A londoni utasok A Heathrow repülőtér nemrégiben jó híreket kapott, amikor bejelentették, hogy – a repülőtér új számítógépes tomográfiai (CT) szkennereinek köszönhetően – hamarosan képesek lesznek abbahagyni a kézipoggyászukban lévő folyadékok és gélek elválasztását, amikor a biztonságot átélik. a szkennerek valós időben nagy felbontású, háromdimenziós röntgenképeket készítenek, megkönnyítve a robbanóanyagok gyors észlelését, külön szűrési eljárás nélkül.

Erről a fejleményről a média széles körben beszámolt és Az utazóknak és a biztonsági személyzetnek egyaránt jótékony hatással van beharangozva. Amiről azonban nem számoltak be olyan széles körben, az az, hogy a poggyász és a konténer korszerűbb képalkotását részben a gyorsítók fejlesztésével érték el, amelyek biztosítják az r a szkennerek. Ezek a fejlesztések kompaktabbá tették a szkennerberendezéseket, ugyanakkor javították a képsugár minőségét is – és azok az ismereteken alapultak, amelyeket közvetlenül és közvetve az R & D-től szereztek be tudományos kutatáshoz használt részecskegyorsítók.

Valós idejű biztonsági átvilágítás

A CT-vizsgálat során – még mindig a poggyász legelterjedtebben használt képalkotó technikája – részecskék (hagyományosan röntgensugarak) , de lehet neutron vagy más részecske is) az objektumon keresztül kerül. A csillapított fénysugár mérésével, majd a folyamat lépésekben történő megismételésével 180 vagy 360 ˚ tartományban a képalkotó rendszer 2D-s árnyékgráfot állít elő a mintáról, feltárva annak belső szerkezetének részleteit (méretek, forma, belső hibák, sűrűség és hamar). Ezeket a keresztmetszeti képeket több irányú vetületek felhasználásával rekonstruálják, és 3D grafikus megjelenítő szoftverrel vizualizálják. A 3D-s képet ezután különféle módszerekkel manipulálják és szeletelik az objektum alapos megértése érdekében.

Bár sok rekonstrukciós algoritmus létezik, a legtöbb a két kategória egyikébe tartozik: szűrt hátsó vetítés (FBP) és iteratív rekonstrukció. (IR). Mindkét eljárás pontatlan eredményt ad, és kompromisszum van a pontosság és a szükséges számítási idő között. Az FBP kevesebb számítási teljesítményt igényel, de kevésbé pontos, míg az IR általában kevesebb műtárgyat (hibák a rekonstrukcióban) magasabb számítási költség mellett. Mindkét esetben a számítási teljesítményigény azt jelenti, hogy a tomográfiai szkennerek többsége statikus, nem mozgó képeket szerez. Eközben a részecskesugarak létrehozásához használt gyorsítók nagy mérete és jelentős költségei biztosítják, hogy bár a CT-t rendszeresen használják a feladott poggyász átvizsgálására, szélesebb körű felhasználása a biztonsági átvilágításban korlátozott.

Az utóbbi időben azonban valódi – megjelentek az időbeli tomográfiai (RTT) szkennerek, amelyek jelentősen csökkentik ezeket az akadályokat. Az első modellek viszonylag lassúak voltak, mivel egy rakományra szerelték őket, és a szkennert a táska körül mozgatták, általában 12-15 nézetet. Az RTT rendszerek új generációjának azonban nincsenek mozgó alkatrészei, és lényegesen gyorsabbak.

A Heathrow 50 millió fontos CT-szkennereinek gyártója nem került nyilvánosságra, de az egyik legfejlettebb rendszert egy amerikai Rapiscan cég gyártja, és az Egyesült Királyság tudósainak támogatásával és képzésével fejlesztették ki. Daresbury laboratórium (a Tudományos és Technológiai Létesítmények Tanácsa üzemelteti). A Rapiscan poggyász-leolvasó rendszere több röntgenforrást használ. A mikro röntgensugárzók stacionárius tömbje több tízezer nézetet rögzít egy zacskóból, és lényegesen jobb felbontású képeket generál minden síkban, mint a szokásos CT képalkotás. Nagyon gyors rekonstrukciós algoritmust is kifejlesztettek a szűrési folyamat felgyorsítására, lehetővé téve óránként 1500–1800 zsák ellenőrzését. Ez rendkívül jelentős a közlekedési ipar számára. A repülőtereken és a dokkokon végzett biztonsági ellenőrzések jelentős szűk keresztmetszetet jelentenek a nemzetközi utazásban és kereskedelemben, és az ismeretlen tárgyak hosszú késéseket okozhatnak, még akkor is, ha ártalmatlannak bizonyulnak.

A minőség és az adagolás kiegyensúlyozása

A biztonsági átvilágító berendezésekben használt részecskegyorsítók gyártói általában nem figyelembe kell venni a bőröndök, konténerek és így tovább képzett sugárzási dózist. Ez természetesen nem igaz az orvosi képalkotásban, ahol a betegnek szánt adag létfontosságú szempont. Ezen a területen a CT szkennelést magas képminősége miatt széles körben használják, de a magasabb sugárzási dózisok káros hatásainak legújabb kutatásai felhívták a figyelmet egy alternatív technikára, amelyet digitális tomoszintézisnek neveznek.

A digitális tomoszintézis munkája a röntgenforrás mozgatása a páciens körül és képek gyűjtése, mint a számítógépes tomográfiában. A teljes 360 ° -os elfordulás helyett azonban a szög sokkal kisebb. Ez csökkenti az adagot, de a kisebb szög azt jelenti, hogy kevesebb információ áll rendelkezésre a rekonstrukcióhoz, ami rosszabb képminőséget eredményez. A forrás mozgatása mozgás által kiváltott műtárgyakat is létrehoz a képeken.

Folyamatos R & D erőfeszítés a Liverpooli Egyetem / Cockcroft Intézet gyorsító tudománycsoportja részéről. (amelyet én vezetek) és egy brit székhelyű Adaptix vállalat célja egy ultrakompakt, nagy felbontású digitális tomoszintézis rendszer megtervezése, amely továbbfejlesztett orvosi képalkotó alkalmazásokat kínál, kevésbé befolyásolva a beteget. Az új tervek tartalmaznak egy rendszert, amelyben több röntgenforrás van, különböző helyzetben és szögben, amelyek felváltják az egyetlen mozgó forrást. Ez minimalizálja a mozgás okozta műtárgyakat, bár új kihívásokat is jelent, amelyeket még vizsgálunk. A remény az, hogy a készülék közbenső lépés lesz a szokásos, alacsony dózisú planáris röntgensugarak és a drágább CT-szkennerek között, lehetővé téve az orvosok számára a 3D képalkotást alacsonyabb sugárzási dózissal ötvöző eszköz lehetőségét.

A rák hamarabb legyőzése

A technológiaátadás harmadik példája a gyorsító tudományban a rák kezelésére vonatkozik. A proton- és ionnyaláb-terápiák nagyon hatékonyan kezelik a betegség bizonyos típusait, és ezek közvetlen következményei az R & D iont gyorsítóknak az alapvető tudományos alkalmazásokhoz. Egészen a közelmúltig csak egy klinikai létesítmény volt, amely protonnyalábokat használt rák kezelésére az Egyesült Királyságban: a Watteren található Clatterbridge Cancer Center, ahol több mint 25 éve 60 MeV protont használtak a szem melanomájának kezelésére. Az Egyesült Királyság első nagy energiájú protonnyalábos rákközpontja 2018-ban nyitotta meg kapuit a manchesteri Christie kórházban, és jelenleg további építés alatt állnak.

Ellentétben az itt használt röntgensugarakkal A CT-vizsgálat és a rákkezelések során alkalmazott hagyományos sugárterápiák, proton- és ionnyalábok nem jutnak végig a testen. Ehelyett élesen megállnak az energiájuk által meghatározott mélységben. A sugár energiájának és irányának modulálásával a klinikusok homogén sugáradagot juttathatnak el a 3D tumor térfogatában, miközben kímélik az egészséges környező szöveteket. Az ionnyaláb-terápia további optimalizálása érdekében egy nemzetközi R & D erőfeszítés új sugár- és betegképalkotó technikák fejlesztésére összpontosított, továbbfejlesztett biológiai és fizikai szimulációs modellek tanulmányozására Monte Carlo segítségével kódok, valamint a létesítmény tervezésének és optimalizálásának kutatása az optimális betegkezelés és a maximális hatékonyság érdekében. Ezek mind olyan kutatásokra épülnek, amelyek eredetileg az alaptudományi alkalmazások gyorsítóit célozták meg, és megmutatják, hogy az egészségügyi alkalmazások milyen előnyökkel járhatnak az általánosabb R & D.

Azok a gyorsítók, amelyek nagy energiát szolgáltatnak, miközben megtartják a kis fizikai “lábnyomot”, szélesebb körű használatba vonhatják azokat a kutatásokat és alkalmazásokat, amelyek jelenleg csak nagyüzemi létesítményekben lehetségesek

Jövőbeni előnyök

Ez csak néhány azok közül a módszerek közül, amelyek szerint R & D a részecskegyorsítókon szélesebb körű előnyökhöz vezetett. További fejlemények közé tartoznak a jobb gépi tanulási technikák, a robotika, az új anyagok, valamint a kriogenika, az adatkezelés és az elemzés – és természetesen a világháló, amelyet a CERN részecskefizikai kísérleteire fejlesztettek ki. Ezek az alkalmazások megváltoztatták világunkat, és úgy gondolom, hogy a jövőbeli spin-out technológiáknak ugyanolyan hatása lesz.

Optimizmusom egyik oka, hogy a folyamatos gyorsító-tudományos kutatás számos területen technológiai újításokat ígér. Például a nagy hadronütköző (HL-LHC) nagy fényerejű frissítése megnehezíti a problémát. d legnagyobb energiájú részecskeütközője még hatékonyabb eszköz a felfedezésekhez.

A fényesség, amelyet eredetileg egy csillag fényességének jellemzésére határoztak meg, meghatározza, hogy hány rész ütközés történik egy részecskeütközőben időegységenként.Jelenleg az LHC gerendái éppen áthúzódnak, hogy lehetőséget teremtsenek a részecskék ütközésére; hogy a lehető legtöbbet hozza ki egy összetörésből, a Cockcroft tudósai hozzájárultak egy olyan kísérlethez, amelynek során rövid, néhány centiméter hosszú protoncsokrot fogtak be, és oldalra dobták őket, hogy frontálisan eltaláljanak egy másik protoncsokrot. Ezek a “ráküregek” 10-szeresére növelhetik az LHC fényerejét; ez olyan mértékben felgyorsítja a felfedezést, hogy 10 hónapos jelenlegi munkát csak egyben lehetne elvégezni.

Ezeknek a fejlesztéseknek új sugárdiagnosztikai eszközökre is szükségük lesz az erősebb nyalábok teljes körű jellemzésére, mivel a meglévő technológiák egyszerűen már nem fognak működni.Csoportom nem invazív gázsugaras alapú monitort fejlesztett ki szoros együttműködésben a CERN és a GSI szakértőivel Németországban az LHC frissítéshez – ez a technológia nagy ígéretet mutat más nagy energiájú és nagy intenzitású gyorsítókkal szemben is. Nemzetközi együttműködések, például az EuPRAXIA és az AWAKE számos mechanizmust vizsgálnak, beleértve a lézer- és részecskesugár által vezérelt plazma gyorsulást. Ezekben a sémákban a plazmát egy úgynevezett “meghajtó sugár” modulálja, amely generál rendkívül magas elektromos tér gradiensek a plazmában. Elektronnyaláb injektálásával olyan területekre, ahol nagyon nagy az elektromos tér, bebizonyosodott, hogy az elektronokat 1000-szer rövidebb távolságokon nagy energiákra lehet gyorsítani, mint ami a hagyományos RF-gyorsítóknál lehetséges. Ezek nagyon izgalmas fejlemények, mivel a gyors energiát szolgáltató, gyors energiát biztosító, ugyanakkor kis fizikai “lábnyom” fenntartása révén a jelenleg csak nagyüzemi létesítményekben lehetséges kutatások és alkalmazások szélesebb körű használatba kerülhetnek.

A jövőben tovább , egy még nagyobb energiájú ütköző (például a Future Circular Collider kutatása a világ kutatói által) több területen is előrelépést igényel, beleértve a mágneseket, a szupravezető anyagokat és kábeleket, valamint a detektorokat és a diagnosztikát – az innováció minden mozgatórugója, amely megmutatja nagy ígéret más, gyakran váratlan területeken történő alkalmazásra. Az R & D részecskegyorsítókba már több mint 100 éve hajtja az innovációt. Ez óriási előnyökkel jár a társadalom számára. Még ígéretesebb jövő áll előttünk.

• Élvezze a 2019-es fizikai világ többi részének középpontjában az eszközöket & Vákuum digitális magazinunkban vagy a Physics oldalán Világos alkalmazás bármilyen iOS vagy Android okostelefonhoz vagy táblagéphez.