Passeggeri a Londra L’aeroporto di Heathrow ha ricevuto una buona notizia di recente quando è stato annunciato che, grazie ai nuovi scanner per tomografia computerizzata (TC) dell’aeroporto, presto saranno in grado di smettere di separare i liquidi e i gel nel bagaglio a mano durante i controlli di sicurezza. gli scanner producono immagini a raggi X tridimensionali ad alta risoluzione in tempo reale, rendendo più facile rilevare rapidamente gli esplosivi, senza la necessità di un processo di screening separato.

Questo sviluppo è stato ampiamente riportato dai media e annunciato come un vantaggio sia per i viaggiatori che per il personale di sicurezza. Ciò che non è stato ampiamente riportato, tuttavia, è che l’imaging semplificato di bagagli e contenitori è stato ottenuto, in parte, da miglioramenti agli acceleratori che forniscono i fasci di elettroni per r gli scanner. Questi miglioramenti hanno reso le apparecchiature di scansione più compatte, migliorando nel contempo la qualità del fascio di immagini – e si basavano sulla conoscenza che è stata acquisita, direttamente e indirettamente, da R & D in acceleratori di particelle utilizzati per la ricerca scientifica.

Screening di sicurezza in tempo reale

Nella scansione TC, ancora la tecnica di imaging più utilizzata per i bagagli, un raggio di particelle (tradizionalmente raggi X , ma potrebbe anche essere neutroni o altre particelle) viene inviato attraverso l’oggetto. Misurando il raggio attenuato e quindi ripetendo questo processo in fasi su un intervallo di 180 o 360 ˚, il sistema di imaging produce un’ombra grafica 2D del campione, rivelando i dettagli della sua struttura interna (dimensioni, forma, difetti interni, densità e presto). Queste immagini in sezione trasversale vengono ricostruite utilizzando proiezioni da diverse direzioni e visualizzate utilizzando un software di rendering grafico 3D. L’immagine 3D viene quindi manipolata e suddivisa in vari modi per fornire una comprensione approfondita dell’oggetto.

Sebbene esistano molti algoritmi di ricostruzione, la maggior parte rientra in una delle due categorie: proiezione posteriore filtrata (FBP) e ricostruzione iterativa (IR). Entrambe le procedure danno risultati inesatti e c’è un compromesso tra accuratezza e tempo di calcolo richiesto. FBP richiede meno potenza di calcolo ma è meno preciso, mentre l’IR generalmente produce meno artefatti (errori nella ricostruzione) a un costo di elaborazione più elevato. In entrambi i casi, il requisito di potenza di calcolo significa che la maggior parte degli scanner tomografici acquisisce immagini statiche, non quelle in movimento. Nel frattempo, le grandi dimensioni e il costo sostanziale degli acceleratori utilizzati per creare i fasci di particelle garantiscono che, sebbene la TC sia abitualmente utilizzata per scansionare i bagagli da stiva, il suo uso più ampio nei controlli di sicurezza è limitato.

Recentemente, tuttavia, reale sono emersi scanner tomografici temporali (RTT) che riducono significativamente questi ostacoli. I primi modelli erano relativamente lenti, poiché erano montati su un gantry e lo scanner veniva spostato intorno alla borsa, in genere con 12-15 visualizzazioni. Tuttavia, la nuova generazione di sistemi RTT non ha parti mobili e sono notevolmente più veloci.

Il produttore degli scanner CT di Heathrow da 50 milioni di sterline non è stato divulgato, ma uno dei sistemi più avanzati è realizzato da una società con sede negli Stati Uniti, Rapiscan, ed è stato sviluppato con il supporto e la formazione di scienziati del Regno Unito Daresbury Laboratory (gestito dal Science and Technology Facilities Council). Il sistema di scansione dei bagagli Rapiscan utilizza più sorgenti di raggi X. Una serie fissa di micro emettitori di raggi X cattura decine di migliaia di viste di una borsa, generando immagini con una risoluzione significativamente migliore su tutti i piani rispetto alla TC standard. È stato inoltre sviluppato un algoritmo di ricostruzione molto veloce per velocizzare il processo di vagliatura, consentendo di controllare da 1500 a 1800 sacchi l’ora. Questo è estremamente significativo per l’industria dei trasporti. I controlli di sicurezza negli aeroporti e nei moli costituiscono un grave collo di bottiglia nei viaggi e nel commercio internazionale e gli oggetti sconosciuti possono causare lunghi ritardi anche quando risultano innocui.

Bilanciamento della qualità con il dosaggio

I produttori di acceleratori di particelle utilizzati nelle apparecchiature di screening di sicurezza generalmente non è necessario considerare la dose di radiazioni impartita alle valigie, ai contenitori e così via da riprendere. Questo, ovviamente, non è vero nell’imaging medico, dove la dose per il paziente è una considerazione vitale. In questo campo, la scansione TC è ampiamente utilizzata a causa della sua elevata qualità dell’immagine, ma recenti ricerche sugli effetti dannosi di dosi di radiazioni più elevate hanno attirato l’attenzione su una tecnica alternativa nota come tomosintesi digitale.

La tomosintesi digitale funziona da spostare la sorgente di raggi X attorno al paziente e acquisire immagini, come nella tomografia computerizzata. Tuttavia, invece di una rotazione completa di 360 °, l’angolo è molto più piccolo. Ciò riduce la dose, ma l’angolo più piccolo significa che sono disponibili meno informazioni per la ricostruzione, con conseguente minore qualità dell’immagine. Lo spostamento della sorgente crea anche artefatti indotti dal movimento nelle immagini.

Uno sforzo R & D in corso da parte dell’accelerator science group dell’Università di Liverpool / Cockcroft Institute (di cui sono responsabile) e una società con sede nel Regno Unito, Adaptix, mira a progettare un sistema di tomosintesi digitale ultracompatto e ad alta risoluzione che offrirà applicazioni di imaging medico avanzate con un impatto minore sul paziente. I nuovi design includono un sistema con più sorgenti di raggi X in diverse posizioni e angoli che sostituiscono l’unica sorgente in movimento. Ciò riduce al minimo gli artefatti indotti dal movimento, sebbene crei anche nuove sfide che stiamo ancora studiando. La speranza è che il dispositivo diventi un passaggio intermedio tra i raggi X planari standard a basso dosaggio e gli scanner TC più costosi, offrendo ai medici l’opzione di uno strumento che combina l’imaging 3D con una dose di radiazioni inferiore.

Combattere il cancro prima

Un terzo esempio di trasferimento tecnologico nella scienza degli acceleratori riguarda il trattamento del cancro. Le terapie con fasci di protoni e ioni sono molto efficaci nel trattamento di alcuni tipi di malattia e sono il risultato diretto di R & D in acceleratori ionici per applicazioni scientifiche fondamentali. Fino a poco tempo fa, nel Regno Unito esisteva solo una struttura clinica che utilizzava fasci di protoni per il trattamento del cancro: il Clatterbridge Cancer Center sul Wirral, dove protoni da 60 MeV sono stati utilizzati per trattare i melanomi oculari da oltre 25 anni. Il primo centro oncologico a fascio di protoni ad alta energia nel Regno Unito ha aperto i battenti nel 2018 presso l’ospedale Christie di Manchester e altri sono attualmente in costruzione.

A differenza dei raggi X utilizzati in La TC e le radioterapie convenzionali, i fasci di protoni e ionici utilizzati nei trattamenti contro il cancro non passano completamente attraverso il corpo. Invece, si fermano bruscamente a una profondità determinata dalla loro energia. Modulando l’energia e la direzione del raggio, i medici possono erogare una dose omogenea di radiazioni su un volume tumorale 3D risparmiando il tessuto circostante sano. Al fine di ottimizzare ulteriormente la terapia con fasci ionici, uno sforzo internazionale R & D si è concentrato sullo sviluppo di nuove tecniche di imaging del paziente e del fascio, studi su modelli di simulazione biologica e fisica migliorati utilizzando Monte Carlo codici e ricerca nella progettazione e ottimizzazione della struttura per garantire un trattamento ottimale del paziente insieme alla massima efficienza. Questi sono tutti studi che si basano su ricerche che originariamente avevano come obiettivo gli acceleratori per applicazioni scientifiche fondamentali e mostrano come le applicazioni sanitarie possono trarre vantaggio da una R & D.

Gli acceleratori che forniscono energie elevate pur mantenendo un “ingombro” fisico ridotto potrebbero portare a un uso più ampio la ricerca e le applicazioni attualmente possibili solo presso strutture su larga scala

Vantaggi futuri

Questi sono solo alcuni dei modi in cui R & D sugli acceleratori di particelle ha portato a vantaggi più ampi. Altri progressi includono migliori tecniche di apprendimento automatico, robotica, nuovi materiali e progressi nella criogenia, nella gestione e nell’analisi dei dati e, naturalmente, nel World Wide Web, che è stato sviluppato per esperimenti di fisica delle particelle al CERN. Queste applicazioni hanno cambiato il nostro mondo e credo che le future tecnologie spin-out avranno lo stesso impatto.

Una delle ragioni del mio ottimismo è che la continua ricerca scientifica sugli acceleratori promette innovazioni tecnologiche in una serie di aree . L’aggiornamento ad alta luminosità del Large Hadron Collider (HL-LHC), ad esempio, renderà il mondo Il collisore di particelle a più alta energia d è uno strumento ancora più potente per le scoperte.

La luminosità, originariamente definita per caratterizzare la luminosità di una stella, determina quante collisioni avvengono in un collisore di particelle per unità di tempo.Attualmente, i fasci nell’LHC si incrociano per creare l’opportunità di collisione tra le particelle; per massimizzare la possibilità di uno schianto, gli scienziati di Cockcroft hanno contribuito a esperimenti con un metodo per catturare brevi mazzi di protoni lunghi pochi centimetri e lanciarli lateralmente per colpire un altro gruppo di protoni frontalmente. Queste “cavità di granchio” hanno il potenziale per aumentare la luminosità dell’LHC di un fattore 10; questo accelererà la scoperta a tal punto che 10 mesi di lavoro corrente potrebbero essere fatti in uno solo.

Questi sviluppi richiederanno anche nuovi strumenti di diagnostica del fascio per caratterizzare completamente i fasci più potenti, poiché le tecnologie esistenti semplicemente non funzioneranno più. Il mio gruppo ha sviluppato un monitor a getto di gas non invasivo in stretta collaborazione con esperti del CERN e GSI in Germania per l’aggiornamento LHC, una tecnologia che mostra grandi promesse anche per altri acceleratori ad alta energia e ad alta intensità.

Altri filoni di ricerca mirano a rendere gli acceleratori più compatti, semplificandone così il funzionamento e riducendone costi. Collaborazioni internazionali come EuPRAXIA e AWAKE stanno studiando diversi meccanismi, tra cui l’accelerazione del plasma guidata da fascio di particelle e laser. In questi schemi, un plasma è modulato da un cosiddetto “fascio di guida” che genera gradienti di campo elettrico estremamente elevati nel plasma. Iniettando un fascio di elettroni in regioni con un campo elettrico molto elevato, è stato dimostrato che gli elettroni possono essere accelerati ad energie elevate su distanze che sono 1000 volte più brevi di quanto sia possibile negli acceleratori RF convenzionali. Si tratta di sviluppi molto eccitanti, poiché gli acceleratori che erogano energie elevate pur mantenendo una piccola “impronta” fisica potrebbero portare a un uso più ampio la ricerca e le applicazioni che sono attualmente possibili solo presso strutture su larga scala.

Ulteriori in futuro , un collisore a energia ancora più elevata (come il Future Circular Collider studiato dai ricercatori di tutto il mondo) richiederà progressi in diverse aree, tra cui magneti, materiali e cavi superconduttori, nonché rilevatori e diagnostica – tutti driver di innovazione che mostrano grande promessa per l’applicazione in altre aree, spesso inaspettate. R & D in acceleratori di particelle ha guidato l’innovazione per oltre 100 anni. Ciò ha portato ad applicazioni con enormi vantaggi per la società. Ci aspetta un futuro ancora più promettente.

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