Aeroportul Heathrow a primit recent o veste bună când s-a anunțat că – datorită noilor scanere tomografice computerizate (CT) ale aeroportului – în curând vor putea să nu mai separe lichidele și gelurile din bagajul de mână pe măsură ce trec prin securitate. scanerele produc imagini cu raze X tridimensionale de înaltă rezoluție în timp real, facilitând detectarea rapidă a explozivilor, fără a fi nevoie de un proces de screening separat.

Această dezvoltare a fost raportată pe scară largă în mass-media și anunțat ca un avantaj pentru călătorii și personalul de securitate. Totuși, ceea ce nu a fost raportat atât de pe larg este că imagistica simplificată a bagajelor și containerelor a fost realizată, parțial, prin îmbunătățirea acceleratorilor care furnizează fasciculele de electroni pentru r scanerele. Aceste îmbunătățiri au făcut ca echipamentele de scanare să fie mai compacte, îmbunătățind în același timp calitatea fasciculului de imagine – și s-au bazat pe cunoștințe care au fost dobândite, direct și indirect, de la R & D în acceleratoare de particule utilizate pentru cercetări științifice.

Screening de securitate în timp real

În scanarea CT – încă cea mai utilizată tehnică de imagistică pentru bagaje – un fascicul de particule (în mod tradițional raze X) , dar ar putea fi și neutroni sau alte particule) este trimis prin obiect. Măsurând fasciculul atenuat și apoi repetând acest proces în pași peste o gamă de 180 sau 360,, sistemul de imagistică produce o umbră 2D a specimenului, dezvăluind detalii ale structurii sale interne (dimensiuni, formă, defecte interne, densitate și curând). Aceste imagini transversale sunt reconstituite folosind proiecții din mai multe direcții și vizualizate cu ajutorul unui software de redare grafică 3D. Imaginea 3D este apoi manipulată și feliată în diferite moduri pentru a oferi o înțelegere aprofundată a obiectului.

Deși există mulți algoritmi de reconstrucție, majoritatea se încadrează în una dintre cele două categorii: proiecție filtrată înapoi (FBP) și reconstrucție iterativă (IR). Ambele proceduri dau rezultate inexacte și există o compromis între precizie și timpul de calcul necesar. FBP necesită mai puțină putere de calcul, dar este mai puțin precisă, în timp ce IR produce, în general, mai puține artefacte (erori în reconstrucție) la un cost de calcul mai mare. În ambele cazuri, cerința de putere de calcul înseamnă că majoritatea scanerelor tomografice dobândesc imagini statice, nu în mișcare. Între timp, dimensiunea mare și costul substanțial al acceleratoarelor folosite pentru a crea fasciculele de particule asigură faptul că, deși CT este utilizat în mod obișnuit pentru scanarea bagajelor de cală, utilizarea sa mai largă în screeningul de securitate este limitată.

Recent, totuși, real -au apărut scanere tomografice de timp (RTT) care reduc semnificativ aceste obstacole. Primele modele au fost relativ lente, deoarece au fost montate pe un portic și scanerul a fost mutat în jurul sacului, luând de obicei 12 până la 15 vizualizări. Cu toate acestea, noua generație de sisteme RTT nu are piese în mișcare și sunt considerabil mai rapide.

Producătorul scanerelor CT de 50 de milioane de lire sterline din Heathrow nu a fost dezvăluit, dar unul dintre cele mai avansate sisteme este realizat de o companie din SUA, Rapiscan, și a fost dezvoltat cu sprijin și instruire din partea oamenilor de știință din Marea Britanie. Laboratorul Daresbury (operat de Consiliul Facilităților de Știință și Tehnologie). Sistemul de scanare a bagajelor Rapiscan folosește mai multe surse de raze X. O serie staționară de emițătoare de raze X micro captează zeci de mii de vizualizări ale unui sac, generând imagini cu o rezoluție semnificativ mai bună în toate planurile decât imagistica CT standard. De asemenea, a fost dezvoltat un algoritm de reconstrucție foarte rapid pentru a accelera procesul de screening, făcând posibilă verificarea de la 1500 la 1800 de pungi pe oră. Acest lucru este extrem de important pentru industria transporturilor. Verificările de securitate la aeroporturi și docuri constituie un blocaj major în călătoriile și comerțul internațional, iar obiectele necunoscute pot provoca întârzieri mari chiar și atunci când se dovedesc a fi inofensive.

Calitatea echilibrării cu dozarea

În general, producătorii de acceleratori de particule utilizați în echipamentele de securitate trebuie să ia în considerare doza de radiație transmisă valizelor, recipientelor și așa mai departe pentru a fi realizate imagistică. Acest lucru nu este, desigur, adevărat în imagistica medicală, unde doza pentru pacient este o considerație vitală. În acest domeniu, scanarea CT este utilizată pe scară largă datorită calității sale ridicate a imaginii, dar cercetările recente privind efectele dăunătoare ale dozelor mai mari de radiații au atras atenția asupra unei tehnici alternative cunoscute sub numele de tomosinteză digitală.

Tomosinteza digitală funcționează de către deplasarea sursei de raze X în jurul pacientului și obținerea de imagini, ca în tomografia computerizată. Cu toate acestea, în loc de o rotație completă de 360,, unghiul este mult mai mic. Aceasta reduce doza, dar unghiul mai mic înseamnă că sunt disponibile mai puține informații pentru reconstrucție, ducând la o calitate a imaginii mai scăzută. Mutarea sursei creează, de asemenea, artefacte induse de mișcare în imagini.

Un efort continuu R & D de către grupul științei acceleratorului de la Universitatea din Liverpool / Cockcroft Institute (pe care o conduc) și o companie din Marea Britanie, Adaptix, își propune să proiecteze un sistem de tomosinteză digitală ultra-compact, de înaltă rezoluție, care va oferi aplicații de imagistică medicală îmbunătățite, cu un impact mai mic asupra pacientului. Noile modele includ un sistem cu mai multe surse de raze X în diferite poziții și unghiuri care înlocuiesc singura sursă în mișcare. Acest lucru minimizează artefactele induse de mișcare, deși creează și noi provocări pe care încă le cercetăm. Speranța este că dispozitivul va deveni un pas intermediar între raze X planare cu doză mică și scanere CT mai scumpe, oferind medicilor opțiunea unui instrument care combină imagistica 3D cu o doză mai mică de radiații.

Înfrângerea cancerului mai devreme

Un al treilea exemplu de transfer de tehnologie în știința acceleratorului se referă la tratamentul cancerului. Terapiile cu protoni și cu fascicul de ioni sunt foarte eficiente în tratarea anumitor tipuri de boală și sunt un rezultat direct de la R & D în acceleratori de ioni pentru aplicații științifice fundamentale. Până de curând, în Marea Britanie a existat o singură unitate clinică care utilizează fascicule de protoni pentru tratamentul cancerului: Clatterbridge Cancer Center de pe Wirral, unde 60 de protoni MeV au fost folosiți pentru a trata melanoamele oculare de mai bine de 25 de ani. Primul centru de cancer cu fascicul de protoni cu energie ridicată din Marea Britanie și-a deschis porțile în 2018 la spitalul Christie din Manchester și în prezent sunt construite mai multe.

Spre deosebire de razele X utilizate în Scanarea CT și radioterapiile convenționale, protonii și fasciculele de ioni utilizate în tratamentele împotriva cancerului nu trec pe tot parcursul corpului. În schimb, se opresc brusc la o adâncime determinată de energia lor. Modulând energia și direcția fasciculului, clinicienii pot furniza o doză omogenă de radiații peste un volum de tumoră 3D, în timp ce economisesc țesuturile înconjurătoare sănătoase. Pentru a optimiza în continuare terapia cu fascicul de ioni, un efort internațional R & D sa concentrat pe dezvoltarea de noi tehnici de imagistică a fasciculului și a pacientului, studii asupra modelelor îmbunătățite de simulare biologică și fizică folosind Monte Carlo coduri și cercetări în proiectarea și optimizarea facilităților pentru a asigura un tratament optim al pacientului, împreună cu o eficiență maximă. Acestea sunt toate studii care se bazează pe cercetări care inițial vizau acceleratorii pentru aplicații științifice fundamentale și arată cum aplicațiile pentru sănătate pot beneficia de un R & D.

Acceleratoarele care furnizează energii ridicate, menținând în același timp o „amprentă” fizică mică, ar putea aduce cercetări și aplicații care în prezent sunt posibile doar la instalații de mari dimensiuni într-o utilizare mai largă

Beneficii viitoare

Acestea sunt doar câteva dintre modalitățile prin care R & D pe acceleratorii de particule a dus la beneficii mai largi. Alte progrese includ tehnici mai bune de învățare automată, robotică, materiale noi și progrese în criogenie, manipulare și analiză a datelor – și, desigur, World Wide Web, care a fost dezvoltat pentru experimentele de fizică a particulelor la CERN. Aceste aplicații ne-au schimbat lumea și cred că viitoarele tehnologii spin-out vor avea la fel de mult impact.

Un motiv pentru optimismul meu este că cercetarea continuă a acceleratorului-știință promite inovații tehnologice în mai multe domenii. Actualizarea cu luminozitate ridicată a Large Hadron Collider (HL-LHC), de exemplu, va face ca Cel mai mare colisionator de particule cu energie este un instrument și mai puternic pentru descoperiri.

Luminozitatea, definită inițial pentru a caracteriza strălucirea unei stele, determină câte coliziuni au loc într-un colizor de particule pe unitate de timp.În prezent, grinzile din LHC se încrucișează pentru a crea posibilitatea ca particulele să se ciocnească; pentru a maximiza șansa unei zdrobiri, oamenii de știință Cockcroft au contribuit la experimente cu o metodă de captare a ciorchinelor scurte de protoni lungi de câțiva centimetri și aruncarea lor lateral pentru a lovi în față un alt grup de protoni. Aceste „cavități de crab” au potențialul de a crește luminozitatea LHC cu un factor de 10; acest lucru va accelera descoperirea într-un asemenea grad încât 10 luni de lucru curent ar putea fi realizate într-o singură.

Aceste evoluții vor necesita, de asemenea, noi instrumente de diagnosticare a fasciculului pentru a caracteriza pe deplin fasciculele mai puternice, deoarece tehnologiile existente pur și simplu nu vor mai funcționa. Grupul meu a dezvoltat un monitor neinvaziv pe bază de jet de gaz, în strânsă colaborare cu experți de la CERN și GSI. în Germania pentru actualizarea LHC – o tehnologie care dă dovadă de o mare promisiune și pentru alte acceleratoare de înaltă energie și intensitate ridicată.

Alte aspecte de cercetare urmăresc să facă acceleratoarele mai compacte, simplificând astfel funcționarea acestora și reducându-le Colaborări internaționale, cum ar fi EuPRAXIA și AWAKE, investighează mai multe mecanisme, inclusiv accelerarea plasmei cu laser și cu fascicul de particule. În aceste scheme, o plasmă este modulată de așa-numita „rază de acționare” care generează gradienți de câmp electric extrem de mari în plasmă. Prin injectarea unui fascicul de electroni în regiuni cu un câmp electric foarte ridicat, s-a demonstrat că electronii pot fi accelerați la energii mari pe distanțe care sunt de 1000 de ori mai scurte decât este posibil în acceleratoarele RF convenționale. Acestea sunt evoluții foarte interesante, deoarece acceleratoarele care furnizează energii ridicate, menținând în același timp o „amprentă” fizică mică, ar putea aduce cercetări și aplicații care sunt posibile în prezent doar la facilități la scară largă, pentru o utilizare mai largă.

Mai departe în viitor , un colizor cu energie chiar mai mare (cum ar fi viitorul colizor circular studiat de cercetători din întreaga lume) va necesita progrese în mai multe domenii, inclusiv magneți, materiale și cabluri supraconductoare, precum și detectoare și diagnostice – toți factorii de inovație care arată mare promisiune pentru aplicarea în alte domenii, adesea neașteptate. R & D în acceleratorii de particule a condus inovația de mai bine de 100 de ani. Acest lucru a dus la aplicații cu beneficii enorme pentru societate. Vi se așteaptă un viitor și mai promițător.

• Bucurați-vă de restul Focusului pe fizică din 2019 pe instrumente & Vacuum în revista noastră digitală sau prin intermediul Physics Aplicație mondială pentru orice smartphone sau tabletă iOS sau Android.