Lotnisko Heathrow dostało ostatnio dobre wieści, kiedy ogłoszono, że dzięki nowym skanerom tomografii komputerowej (CT) lotniska wkrótce będą w stanie przestać oddzielać płyny i żele z bagażu podręcznego podczas przechodzenia przez kontrolę bezpieczeństwa. skanery generują trójwymiarowe obrazy rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości w czasie rzeczywistym, ułatwiając szybkie wykrywanie materiałów wybuchowych bez konieczności przeprowadzania oddzielnego procesu kontroli.

Rozwój ten był szeroko opisywany w mediach i zapowiadane jako dobrodziejstwo zarówno dla podróżnych, jak i pracowników ochrony. Nie było to jednak tak szeroko zgłaszane, że usprawnione obrazowanie bagażu i kontenerów zostało częściowo osiągnięte dzięki ulepszeniom akceleratorów, które dostarczają wiązki elektronów r skanery. Te ulepszenia sprawiły, że sprzęt skanujący stał się bardziej kompaktowy, jednocześnie poprawiając jakość wiązki obrazującej – i były one oparte na wiedzy zdobytej, bezpośrednio i pośrednio, z R & D do akceleratory cząstek używane w badaniach naukowych.

Kontrola bezpieczeństwa w czasie rzeczywistym

W tomografii komputerowej – nadal najpowszechniej stosowana technika obrazowania bagażu – wiązka cząstek (tradycyjnie promieniowanie rentgenowskie , ale mogą to być również neutrony lub inne cząstki) jest przesyłany przez obiekt. Mierząc osłabioną wiązkę, a następnie powtarzając ten proces w krokach w zakresie 180 lub 360 ˚, system obrazowania tworzy dwuwymiarowy wykres cieni próbki, ujawniając szczegóły jej wewnętrznej struktury (wymiary, kształt, wady wewnętrzne, gęstość i wkrótce). Te obrazy w przekroju są rekonstruowane przy użyciu rzutów z kilku kierunków i wizualizowane za pomocą oprogramowania do renderowania grafiki 3D. Obraz 3D jest następnie poddawany obróbce i krojony na różne sposoby, aby zapewnić dokładne zrozumienie obiektu.

Chociaż istnieje wiele algorytmów rekonstrukcji, większość z nich należy do jednej z dwóch kategorii: filtrowana projekcja wsteczna (FBP) i rekonstrukcja iteracyjna (IR). Obie procedury dają niedokładne wyniki i istnieje kompromis między dokładnością a wymaganym czasem obliczeń. FBP wymaga mniejszej mocy obliczeniowej, ale jest mniej dokładny, podczas gdy IR generalnie generuje mniej artefaktów (błędów w rekonstrukcji) przy wyższych kosztach obliczeniowych. W obu przypadkach zapotrzebowanie na moc obliczeniową oznacza, że większość skanerów tomograficznych rejestruje obrazy statyczne, a nie ruchome. Tymczasem duży rozmiar i znaczny koszt akceleratorów używanych do tworzenia wiązek cząstek zapewnia, że chociaż CT jest rutynowo używany do skanowania bagażu rejestrowanego, jego szersze zastosowanie w kontroli bezpieczeństwa jest ograniczone.

Jednak ostatnio rzeczywiste pojawiły się skanery tomograficzne (RTT), które znacznie zmniejszają te przeszkody. Pierwsze modele były stosunkowo powolne, ponieważ były montowane na suwnicy, a skaner był przemieszczany po torbie, zwykle robiąc od 12 do 15 widoków. Jednak nowa generacja systemów RTT nie ma ruchomych części i jest znacznie szybsza.

Producent skanerów CT na Heathrow za 50 milionów funtów nie został ujawniony, ale jeden z najbardziej zaawansowanych systemów jest produkowany przez amerykańską firmę Rapiscan i został opracowany przy wsparciu i szkoleniu naukowców z Wielkiej Brytanii. Laboratorium Daresbury (obsługiwane przez Radę ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych). System skanowania bagażu Rapiscan wykorzystuje wiele źródeł promieniowania rentgenowskiego. Stacjonarny zestaw mikro emiterów promieniowania rentgenowskiego rejestruje dziesiątki tysięcy widoków worka, generując obrazy o znacznie lepszej rozdzielczości we wszystkich płaszczyznach niż standardowe obrazowanie CT. Opracowano również bardzo szybki algorytm rekonstrukcji, aby przyspieszyć proces przesiewania, umożliwiając sprawdzenie od 1500 do 1800 worków na godzinę. Ma to ogromne znaczenie dla branży transportowej. Kontrole bezpieczeństwa na lotniskach i dokach stanowią główne wąskie gardło w międzynarodowych podróżach i handlu, a nieznane obiekty mogą powodować duże opóźnienia, nawet jeśli okażą się nieszkodliwe.

Równoważenie jakości z dozowaniem

Producenci akceleratorów cząstek stosowanych w urządzeniach do kontroli bezpieczeństwa na ogół nie należy wziąć pod uwagę dawkę promieniowania przekazaną na walizki, pojemniki itp., które są obrazowane. Nie jest to oczywiście prawdą w przypadku obrazowania medycznego, gdzie dawka podawana pacjentowi jest niezwykle ważna. W tej dziedzinie skanowanie CT jest szeroko stosowane ze względu na wysoką jakość obrazu, ale ostatnie badania nad szkodliwym wpływem wyższych dawek promieniowania zwróciły uwagę na alternatywną technikę znaną jako tomosynteza cyfrowa.

Cyfrowa tomosynteza działa przez przemieszczanie źródła promieniowania rentgenowskiego wokół pacjenta i pozyskiwanie obrazów, jak w tomografii komputerowej. Jednak zamiast pełnego obrotu o 360 ˚ kąt jest znacznie mniejszy. Zmniejsza to dawkę, ale mniejszy kąt oznacza, że mniej informacji jest dostępnych do rekonstrukcji, co prowadzi do niższej jakości obrazu. Przeniesienie źródła tworzy również artefakty wywołane ruchem na obrazach.

Trwający wysiłek R & D grupy akceleratorów z Uniwersytetu w Liverpoolu / Cockcroft Institute (którym kieruję) i brytyjska firma Adaptix, mają na celu zaprojektowanie ultrakompaktowego systemu cyfrowej tomosyntezy o wysokiej rozdzielczości, który będzie oferował ulepszone zastosowania w obrazowaniu medycznym przy mniejszym wpływie na pacjenta. Nowe projekty obejmują system z wieloma źródłami promieniowania rentgenowskiego w różnych pozycjach i pod różnymi kątami, które zastępują jedno ruchome źródło. Minimalizuje to artefakty wywołane ruchem, chociaż stwarza także nowe wyzwania, które wciąż badamy. Istnieje nadzieja, że urządzenie to stanie się pośrednim krokiem pomiędzy standardowymi, niskodawkowymi planarnymi promieniami rentgenowskimi a droższymi skanerami TK, dając lekarzom opcję narzędzia łączącego obrazowanie 3D z niższą dawką promieniowania.

Wcześniejsze pokonanie raka

Trzeci przykład transferu technologii w nauce o akceleratorach dotyczy leczenia raka. Terapie z użyciem wiązki protonów i jonów są bardzo skuteczne w leczeniu niektórych typów chorób i są bezpośrednim wynikiem R & D do akceleratorów jonów do podstawowych zastosowań naukowych. Do niedawna w Wielkiej Brytanii istniał tylko jeden ośrodek kliniczny wykorzystujący wiązki protonów do leczenia raka: Clatterbridge Cancer Center on the Wirral, gdzie od ponad 25 lat do leczenia czerniaków gałki ocznej stosowano protony 60 MeV. Pierwsze wysokoenergetyczne centrum raka wiązki protonów w Wielkiej Brytanii otworzyło swoje podwoje w 2018 roku w szpitalu Christie w Manchesterze, a kolejne są obecnie budowane.

W przeciwieństwie do promieni rentgenowskich stosowanych w Tomografia komputerowa i konwencjonalne radioterapie, wiązki protonów i jonów stosowane w leczeniu raka nie przechodzą przez całe ciało. Zamiast tego zatrzymują się gwałtownie na głębokości określonej przez ich energię. Modulując energię i kierunek wiązki, klinicyści mogą dostarczyć jednorodną dawkę promieniowania na trójwymiarową objętość guza, oszczędzając jednocześnie zdrową otaczającą tkankę. Aby jeszcze bardziej zoptymalizować terapię wiązką jonową, międzynarodowy wysiłek R & D skupił się na opracowaniu nowatorskich technik obrazowania wiązki i pacjenta, badaniach nad ulepszonymi modelami symulacji biologicznych i fizycznych z wykorzystaniem metody Monte Carlo kodów i badań nad projektem i optymalizacją placówki, aby zapewnić optymalne leczenie pacjenta przy maksymalnej wydajności. Są to wszystkie badania, które opierają się na badaniach, które pierwotnie dotyczyły akceleratorów do podstawowych zastosowań naukowych i pokazują, jak aplikacje zdrowotne mogą skorzystać na bardziej ogólnym R & D.

Akceleratory, które dostarczają duże ilości energii, zachowując niewielki fizyczny „ślad”, mogą wnieść do szerszego zastosowania badania i zastosowania, które są obecnie możliwe tylko w dużych obiektach

Przyszłe korzyści

To tylko kilka ze sposobów, w jakie R & D na akceleratorach cząstek doprowadziło do szerszych korzyści.Inne postępy obejmują lepsze techniki uczenia maszynowego, robotykę, nowe materiały i postęp w kriogenice, przetwarzaniu i analizie danych – oraz oczywiście sieć WWW, która została opracowana na potrzeby eksperymentów z zakresu fizyki cząstek elementarnych w CERN. Aplikacje te zmieniły nasz świat i wierzę, że przyszłe technologie spin-out będą miały taki sam wpływ.

Jednym z powodów mojego optymizmu jest to, że trwające badania naukowe nad akceleratorami obiecują innowacje technologiczne w wielu obszarach . Przykładowo, ulepszenie wysokiej jasności Wielkiego Zderzacza Hadronów (HL-LHC) spowoduje, że świat Zderzacz cząstek o najwyższej energii d to jeszcze potężniejsze narzędzie do odkryć.

Jasność, pierwotnie zdefiniowana w celu scharakteryzowania jasności gwiazdy, określa, ile zderzeń ma miejsce w zderzaczu cząstek w jednostce czasu.Obecnie wiązki w LHC po prostu przecinają się, aby stworzyć okazję do zderzenia cząstek; aby zmaksymalizować szansę na rozbicie, naukowcy z Cockcroft przyczynili się do eksperymentów z metodą wychwytywania krótkich wiązek protonów o długości kilku centymetrów i rzucania nimi na boki, aby trafić czołowo w kolejną wiązkę protonów. Te „wnęki kraba” mogą potencjalnie zwiększyć jasność LHC 10-krotnie; przyspieszy to odkrycie do takiego stopnia, że 10 miesięcy bieżącej pracy można by wykonać w jednym ciągu.

Te osiągnięcia będą również wymagały nowatorskich narzędzi do diagnostyki wiązek, aby w pełni scharakteryzować mocniejsze wiązki, ponieważ istniejące technologie po prostu nie będą działać. Moja grupa opracowuje nieinwazyjny monitor gazowy w ścisłej współpracy z ekspertami z CERN i GSI w Niemczech na modernizację LHC – technologii, która jest bardzo obiecująca również dla innych akceleratorów o dużej energii i dużej intensywności.

Inne obszary badań mają na celu uczynienie akceleratorów bardziej zwartymi, co upraszcza ich działanie i zmniejsza ich W ramach współpracy międzynarodowej, takiej jak EuPRAXIA i AWAKE, badane są różne mechanizmy, w tym przyspieszenie plazmy napędzane laserem i wiązką cząstek. W tych schematach plazma jest modulowana przez tak zwaną „wiązkę napędową”, która generuje ekstremalnie wysokie gradienty pola elektrycznego w plazmie. Wprowadzając wiązkę elektronów do obszarów o bardzo wysokim polu elektrycznym, wykazano, że elektrony mogą być przyspieszane do wysokich energii na odległości 1000 razy krótsze niż jest to możliwe w konwencjonalnych akceleratorach RF. Są to bardzo ekscytujące osiągnięcia, ponieważ akceleratory, które dostarczają duże ilości energii, zachowując niewielki fizyczny „ślad”, mogą wnieść do szerszego zastosowania badania i zastosowania, które są obecnie możliwe tylko w dużych obiektach.

W przyszłości , zderzacz o jeszcze większej energii (taki jak Future Circular Collider badany przez naukowców na całym świecie) będzie wymagał postępów w kilku obszarach, w tym w magnesach, materiałach nadprzewodzących i kablach, a także w detektorach i diagnostyce – wszystkie czynniki napędzające innowacje, które pokazują wielka obietnica do zastosowań w innych, często nieoczekiwanych obszarach. R & D w akceleratory cząstek napędza innowacje od ponad 100 lat. Zaowocowało to zastosowaniami przynoszącymi ogromne korzyści dla społeczeństwa. Przed nami jeszcze bardziej obiecująca przyszłość.

• Ciesz się resztą świata fizyki 2019 Skup się na instrumentach & Odkurzanie w naszym magazynie cyfrowym lub w fizyce Aplikacja World na dowolny smartfon lub tablet z systemem iOS lub Android.