurité dans les aéroports et les quais constituent un goulot d’étranglement majeur dans les voyages et le commerce internationaux, et des objets inconnus peuvent entraîner de longs retards même lorsqu’ils s’avèrent inoffensifs.

Equilibrer la qualité avec le dosage

Les fabricants d’accélérateurs de particules utilisés dans les équipements de contrôle de sécurité ne le font généralement pas il faut tenir compte de la dose de rayonnement transmise aux valises, aux conteneurs, etc. Ce n’est bien sûr pas vrai en imagerie médicale, où la dose au patient est une considération vitale. Dans ce domaine, la tomodensitométrie est largement utilisée en raison de sa haute qualité d’image, mais des recherches récentes sur les effets néfastes des doses de rayonnement plus élevées ont attiré l’attention sur une technique alternative connue sous le nom de tomosynthèse numérique.

La tomosynthèse numérique fonctionne par déplacer la source de rayons X autour du patient et acquérir des images, comme en tomographie informatisée. Cependant, au lieu d’une rotation complète de 360 °, l’angle est beaucoup plus petit. Cela réduit la dose, mais l’angle plus petit signifie que moins d’informations sont disponibles pour la reconstruction, ce qui entraîne une qualité d’image inférieure. Le déplacement de la source crée également des artefacts induits par le mouvement dans les images.

Un effort continu de R & D par le groupe scientifique des accélérateurs de l’Université de Liverpool / Cockcroft Institute (que je dirige) et une société basée au Royaume-Uni, Adaptix, vise à concevoir un système de tomosynthèse numérique ultra-compact et haute résolution qui offrira des applications d’imagerie médicale améliorées avec moins d’impact sur le patient. Les nouvelles conceptions incluent un système avec plusieurs sources de rayons X à différentes positions et angles qui remplacent la source en mouvement. Cela minimise les artefacts induits par le mouvement, bien que cela crée également de nouveaux défis que nous étudions toujours. L’espoir est que l’appareil deviendra une étape intermédiaire entre les radiographies planaires standard à faible dose et les scanners CT plus coûteux, offrant aux médecins l’option d’un outil qui combine l’imagerie 3D avec une dose de rayonnement plus faible.

Vaincre le cancer plus tôt

Un troisième exemple de transfert de technologie dans la science des accélérateurs concerne le traitement du cancer. Les thérapies à protons et à faisceaux d’ions sont très efficaces pour traiter certains types de maladies, et elles sont le résultat direct de R & D en accélérateurs d’ions pour des applications scientifiques fondamentales. Jusqu’à récemment, il n’y avait qu’une seule installation clinique utilisant des faisceaux de protons pour le traitement du cancer au Royaume-Uni: le Clatterbridge Cancer Center sur le Wirral, où des protons de 60 MeV sont utilisés pour traiter les mélanomes oculaires depuis plus de 25 ans. Le premier centre de cancérologie à faisceau de protons à haute énergie au Royaume-Uni a ouvert ses portes en 2018 à l’hôpital Christie de Manchester, et d’autres sont actuellement en construction.

Contrairement aux rayons X utilisés dans La tomodensitométrie et les radiothérapies conventionnelles, les faisceaux de protons et d’ions utilisés dans les traitements du cancer ne traversent pas tout le corps. Au lieu de cela, ils s’arrêtent brusquement à une profondeur déterminée par leur énergie. En modulant l’énergie et la direction du faisceau, les cliniciens peuvent délivrer une dose homogène de rayonnement sur un volume tumoral 3D tout en épargnant les tissus sains environnants. Afin d’optimiser davantage la thérapie par faisceau ionique, un effort international de R & D s’est concentré sur le développement de nouvelles techniques d’imagerie des faisceaux et des patients, des études sur des modèles de simulation biologique et physique améliorés utilisant Monte Carlo codes, et la recherche sur la conception et l’optimisation des installations pour assurer un traitement optimal des patients avec une efficacité maximale. Ce sont toutes des études qui s’appuient sur des recherches qui ciblaient à l’origine les accélérateurs pour les applications de la science fondamentale et montrent comment les applications de santé peuvent bénéficier de R & D.

Les accélérateurs qui fournissent des énergies élevées tout en conservant une petite «empreinte» physique pourraient permettre une utilisation plus large de la recherche et des applications qui ne sont actuellement possibles que dans des installations à grande échelle

Avantages futurs

Ce ne sont là que quelques-unes des façons dont R & D sur les accélérateurs de particules Parmi les autres avancées, citons de meilleures techniques d’apprentissage automatique, la robotique, les nouveaux matériaux et les progrès de la cryogénie, du traitement et de l’analyse des données – et, bien sûr, le World Wide Web, qui a été développé pour les expériences de physique des particules au CERN. Ces applications ont changé notre monde et je pense que les futures technologies dérivées auront tout autant d’impact.

Une des raisons de mon optimisme est que la recherche en cours sur les accélérateurs promet des innovations technologiques dans un certain nombre de domaines La mise à niveau de haute luminosité du grand collisionneur de hadrons (HL-LHC), par exemple, rendra le monde Le collisionneur de particules d’énergie la plus élevée de ce dernier est un outil encore plus puissant pour les découvertes.

La luminosité, définie à l’origine pour caractériser la luminosité d’une étoile, détermine le nombre de collisions qui se produisent dans un collisionneur de particules par unité de temps.Actuellement, les faisceaux du LHC se croisent simplement pour créer une opportunité pour les particules d’entrer en collision; Pour maximiser les chances d’un fracas, les scientifiques de Cockcroft ont contribué à des expériences avec une méthode de capture de petits paquets de protons de quelques centimètres de long et de les jeter sur le côté pour frapper un autre groupe de protons de front. Ces « cavités de crabe » ont le potentiel d’augmenter la luminosité du LHC d’un facteur 10, ce qui accélérera la découverte à un point tel que 10 mois de travaux actuels pourraient être réalisés en un seul.

Ces développements nécessiteront également de nouveaux outils de diagnostic de faisceau pour caractériser pleinement les faisceaux les plus puissants, car les technologies existantes ne fonctionneront tout simplement plus. Mon groupe a développé un moniteur non invasif à jet de gaz en étroite collaboration avec des experts du CERN et du GSI en Allemagne pour la mise à niveau du LHC – une technologie très prometteuse également pour d’autres accélérateurs à haute énergie et à haute intensité.

D’autres axes de recherche visent à rendre les accélérateurs plus compacts, simplifiant ainsi leur fonctionnement et réduisant leur Des collaborations internationales telles qu’EuPRAXIA et AWAKE étudient plusieurs mécanismes, y compris l’accélération du plasma par laser et faisceau de particules. Dans ces schémas, un plasma est modulé par un soi-disant «faisceau d’entraînement» qui génère gradients de champ électrique extrêmement élevés dans le plasma. En injectant un faisceau d’électrons dans des régions à champ électrique très élevé, il a été montré que les électrons peuvent être accélérés à des énergies élevées sur des distances 1000 fois plus courtes que ce qui est possible dans les accélérateurs RF conventionnels. Ce sont des développements très excitants, car les accélérateurs qui fournissent des énergies élevées tout en conservant une petite «empreinte» physique pourraient amener des recherches et des applications qui ne sont actuellement possibles que dans des installations à grande échelle à une utilisation plus large.

Plus loin dans le futur , un collisionneur à énergie encore plus élevée (comme le Future Circular Collider étudié par des chercheurs du monde entier) nécessitera des avancées dans plusieurs domaines, notamment les aimants, les matériaux et câbles supraconducteurs, ainsi que des détecteurs et des diagnostics – autant de moteurs de l’innovation qui montrent très prometteur pour une application dans d’autres domaines, souvent inattendus. R & D dans les accélérateurs de particules est le moteur de l’innovation depuis plus de 100 ans. Cela a abouti à des applications présentant d’énormes avantages pour la société. Un avenir encore plus prometteur nous attend.

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