ロンドンの乗客ヒースロー空港は最近、空港の新しいコンピューター断層撮影（CT）スキャナーのおかげで、機内持ち込み手荷物の液体とゲルの分離を間もなく停止できるようになると発表されたときに、いくつかの良いニュースを受け取りました。スキャナーは、高解像度の3次元X線画像をリアルタイムで生成するため、個別のスクリーニングプロセスを必要とせずに、爆発物をすばやく簡単に検出できます。

この開発は、メディアやメディアで広く報道されました。旅行者とセキュリティスタッフの両方に恩恵をもたらすと言われていますが、それほど広く報告されていないのは、電子ビームを提供する加速器の改善によって、荷物とコンテナの合理化されたイメージングが部分的に達成されたことです。 rスキャナー。これらの改善により、スキャン装置がよりコンパクトになり、イメージングビームの品質も向上しました。これらは、R & Dから直接的および間接的に取得された知識に基づいています。科学研究に使用される粒子加速器。

リアルタイムのセキュリティスクリーニング

CTスキャンでは、依然として最も広く使用されている荷物の画像技術である粒子のビーム（従来はX線） 、ただし、中性子または他の粒子である可能性もあります）がオブジェクトを介して送信されます。減衰したビームを測定し、180°または360°の範囲でこのプロセスを段階的に繰り返すことにより、イメージングシステムは、試料の2Dシャドウグラフを生成し、その内部構造の詳細（寸法、形状、内部欠陥、密度、およびなど）。これらの断面画像は、いくつかの方向からの投影を使用して再構築され、3Dグラフィックスレンダリングソフトウェアを使用して視覚化されます。次に、3D画像をさまざまな方法で操作およびスライスして、オブジェクトを完全に理解します。

多くの再構成アルゴリズムが存在しますが、ほとんどはフィルターバックプロジェクション（FBP）と反復再構成の2つのカテゴリのいずれかに分類されます。 （IR）。どちらの手順でも不正確な結果が得られ、精度と必要な計算時間の間にはトレードオフがあります。 FBPはより少ない計算能力を要求しますが、精度は低くなりますが、IRは一般に、より高い計算コストでより少ないアーティファクト（再構築のエラー）を生成します。どちらの場合も、計算能力の要件は、ほとんどの断層撮影スキャナーが移動画像ではなく静止画像を取得することを意味します。一方、粒子ビームの作成に使用される加速器のサイズが大きく、コストが高いため、CTは手荷物のスキャンに日常的に使用されていますが、セキュリティスクリーニングでの幅広い使用は制限されています。

ただし、最近では実際の-これらの障害を大幅に軽減するタイムトモグラフィー（RTT）スキャナーが登場しました。最初のモデルは、ガントリーに取り付けられ、スキャナーがバッグの周りを移動し、通常12〜15回のビューを取得するため、比較的低速でした。ただし、新世代のRTTシステムには可動部品がなく、かなり高速です。

ヒースローの5,000万ポンドのCTスキャナーのメーカーは明らかにされていませんが、最も先進的なシステムの1つは、米国を拠点とする企業Rapiscanによって製造されており、英国の科学者のサポートとトレーニングを受けて開発されました。デアズベリー研究所（科学技術施設研究会議が運営）。 Rapiscan手荷物スキャンシステムは、複数のX線源を使用します。マイクロX線エミッターの固定アレイは、バッグの何万ものビューをキャプチャし、標準のCTイメージングよりもすべての平面で大幅に優れた解像度の画像を生成します。スクリーニングプロセスを高速化するために、非常に高速な再構築アルゴリズムも開発されており、1時間あたり1500〜1800個のバッグをチェックすることができます。これは運輸業界にとって非常に重要です。空港やドックでのセキュリティチェックは、国際的な旅行や商取引の主要なボトルネックであり、未知のオブジェクトは、無害であることが判明した場合でも、長い遅延を引き起こす可能性があります。

品質と線量のバランス

セキュリティスクリーニング装置で使用される粒子加速器のメーカーは、通常、画像化されるスーツケースや容器などに与えられる放射線量を考慮する必要があります。もちろん、これは、患者への線量が重要な考慮事項である医用画像には当てはまりません。この分野では、CTスキャンは画質が高いため広く使用されていますが、より高い放射線量の悪影響に関する最近の研究により、デジタルトモシンセシスとして知られる代替技術が注目されています。

デジタルトモシンセシスはコンピュータ断層撮影の場合のように、X線源を患者の周りに移動して画像を取得します。ただし、360度完全に回転する代わりに、角度ははるかに小さくなります。これにより線量は減少しますが、角度が小さいほど再構成に利用できる情報が少なくなり、画質が低下します。ソースを移動すると、画像に動きによって引き起こされるアーティファクトも作成されます。

リバプール大学/コッククロフト研究所の加速器科学グループによる継続的なR & Dの取り組み（私が率いる）と英国を拠点とする会社であるAdaptixは、患者への影響を少なくして、強化された医用画像アプリケーションを提供する超コンパクトで高解像度のデジタルトモシンセシスシステムの設計を目指しています。新しい設計には、1つの移動源を置き換えるさまざまな位置と角度の複数のX線源を備えたシステムが含まれています。これにより、モーションによって引き起こされるアーティファクトが最小限に抑えられますが、現在調査中の新しい課題も発生します。このデバイスが、標準的な低線量の平面X線とより高価なCTスキャナーの中間段階になり、3Dイメージングとより低い放射線量を組み合わせたツールの選択肢を医師に提供することが期待されています。

より早く癌を打ち負かす

加速器科学における技術移転の3番目の例は、癌治療に関連しています。陽子線およびイオンビーム療法は、特定の種類の病気の治療に非常に効果的であり、基礎科学アプリケーションのイオン加速器へのR & Dからの直接の結果です。最近まで、英国では、陽子線を癌治療に使用している臨床施設は1つしかありませんでした。ウィラルのクラッターブリッジ癌センターでは、25年以上にわたって60MeVの陽子が眼の黒色腫の治療に使用されてきました。英国で最初の高エネルギー陽子線がんセンターは、2018年にマンチェスターのクリスティー病院に開設され、現在さらに建設中です。

で使用されているX線とは異なりCTスキャンや従来の放射線治療、がん治療で使用される陽子線やイオンビームは、体全体を通過するわけではありません。代わりに、彼らは彼らのエネルギーによって決定される深さで鋭く止まります。ビームのエネルギーと方向を調整することにより、臨床医は、健康な周囲の組織を温存しながら、3D腫瘍ボリューム全体に均一な線量の放射線を照射できます。イオンビーム治療をさらに最適化するために、国際的なR & Dの取り組みは、新しいビームおよび患者のイメージング技術の開発、モンテカルロを使用した強化された生物学的および物理的シミュレーションモデルの研究に焦点を当てています。コード、および施設の設計と最適化に関する研究により、最大の効率とともに最適な患者治療を保証します。これらはすべて、もともと基礎科学アプリケーションの加速器を対象とした研究に基づいた研究であり、健康アプリケーションがより一般的なR & Dからどのように利益を得ることができるかを示しています。

小さな物理的「フットプリント」を維持しながら高エネルギーを提供する加速器は、現在大規模施設でのみ可能である研究とアプリケーションをより広く使用することができます

将来のメリット

これらは、粒子加速器でR & Dを実行する方法のほんの一部です。その他の進歩には、より優れた機械学習技術、ロボット工学、新素材、極低温、データ処理、分析の進歩、そしてもちろん、CERNでの粒子物理実験用に開発されたWorld WideWebが含まれます。これらのアプリケーションは私たちの世界を変えました。将来のスピンアウト技術も同様に大きな影響を与えると思います。

私の楽観的な理由の1つは、進行中の加速器科学研究が多くの分野で技術革新を約束していることです。 。たとえば、大型ハドロンコライダー（HL-LHC）の高輝度アップグレードは、世界を作りますdの最高エネルギー粒子コライダーは、発見のためのさらに強力なツールです。

元々は星の明るさを特徴づけるために定義された光度は、単位時間あたりに粒子コライダーで発生する衝突の数を決定します。現在、LHCのビームは交差して、粒子が衝突する機会を作り出しています。スマッシュの可能性を最大化するために、コッククロフトの科学者たちは、長さ数センチの短い陽子の束を捕らえ、それらを横に投げて別の陽子の束に正面からぶつける方法の実験に貢献しました。これらの「カニの空洞」は、LHCの光度を10倍に高める可能性があります。これにより、現在の10か月の作業を1回で実行できる程度に発見がスピードアップします。

私のグループは、CERNとGSIの専門家と緊密に協力して、非侵襲的なガスジェットベースのモニターを開発しています。ドイツでのLHCアップグレード–他の高エネルギーおよび高強度加速器にも大きな期待を示す技術。

他の一連の研究は、加速器をよりコンパクトにし、それによって操作を簡素化し、 EuPRAXIAやAWAKEなどの国際的な共同研究では、レーザービームおよび粒子ビーム駆動のプラズマ加速を含むいくつかのメカニズムを調査しています。これらのスキームでは、プラズマは、生成するいわゆる「ドライブビーム」によって変調されます。プラズマ内の非常に高い電界勾配。非常に高い電界のある領域に電子ビームを注入することにより、従来のRF加速器で可能な距離の1000分の1の距離で電子を高エネルギーに加速できることが示されています。小さな物理的「フットプリント」を維持しながら高エネルギーを提供する加速器は、現在大規模施設でのみ可能である研究とアプリケーションをより広く使用できるようになる可能性があるため、これらは非常にエキサイティングな開発です。

さらに将来、さらに高エネルギーのコライダー（世界中の研究者によって研究されているFuture Circular Colliderなど）には、磁石、超電導材料、ケーブル、検出器、診断など、いくつかの分野での進歩が必要です。粒子加速器へのR & Dは、100年以上にわたってイノベーションを推進してきました。これにより、社会に多大な利益をもたらすアプリケーションが生まれました。さらに有望な未来が待ち受けています。

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