Passageiros em Londres O aeroporto de Heathrow recebeu algumas boas notícias recentemente quando foi anunciado que – graças aos novos scanners de tomografia computadorizada (TC) do aeroporto – eles logo poderão parar de separar os líquidos e os géis em suas bagagens de mão enquanto passam pela segurança. scanners produzem imagens de raios-X tridimensionais de alta resolução em tempo real, tornando mais fácil detectar explosivos rapidamente, sem a necessidade de um processo de triagem separado.

Esse desenvolvimento foi amplamente divulgado na mídia e anunciado como uma bênção para viajantes e equipes de segurança. O que não foi amplamente divulgado, no entanto, é que a imagem simplificada de bagagens e contêineres foi alcançada, em parte, por melhorias nos aceleradores que fornecem os feixes de elétrons para r os scanners. Essas melhorias tornaram o equipamento de digitalização mais compacto, ao mesmo tempo que aumentaram a qualidade do feixe de imagem – e foram baseadas no conhecimento adquirido, direta e indiretamente, de R & D para aceleradores de partículas usados para pesquisas científicas.

Triagem de segurança em tempo real

Na tomografia computadorizada – ainda a técnica de imagem mais usada para bagagem – um feixe de partículas (tradicionalmente raios-X , mas também podem ser nêutrons ou outras partículas) é enviado através do objeto. Ao medir o feixe atenuado e, em seguida, repetir este processo em etapas ao longo de um intervalo de 180 ou 360 ˚, o sistema de imagem produz um shadowgraph 2D do espécime, revelando detalhes de sua estrutura interna (dimensões, forma, defeitos internos, densidade e em breve). Estas imagens transversais são reconstruídas usando projeções de várias direções e visualizadas usando software de renderização de gráficos 3D. A imagem 3D é então manipulada e dividida de várias maneiras para fornecer um entendimento completo do objeto.

Embora existam muitos algoritmos de reconstrução, a maioria se enquadra em uma de duas categorias: retroprojeção filtrada (FBP) e reconstrução iterativa (IR). Ambos os procedimentos fornecem resultados inexatos e há uma compensação entre a precisão e o tempo de cálculo necessário. O FBP exige menos poder de computação, mas é menos preciso, enquanto o IR geralmente produz menos artefatos (erros na reconstrução) a um custo de computação mais alto. Em ambos os casos, o requisito de potência de computação significa que a maioria dos scanners tomográficos adquire imagens estáticas, não em movimento. Enquanto isso, o grande tamanho e o custo substancial dos aceleradores usados para criar os feixes de partículas garantem que, embora a TC seja usada rotineiramente para escanear bagagens de porão, seu uso mais amplo em triagem de segurança é limitado.

Recentemente, no entanto, real Scanners tomográficos de tempo reduzido (RTT) surgiram para reduzir significativamente esses obstáculos. Os primeiros modelos eram relativamente lentos, pois eram montados em um pórtico e o scanner era movido ao redor da bolsa, normalmente obtendo de 12 a 15 visualizações. No entanto, a nova geração de sistemas RTT não tem partes móveis e é consideravelmente mais rápida.

O fabricante dos scanners de TC de £ 50 milhões de Heathrow não foi divulgado, mas um dos sistemas mais avançados é feito por uma empresa com sede nos Estados Unidos, Rapiscan, e foi desenvolvido com o apoio e treinamento de cientistas do Reino Unido Laboratório de Daresbury (operado pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia). O sistema de varredura de bagagem Rapiscan usa várias fontes de raios-X. Uma matriz estacionária de microemissores de raios-X captura dezenas de milhares de visualizações de uma bolsa, gerando imagens com resolução significativamente melhor em todos os planos do que as imagens de TC padrão. Um algoritmo de reconstrução muito rápido também foi desenvolvido para agilizar o processo de triagem, tornando possível verificar de 1.500 a 1.800 sacas por hora. Isso é extremamente significativo para a indústria de transporte. As verificações de segurança em aeroportos e docas constituem um grande gargalo nas viagens e comércio internacional, e objetos desconhecidos podem causar longos atrasos, mesmo quando se revelam inofensivos.

Equilibrando qualidade com dosagem

Os fabricantes de aceleradores de partículas usados em equipamentos de triagem de segurança geralmente não precisa levar em consideração a dose de radiação transmitida às malas, recipientes e assim por diante. Isso, obviamente, não é verdade em imagens médicas, onde a dose para o paciente é uma consideração vital. Neste campo, a tomografia computadorizada é amplamente utilizada devido à sua alta qualidade de imagem, mas pesquisas recentes sobre os efeitos prejudiciais de altas doses de radiação chamaram a atenção para uma técnica alternativa conhecida como tomossíntese digital.

A tomossíntese digital funciona por mover a fonte de raios X ao redor do paciente e adquirir imagens, como na tomografia computadorizada. No entanto, em vez de uma rotação completa de 360 °, o ângulo é muito menor. Isso reduz a dose, mas o ângulo menor significa que menos informações estão disponíveis para a reconstrução, levando a uma qualidade de imagem inferior. Mover a fonte também cria artefatos induzidos por movimento nas imagens.

Um esforço contínuo de R & D pelo grupo de ciência do acelerador da Universidade de Liverpool / Instituto Cockcroft (que eu lidero) e uma empresa sediada no Reino Unido, Adaptix, tem como objetivo projetar um sistema de tomossíntese digital ultracompacto e de alta resolução que oferecerá aplicações aprimoradas de imagens médicas com menos impacto no paciente. Os novos projetos incluem um sistema com várias fontes de raios-X em diferentes posições e ângulos que substituem a única fonte móvel. Isso minimiza artefatos induzidos por movimento, embora também crie novos desafios que ainda estamos investigando. A esperança é que o dispositivo se torne uma etapa intermediária entre os raios X planares de baixa dosagem padrão e tomógrafos mais caros, dando aos médicos a opção de uma ferramenta que combina imagens 3D com uma dose de radiação mais baixa.

Vencer o câncer mais cedo

Um terceiro exemplo de transferência de tecnologia na ciência do acelerador está relacionado ao tratamento do câncer. As terapias com feixes de prótons e íons são muito eficazes no tratamento de certos tipos da doença e são um resultado direto do R & D em aceleradores de íons para aplicações científicas fundamentais. Até recentemente, havia apenas uma instalação clínica usando feixes de prótons para tratamento de câncer no Reino Unido: o Clatterbridge Cancer Center em Wirral, onde prótons de 60 MeV foram usados para tratar melanomas oculares por mais de 25 anos. O primeiro centro de câncer de feixe de prótons de alta energia no Reino Unido abriu suas portas em 2018 no hospital Christie em Manchester, e mais estão sendo construídos atualmente.

Ao contrário dos raios X usados em A tomografia computadorizada e as radioterapias convencionais, feixes de prótons e íons usados em tratamentos de câncer não passam por todo o corpo. Em vez disso, eles param bruscamente em uma profundidade determinada por sua energia. Ao modular a energia e a direção do feixe, os médicos podem distribuir uma dose homogênea de radiação sobre um volume de tumor 3D, poupando o tecido saudável circundante. A fim de otimizar ainda mais a terapia por feixe de íons, um esforço internacional de R & D se concentrou no desenvolvimento de novos feixes e técnicas de imagem de pacientes, estudos em modelos avançados de simulação física e biológica usando Monte Carlo códigos e pesquisa em design e otimização de instalações para garantir o tratamento ideal do paciente junto com a eficiência máxima. Todos esses são estudos baseados em pesquisas que originalmente visavam aceleradores para aplicações científicas fundamentais e mostram como os aplicativos de saúde podem se beneficiar de R & D.

Aceleradores que fornecem altas energias enquanto mantêm uma pequena “pegada” física podem trazer pesquisas e aplicações que atualmente só são possíveis em instalações de grande escala para uso mais amplo

Benefícios futuros

Estas são apenas algumas das maneiras que R & D em aceleradores de partículas levou a benefícios mais amplos. Outros avanços incluem melhores técnicas de aprendizado de máquina, robótica, novos materiais e avanços em criogenia, tratamento e análise de dados – e, é claro, a World Wide Web, que foi desenvolvida para experimentos de física de partículas no CERN. Esses aplicativos mudaram nosso mundo e acredito que as tecnologias de spin-out futuras terão o mesmo impacto.

Uma razão para meu otimismo é que a pesquisa contínua da ciência do acelerador promete inovações tecnológicas em várias áreas . A atualização de alta luminosidade do Large Hadron Collider (HL-LHC), por exemplo, tornará o mundo O colisor de partículas de maior energia d é uma ferramenta ainda mais poderosa para descobertas.

A luminosidade, originalmente definida para caracterizar o brilho de uma estrela, determina quantas colisões ocorrem em um colisor de partículas por unidade de tempo.Atualmente, os feixes no LHC apenas se cruzam para criar a oportunidade de colisão das partículas; para maximizar a chance de um esmagamento, os cientistas de Cockcroft contribuíram com experimentos com um método de capturar curtos pacotes de prótons de alguns centímetros de comprimento e lançá-los de lado para atingir outro monte de prótons de frente. Essas “cavidades de caranguejo” têm o potencial de aumentar a luminosidade do LHC em um fator de 10; isso irá acelerar a descoberta a tal ponto que 10 meses de trabalho atual poderiam ser feitos em apenas um.

Esses desenvolvimentos também exigirão novas ferramentas de diagnóstico de feixe para caracterizar completamente os feixes mais poderosos, já que as tecnologias existentes simplesmente não funcionarão mais. Meu grupo tem desenvolvido um monitor baseado em jato de gás não invasivo em estreita colaboração com especialistas do CERN e GSI na Alemanha, para a atualização do LHC – uma tecnologia que mostra grande promessa também para outros aceleradores de alta energia e alta intensidade.

Outras linhas de pesquisa visam tornar os aceleradores mais compactos, simplificando assim sua operação e reduzindo sua custos. Colaborações internacionais como EuPRAXIA e AWAKE estão investigando vários mecanismos, incluindo a aceleração de plasma por feixe de partículas e laser. Nestes esquemas, um plasma é modulado por um chamado “feixe de transmissão” que gera gradientes de campo elétrico extremamente altos no plasma. Ao injetar um feixe de elétrons em regiões com um campo elétrico muito alto, foi demonstrado que os elétrons podem ser acelerados a altas energias em distâncias que são 1000 vezes mais curtas do que é possível em aceleradores de RF convencionais. Esses são desenvolvimentos muito empolgantes, uma vez que aceleradores que fornecem altas energias enquanto mantêm uma pequena “pegada” física podem trazer pesquisas e aplicações que atualmente só são possíveis em instalações de grande escala para uso mais amplo.

Mais no futuro , um colisor de energia ainda mais alta (como o Future Circular Collider que está sendo estudado por pesquisadores ao redor do mundo) exigirá avanços em várias áreas, incluindo ímãs, materiais supercondutores e cabos, bem como detectores e diagnósticos – todos motores de inovação que mostram grande promessa para aplicação em outras áreas, muitas vezes inesperadas. R & D em aceleradores de partículas tem impulsionado a inovação por mais de 100 anos. Isso resultou em aplicativos com enormes benefícios para a sociedade. Um futuro ainda mais promissor está à frente.

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