Passasjerer i Londons Heathrow Airport fikk noen gode nyheter nylig da det ble kunngjort at de – takket være flyplassens nye datastyrte tomografisk (CT) skannere – snart vil kunne slutte å skille ut væskene og gelene i håndbagasjen når de går gjennom sikkerhet. skannere produserer høyoppløselige, tredimensjonale røntgenbilder i sanntid, noe som gjør det lettere å oppdage eksplosiver raskt, uten behov for en separat screeningprosess.

Denne utviklingen ble mye rapportert i media og varslet som en velsignelse for både reisende og sikkerhetspersonell. Det som imidlertid ikke ble rapportert så mye, er at strømlinjeformet avbildning av bagasje og containere delvis er oppnådd ved forbedringer av akseleratorene som gir elektronstrålene for r skannerne. Disse forbedringene har gjort skanningsutstyret mer kompakt, samtidig som det forbedrer kvaliteten på bildestrålen – og de var basert på kunnskap som er tilegnet, direkte og indirekte, fra R & D til partikkelakseleratorer som brukes til vitenskapelig forskning.

Sikkerhetsscreening i sanntid

I CT-skanning – fremdeles den mest brukte bildebehandlingsteknikken for bagasje – en stråle av partikler (tradisjonelt røntgenstråler , men det kan også være nøytroner eller andre partikler) blir sendt gjennom objektet. Ved å måle den dempede strålen, og deretter gjenta denne prosessen i trinn over et 180- eller 360 ˚-område, produserer bildesystemet et 2D-skyggebilde av prøven, og avslører detaljer om den interne strukturen (dimensjoner, form, indre feil, tetthet og så videre). Disse tverrsnittsbildene rekonstrueres ved hjelp av projeksjoner fra flere retninger og visualiseres ved hjelp av 3D-grafikkgjengivelsesprogramvare. 3D-bildet blir deretter manipulert og skåret på forskjellige måter for å gi en grundig forståelse av objektet.

Selv om det finnes mange rekonstruksjonsalgoritmer, faller de fleste i en av to kategorier: filtrert tilbake projeksjon (FBP) og iterativ rekonstruksjon (IR). Begge prosedyrene gir unøyaktige resultater, og det er en avveining mellom nøyaktighet og beregningstid som kreves. FBP krever mindre datakraft, men er mindre nøyaktig, mens IR vanligvis produserer færre gjenstander (feil i rekonstruksjonen) til en høyere beregningskostnad. I begge tilfeller betyr datakraftbehovet at de fleste tomografiske skannere skaffer seg statiske bilder, ikke i bevegelse. I mellomtiden sørger den store størrelsen og de betydelige kostnadene for akseleratorene som brukes til å lage partikkelbjelkene, til at selv om CT rutinemessig brukes til å skanne holdbagasje, er dens bredere bruk i sikkerhetsscreening begrenset.

Nylig, men virkelig -tid tomografiske (RTT) skannere har dukket opp som reduserer disse hindringene betydelig. De første modellene gikk relativt tregt, ettersom de ble montert på en portal og skanneren ble flyttet rundt posen, og tok vanligvis 12 til 15 visninger. Imidlertid har den nye generasjonen RTT-systemer ingen bevegelige deler og er betydelig raskere.

Produsenten av Heathrows £ 50m CT-skannere er ikke blitt avslørt, men et av de mest avanserte systemene er laget av et amerikansk selskap, Rapiscan, og ble utviklet med støtte og opplæring fra forskere ved Storbritannias Daresbury Laboratory (drevet av Science and Technology Facilities Council). Rapiscan-skanningssystemet for bagasje bruker flere røntgenkilder. Et stasjonært utvalg av mikro-røntgenstråler fanger titusenvis av visninger av en pose, og genererer bilder med betydelig bedre oppløsning i alle plan enn vanlig CT-bildebehandling. En veldig rask rekonstruksjonsalgoritme er også utviklet for å øke hastigheten på screeningprosessen, noe som gjør det mulig å sjekke 1500 til 1800 poser i timen. Dette er enormt viktig for transportnæringen. Sikkerhetskontroll på flyplasser og kaier utgjør en stor flaskehals i internasjonal reise og handel, og ukjente objekter kan føre til lange forsinkelser, selv når de viser seg å være ufarlige.

Balanseringskvalitet med dosering

Produsentene av partikkelakseleratorer som brukes i sikkerhetsscreeningsutstyr, gjør generelt ikke trenger å vurdere stråledosen som blir gitt til kofferter, beholdere og så videre som blir avbildet. Dette er selvfølgelig ikke sant i medisinsk bildebehandling, hvor dosen til pasienten er en viktig faktor. I dette feltet er CT-skanning mye brukt på grunn av den høye bildekvaliteten, men nyere forskning på skadelige effekter av høyere strålingsdoser har trukket oppmerksomhet mot en alternativ teknikk kjent som digital tomosyntese.

Digital tomosyntese fungerer av flytte røntgenkilden rundt pasienten og skaffe bilder, som i datastyrt tomografi. Imidlertid, i stedet for en full 360 ˚ rotasjon, er vinkelen mye mindre. Dette reduserer dosen, men den mindre vinkelen betyr at mindre informasjon er tilgjengelig for rekonstruksjonen, noe som fører til lavere bildekvalitet. Flytting av kilden skaper også bevegelsesinduserte gjenstander i bildene.

En pågående R & D-innsats av akseleratorvitenskapelig gruppe ved University of Liverpool / Cockcroft Institute (som jeg leder) og et britisk selskap, Adaptix, har som mål å designe et ultrakompakt, digitalt tomosyntese-system med høy oppløsning som vil tilby forbedrede medisinske bildeapplikasjoner med mindre innvirkning på pasienten. De nye designene inkluderer et system med flere røntgenkilder i forskjellige posisjoner og vinkler som erstatter den ene kilden som beveger seg. Dette minimerer bevegelsesinduserte gjenstander, selv om det også skaper nye utfordringer som vi fremdeles undersøker. Håpet er at enheten vil bli et mellomtrinn mellom standard, lave doser plane røntgenbilder og dyrere CT-skannere, noe som gir leger muligheten til et verktøy som kombinerer 3D-bildebehandling med en lavere stråledose.

Slå kreft raskere

Et tredje eksempel på teknologioverføring innen akseleratorvitenskap er relatert til kreftbehandling. Proton- og ionestrålebehandling er veldig effektive til å behandle visse typer sykdommer, og de er et direkte resultat fra R & D til ioneakseleratorer for grunnleggende vitenskapelige applikasjoner. Inntil nylig var det bare ett klinisk anlegg som brukte protonstråler for kreftbehandling i Storbritannia: Clatterbridge Cancer Center on the Wirral, der 60 MeV-protoner har blitt brukt til å behandle okulære melanomer i mer enn 25 år. Det første høyenergiske senteret for protonstrålekreft i Storbritannia åpnet dørene i 2018 på Christie sykehuset i Manchester, og flere bygges for tiden.

I motsetning til røntgenstrålene som brukes CT-skanning og konvensjonelle strålebehandlinger, proton- og ionestråler som brukes i kreftbehandling, passerer ikke helt gjennom kroppen. I stedet stopper de skarpt på en dybde som er bestemt av energien. Ved å modulere strålens energi og retning, kan klinikere levere en homogen dose stråling over et 3D-tumorvolum mens de sparer sunt omkringliggende vev. For å ytterligere optimalisere ionestrålebehandling har en internasjonal R & D-satsing fokusert på utvikling av nye stråle- og pasientavbildningsteknikker, studier i forbedrede biologiske og fysiske simuleringsmodeller ved bruk av Monte Carlo koder, og forskning på anleggsdesign og optimalisering for å sikre optimal pasientbehandling sammen med maksimal effektivitet. Dette er alle studier som bygger på forskning som opprinnelig målrettet akseleratorer for grunnleggende vitenskapelige applikasjoner og viser hvordan helseprogrammer kan dra nytte av mer generell R & D.

Akseleratorer som leverer høy energi mens de opprettholder et lite fysisk «fotavtrykk», kan bringe forskning og applikasjoner som for øyeblikket bare er mulig ved store anlegg i større bruk

Fremtidige fordeler

Dette er bare noen få av måtene R & D på partikkelakseleratorer har ført til bredere fordeler. Andre fremskritt inkluderer bedre maskinlæringsteknikker, robotikk, nye materialer og fremskritt innen kryogenikk, datahåndtering og analyse – og selvfølgelig World Wide Web, som ble utviklet for partikkelfysikkeksperimenter ved CERN. Disse applikasjonene har forandret verden vår, og jeg tror at fremtidige utrullingsteknologier vil ha like stor innvirkning.

En grunn til optimismen min er at pågående akseleratorvitenskapelig forskning lover teknologiinnovasjoner på en rekke områder Den høye lysstyrkenes oppgradering av Large Hadron Collider (HL-LHC), for eksempel, vil gjøre kransen d’s høyeste energi partikkel kolliderer et enda kraftigere verktøy for funn.

Lysstyrke, opprinnelig definert for å karakterisere lysstyrken til en stjerne, bestemmer hvor mange kollisjoner som finner sted i en partikkelkollider per tidsenhet.For øyeblikket krysser bjelkene i LHC bare for å skape muligheten for partikler å kollidere; For å maksimere sjansen for en smash, har Cockcroft-forskere bidratt til eksperimenter med en metode for å fange korte bunter med protoner noen centimeter lange og kaste dem sidelengs for å treffe en annen haug med protoner. Disse «krabbehulene» har potensial til å øke lysstyrken til LHC med en faktor på 10, noe som vil gjøre oppdagelsen raskere i en slik grad at 10 måneders nåværende arbeid kan gjøres på bare én.

Denne utviklingen vil også kreve nye verktøy for strålediagnostikk for å fullt ut karakterisere de kraftigere bjelkene, siden eksisterende teknologier rett og slett ikke lenger vil fungere. Min gruppe har utviklet en ikke-invasiv gasstrålebasert skjerm i nært samarbeid med eksperter fra CERN og GSI i Tyskland for LHC-oppgraderingen – en teknologi som viser store løfter også for andre høyenergi og høyintensitets akseleratorer.

Andre forskningsområder har som mål å gjøre akseleratorer mer kompakte, og dermed forenkle driften og redusere Internasjonale samarbeid som EuPRAXIA og AWAKE undersøker flere mekanismer, inkludert laser- og partikkel-stråledrevet plasmaakselerasjon. I disse skjemaene moduleres et plasma av en såkalt «drivstråle» som genererer ekstremt høye elektriske feltgradienter i plasma. Ved å injisere en elektronstråle i regioner med et veldig høyt elektrisk felt, har det vist seg at elektroner kan akselereres til høye energier over avstander som er 1000 ganger kortere enn det som er mulig i konvensjonelle RF-akseleratorer. Dette er veldig spennende utvikling, siden akseleratorer som leverer høy energi mens de opprettholder et lite fysisk «fotavtrykk», kan bringe forskning og applikasjoner som for øyeblikket bare er mulig på store anlegg i større bruk.

Videre i fremtiden , en enda høyere energi-kollider (som Future Circular Collider som studeres av forskere over hele verden) vil kreve fremskritt på flere områder, inkludert magneter, superledende materialer og kabler, samt detektorer og diagnostikk – alle drivere for innovasjon som viser stort løfte om anvendelse i andre, ofte uventede områder. R & D til partikkelakseleratorer har drevet innovasjon i mer enn 100 år. Dette har resultert i applikasjoner med enorme fordeler for samfunnet. En enda mer lovende fremtid ligger foran oss.

• Kos deg med resten av 2019 Physics World Focus on Instruments & Vakuum i vårt digitale magasin eller via Physics Verdensapp for alle iOS- eller Android-smarttelefoner eller nettbrett.