런던의 승객 Heathrow Airport는 최근 공항의 새로운 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 스캐너 덕분에 보안 검색 대를 통과 할 때 기내 수하물에있는 액체와 젤을 분리하는 작업을 곧 중단 할 수 있다는 좋은 소식이 있습니다. 스캐너는 고해상도의 3 차원 X 선 이미지를 실시간으로 생성하므로 별도의 스크리닝 프로세스 없이도 폭발물을 빠르게 감지 할 수 있습니다.

이 개발은 언론 및 그러나 그렇게 널리보고되지 않은 것은 전자빔을 제공하는 가속기의 개선으로 인해 수하물과 컨테이너의 간소화 된 이미징이 이루어 졌다는 것입니다. r 스캐너. 이러한 개선으로 인해 스캐닝 장비가 더욱 소형화되고 이미징 빔의 품질이 향상되었습니다. R & D에서 직접 및 간접적으로 얻은 지식을 기반으로 과학 연구에 사용되는 입자 가속기

실시간 보안 검사

CT 스캐닝에서 – 여전히 수하물에 가장 널리 사용되는 이미징 기술 – 입자 빔 (전통적으로 X- 레이 , 그러나 중성자 또는 다른 입자 일 수도 있음) 물체를 통해 전송됩니다. 감쇠 된 빔을 측정 한 다음 180도 또는 360도 범위에 걸쳐이 과정을 반복함으로써 이미징 시스템은 표본의 2D 그림자 그래프를 생성하여 내부 구조 (치수, 모양, 내부 결함, 밀도 및 곧). 이러한 단면 이미지는 여러 방향의 투영을 사용하여 재구성되고 3D 그래픽 렌더링 소프트웨어를 사용하여 시각화됩니다. 3D 이미지는 객체에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 다양한 방식으로 조작 및 슬라이스됩니다.

많은 재구성 알고리즘이 존재하지만 대부분은 필터링 된 역 투영 (FBP)과 반복적 재구성의 두 범주 중 하나에 속합니다. (IR). 두 절차 모두 정확하지 않은 결과를 제공하며 정확도와 필요한 계산 시간간에 절충안이 있습니다. FBP는 더 적은 컴퓨팅 파워를 요구하지만 덜 정확하지만, IR은 일반적으로 더 높은 컴퓨팅 비용으로 더 적은 인공물 (재구성 오류)을 생성합니다. 두 경우 모두 컴퓨팅 성능 요구 사항은 대부분의 단층 촬영 스캐너가 움직이는 이미지가 아닌 정적 이미지를 획득한다는 것을 의미합니다. 한편, 입자 빔을 생성하는 데 사용되는 가속기의 큰 크기와 상당한 비용으로 인해 CT는 수하물을 스캔하는 데 일상적으로 사용되지만 보안 검색에서 광범위하게 사용되는 것은 제한적입니다.

그러나 최근에는 실제입니다. 이러한 장애물을 크게 줄이는 RTT (time tomographic) 스캐너가 등장했습니다. 첫 번째 모델은 갠트리에 장착되고 스캐너가 가방 주위로 이동하여 일반적으로 12 ~ 15 개의 뷰를 촬영하기 때문에 상대적으로 느 렸습니다. 그러나 새로운 세대의 RTT 시스템은 움직이는 부품이 없으며 상당히 빠릅니다.

Heathrow의 £ 50m CT 스캐너 제조업체는 공개되지 않았지만 가장 진보 된 시스템 중 하나는 미국에 본사를 둔 Rapiscan에서 제작했으며 영국의 과학자들의 지원과 교육을 받아 개발되었습니다. Daresbury Laboratory (과학 기술 시설위원회에서 운영). Rapiscan 수하물 스캐닝 시스템은 여러 X-ray 소스를 사용합니다. 고정 된 마이크로 X 선 방출기 어레이는 가방의 수만 뷰를 캡처하여 표준 CT 이미징보다 모든 평면에서 훨씬 더 나은 해상도로 이미지를 생성합니다. 스크리닝 프로세스의 속도를 높이기 위해 매우 빠른 재구성 알고리즘도 개발되어 시간당 1500 ~ 1,800 개의 백을 검사 할 수 있습니다. 이것은 운송 산업에 매우 중요합니다. 공항과 부두의 보안 검사는 국제 여행 및 상거래의 주요 병목을 구성하며 알려지지 않은 물체는 무해한 것으로 판명 되더라도 오랜 지연을 유발할 수 있습니다.

품질과 용량의 균형

보안 검사 장비에 사용되는 입자 가속기 제조업체는 일반적으로 그렇지 않습니다. 촬영되는 여행 가방, 컨테이너 등에 전달되는 방사선 량을 고려해야합니다. 물론 이것은 환자에 대한 선량이 중요한 고려 사항 인 의료 영상에서는 사실이 아닙니다. 이 분야에서 CT 스캐닝은 높은 이미지 품질로 인해 널리 사용되지만, 더 높은 방사선 량의 해로운 영향에 대한 최근 연구는 디지털 단층 합성으로 알려진 대체 기술에 주목을 끌었습니다.

디지털 단층 합성은 다음과 같이 작동합니다. 컴퓨터 단층 촬영에서와 같이 X- 선 소스를 환자 주위로 이동하고 이미지를 획득합니다. 그러나 360도 회전하는 대신 각도가 훨씬 더 작습니다. 이는 선량을 줄이지 만 각도가 작을수록 재구성에 사용할 수있는 정보가 적어 이미지 품질이 낮아집니다. 소스를 이동하면 이미지에 움직임으로 인한 인공물도 생성됩니다.

리버풀 대학 / Cockcroft Institute의 가속기 과학 그룹에서 진행중인 연구 & D 노력 (제가 이끄는) 영국에 본사를 둔 회사 인 Adaptix는 환자에게 미치는 영향을 줄이면서 향상된 의료 영상 애플리케이션을 제공하는 초소형 고해상도 디지털 단층 합성 시스템을 설계하는 것을 목표로합니다. 새로운 디자인에는 하나의 움직이는 소스를 대체하는 서로 다른 위치와 각도에서 여러 X-ray 소스가있는 시스템이 포함됩니다. 이것은 우리가 아직 조사하고있는 새로운 도전을 만들어 내지 만, 움직임으로 인한 인공물을 최소화합니다. 희망은이 장치가 표준 저선량 평면 X- 레이와 더 비싼 CT 스캐너 사이의 중간 단계가되어 의사에게 3D 이미징과 더 낮은 방사선 량을 결합하는 도구 옵션을 제공하는 것입니다.

암 조기 퇴치

가속기 과학 기술 이전의 세 번째 예는 암 치료와 관련이 있습니다. 양성자 및 이온빔 요법은 특정 유형의 질병을 치료하는 데 매우 효과적이며, R & D에서 기초 과학 응용 분야를위한 이온 가속기로의 직접적인 결과입니다. 최근까지 영국에서는 암 치료를 위해 양성자 빔을 사용하는 임상 시설이 단 하나뿐이었습니다. Wirral의 Clatterbridge 암 센터에서 25 년 이상 안구 흑색 종을 치료하는 데 60 MeV 양성자가 사용되었습니다. 영국 최초의 고 에너지 양성자-빔 암 센터가 2018 년 맨체스터의 Christie 병원에 문을 열었으며 현재 더 많은 곳이 건설되고 있습니다.

암 치료에 사용되는 CT 스캔 및 기존 방사선 요법, 양성자 및 이온 빔은 몸 전체를 통과하지 않습니다. 대신, 그들은 에너지에 의해 결정된 깊이에서 급격히 멈 춥니 다. 빔의 에너지와 방향을 조절함으로써 임상의는 건강한 주변 조직을 보존하면서 3D 종양 부피에 균일 한 방사선 량을 전달할 수 있습니다. 이온 빔 치료를 더욱 최적화하기 위해 국제적인 R & D 노력은 새로운 빔 및 환자 이미징 기술 개발, Monte Carlo를 사용하여 향상된 생물학적 및 물리적 시뮬레이션 모델 연구에 집중했습니다. 코드, 시설 설계 및 최적화에 대한 연구를 통해 최적의 환자 치료와 최대 효율성을 보장합니다. 이 모든 연구는 원래 기초 과학 응용 프로그램의 가속기를 대상으로 한 연구를 기반으로하고 의료 응용 프로그램이보다 일반적인 R & D에서 혜택을받을 수있는 방법을 보여줍니다.

작은 물리적 “공간”을 유지하면서 높은 에너지를 제공하는 가속기는 현재 대규모 시설에서만 가능한 연구 및 응용 프로그램을 더 광범위하게 사용할 수 있습니다.

향후 이점

다음은 입자 가속기에서 R & D를 수행하는 몇 가지 방법입니다. 다른 발전으로는 더 나은 기계 학습 기술, 로봇 공학, 신소재, 극저온, 데이터 처리 및 분석의 발전이 포함됩니다. 물론 CERN에서 입자 물리학 실험을 위해 개발 된 World Wide Web도 있습니다. 이러한 응용 프로그램은 우리의 세상을 변화 시켰으며, 미래의 스핀 아웃 기술이 그만큼 큰 영향을 미칠 것이라고 믿습니다.

내가 낙관하는 한 가지 이유는 진행중인 가속기 과학 연구가 여러 분야에서 기술 혁신을 약속한다는 것입니다. 예를 들어 HL-LHC (Large Hadron Collider)의 고휘도 업그레이드는 d의 최고 에너지 입자 충돌기는 발견을위한 훨씬 더 강력한 도구입니다.

원래 별의 밝기를 특성화하기 위해 정의 된 광도는 단위 시간당 입자 충돌기에서 발생하는 충돌 수를 결정합니다.현재, LHC의 빔은 입자가 충돌 할 기회를 만들기 위해 교차합니다. 분쇄의 기회를 극대화하기 위해 Cockcroft 과학자들은 몇 센티미터 길이의 짧은 양성자 무리를 포착하여 옆으로 던져 다른 양성자 무리를 정면으로 공격하는 방법을 실험하는 데 기여했습니다. 이러한 “게 구멍”은 LHC의 광도를 10 배까지 증가시킬 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이것은 현재 10 개월의 작업을 단 한 번에 수행 할 수있을 정도로 발견 속도를 높일 것입니다.

이러한 개발에는 기존 기술이 더 이상 작동하지 않으므로보다 강력한 빔을 완전히 특성화하기위한 새로운 빔 진단 도구가 필요합니다. 저희 그룹은 CERN 및 GSI의 전문가와 긴밀히 협력하여 비 침습성 가스 제트 기반 모니터를 개발하고 있습니다. 독일에서 LHC 업그레이드를 위해 – 다른 고 에너지 및 고강도 가속기에도 큰 가능성을 보여주는 기술입니다.

다른 연구 분야에서는 가속기를보다 콤팩트하게 만들어 작동을 단순화하고 EuPRAXIA 및 AWAKE와 같은 국제 협력은 레이저 및 입자 빔 구동 플라즈마 가속을 포함하여 여러 메커니즘을 조사하고 있습니다. 이러한 방식에서 플라즈마는 발생하는 소위 “구동 빔”에 의해 변조됩니다. 플라즈마에서 매우 높은 전기장 기울기. 매우 높은 전기장이있는 영역에 전자빔을 주입함으로써 전자가 기존 RF 가속기에서 가능한 것보다 1000 배 더 짧은 거리에 걸쳐 높은 에너지로 가속 될 수 있음이 입증되었습니다. 작은 물리적 “발자국”을 유지하면서 높은 에너지를 제공하는 가속기는 현재 대규모 시설에서만 가능한 연구 및 응용 프로그램을 더 광범위하게 사용할 수 있기 때문에 매우 흥미로운 발전입니다.

향후에는 , 훨씬 더 높은 에너지의 충돌기 (예 : 전 세계 연구자들이 연구중인 Future Circular Collider)는 자석, 초전도 물질 및 케이블, 검출기 및 진단을 포함한 여러 분야에서 발전을 요구할 것입니다. 예상치 못한 다른 영역에 적용 할 수있는 큰 가능성입니다. 입자 가속기에 대한 R & D는 100 년 이상 혁신을 주도 해 왔습니다. 그 결과 사회에 막대한 혜택을주는 응용 프로그램이 탄생했습니다. 훨씬 더 유망한 미래가 다가오고 있습니다.

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