Passagerare vid Londons Heathrow Airport fick några goda nyheter nyligen när det tillkännagavs att de – tack vare flygplatsens nya datortomografi (CT) -skannrar – snart kommer att kunna sluta separera vätskor och geler i deras handbagage när de går igenom säkerheten. skannrar producerar tredimensionella röntgenbilder med hög upplösning i realtid, vilket gör det lättare att upptäcka sprängämnen snabbt utan behov av en separat screeningprocess.

Denna utveckling rapporterades allmänt i media och som välsignas för både resenärer och säkerhetspersonal. Det som dock inte rapporterades så brett är att strömlinjeformad avbildning av bagage och containrar delvis har uppnåtts genom förbättringar av acceleratorerna som tillhandahåller elektronstrålarna för r skannrarna. Dessa förbättringar har gjort skanningsutrustningen mer kompakt, samtidigt som kvaliteten på bildstrålen förbättrats – och de baserades på kunskap som direkt och indirekt har förvärvats från R & D till partikelacceleratorer som används för vetenskaplig forskning.

Säkerhetsundersökning i realtid

Vid CT-skanning – fortfarande den mest använda bildtekniken för bagage – en stråle av partiklar (traditionellt röntgenstrålar) , men det kan också vara neutroner eller andra partiklar) skickas genom objektet. Genom att mäta den försvagade strålen och sedan upprepa denna process i steg över ett 180- eller 360 ˚-område, producerar bildsystemet ett 2D-skuggbild av exemplaret och avslöjar detaljer om dess interna struktur (mått, form, inre defekter, densitet och så vidare). Dessa tvärsnittsbilder rekonstrueras med hjälp av projektioner från flera håll och visualiseras med hjälp av 3D-grafik-rendering programvara. 3D-bilden manipuleras och skivas sedan på olika sätt för att ge en grundlig förståelse av objektet.

Även om det finns många rekonstruktionsalgoritmer, faller de flesta i en av två kategorier: filtrerad tillbaka projektion (FBP) och iterativ rekonstruktion (IR). Båda förfarandena ger inexakta resultat och det finns en avvägning mellan noggrannhet och beräkningstid som krävs. FBP kräver mindre datorkraft men är mindre exakt, medan IR generellt ger färre artefakter (fel i rekonstruktionen) till en högre datakostnad. I båda fallen innebär datorkraftkravet att de flesta tomografiska skannrar förvärvar statiska bilder, inte rörliga. Samtidigt säkerställer den stora storleken och de betydande kostnaderna för acceleratorerna som används för att skapa partikelstrålarna att även om CT rutinmässigt används för att skanna bagage, är dess bredare användning vid säkerhetskontroll begränsad.

Nyligen, dock verklig -tomografiska tomografiska (RTT) skannrar har uppstått som avsevärt minskar dessa hinder. De första modellerna var relativt långsamma, eftersom de var monterade på en portal och skannern flyttades runt påsen, och tog vanligtvis 12 till 15 vyer. Den nya generationen RTT-system har dock inga rörliga delar och är betydligt snabbare.

Tillverkaren av Heathrows CT-skannrar på 50 miljoner £ har inte avslöjats, men ett av de mest avancerade systemen är tillverkat av ett amerikanskt företag, Rapiscan, och utvecklades med stöd och utbildning från forskare vid Storbritanniens Daresbury Laboratory (drivs av Science and Technology Facilities Council). Rapiscans bagagesökningssystem använder flera röntgenkällor. En stationär uppsättning mikro-röntgenemitterar fångar tiotusentals vyer av en påse och genererar bilder med betydligt bättre upplösning i alla plan än vanlig CT-avbildning. En mycket snabb rekonstruktionsalgoritm har också utvecklats för att påskynda screeningprocessen, vilket gör det möjligt att kontrollera 1500 till 1800 påsar per timme. Detta är enormt viktigt för transportbranschen. Säkerhetskontroller på flygplatser och bryggor utgör en stor flaskhals i internationell resor och handel, och okända objekt kan orsaka långa förseningar även när de visar sig vara ofarliga.

Balansera kvalitet med dosering

Tillverkarna av partikelacceleratorer som används i säkerhetsscreeningsutrustning brukar inte måste ta hänsyn till den strålningsdos som tillförs resväskor, behållare och så vidare som avbildas. Detta är naturligtvis inte sant vid medicinsk avbildning, där dosen till patienten är en viktig faktor. Inom detta område används CT-skanning i stor utsträckning på grund av dess höga bildkvalitet, men ny forskning om de skadliga effekterna av högre strålningsdoser har uppmärksammat en alternativ teknik som kallas digital tomosyntes.

Digital tomosyntes fungerar av flytta röntgenkällan runt patienten och skaffa bilder, som i datoriserad tomografi. Istället för en full 360 ˚ rotation är vinkeln dock mycket mindre. Detta minskar dosen, men den mindre vinkeln innebär att mindre information finns tillgänglig för rekonstruktionen, vilket leder till lägre bildkvalitet. Att flytta källan skapar också rörelseinducerade artefakter i bilderna.

En pågående R & D-insats av acceleratorvetenskapliga gruppen vid University of Liverpool / Cockcroft Institute (som jag leder) och ett UK-baserat företag, Adaptix, syftar till att utforma ett ultrakompakt, högupplöst digitalt tomosyntessystem som erbjuder förbättrade medicinska bildapplikationer med mindre påverkan på patienten. De nya designerna inkluderar ett system med flera röntgenkällor i olika positioner och vinklar som ersätter den rörliga källan. Detta minimerar rörelsesinducerade artefakter, även om det också skapar nya utmaningar som vi fortfarande undersöker. Förhoppningen är att enheten kommer att bli ett mellansteg mellan vanliga, plana röntgenbilder med låg dos och dyrare CT-skannrar, vilket ger läkare möjlighet att använda ett verktyg som kombinerar 3D-avbildning med en lägre strålningsdos.

Att slå cancer tidigare

Ett tredje exempel på tekniköverföring inom acceleratorvetenskap avser cancerbehandling. Proton- och jonstrålbehandlingar är mycket effektiva vid behandling av vissa typer av sjukdomen, och de är ett direkt resultat från R & D till jonacceleratorer för grundläggande vetenskapliga tillämpningar. Fram till nyligen fanns det bara en klinisk anläggning som använde protonstrålar för cancerbehandling i Storbritannien: Clatterbridge Cancer Center on the Wirral, där 60 MeV-protoner har använts för att behandla okulära melanom i mer än 25 år. Det första energicentret för protonstrålcancer i Storbritannien öppnade sina dörrar 2018 på Christie-sjukhuset i Manchester, och fler byggs för närvarande.

Till skillnad från röntgenstrålarna som används i CT-skanning och konventionella strålbehandlingar, proton- och jonstrålar som används vid cancerbehandling passerar inte hela vägen genom kroppen. Istället stannar de kraftigt på ett djup som bestäms av deras energi. Genom att modulera strålens energi och riktning kan kliniker leverera en homogen dos av strålning över en 3D-tumörvolym samtidigt som de sparar hälsosam omgivande vävnad. För att ytterligare optimera jonstrålterapi har en internationell R & D-insats fokuserat på utvecklingen av nya tekniker för stråle- och patientavbildning, studier i förbättrade biologiska och fysiska simuleringsmodeller med Monte Carlo koder och forskning om anläggningsdesign och optimering för att säkerställa optimal patientbehandling tillsammans med maximal effektivitet. Dessa är alla studier som bygger på forskning som ursprungligen riktade acceleratorer för grundläggande vetenskapliga applikationer och visar hur hälsoapplikationer kan dra nytta av mer allmänna R & D.

Acceleratorer som levererar hög energi samtidigt som de upprätthåller ett litet fysiskt ”fotavtryck” kan föra forskning och applikationer som för närvarande endast är möjliga vid storskaliga anläggningar i bredare användning

Framtida fördelar

Detta är bara några av de sätt som R & D på partikelacceleratorer har lett till bredare fördelar. Andra framsteg inkluderar bättre maskininlärningstekniker, robotik, nya material och framsteg inom kryogenik, datahantering och analys – och naturligtvis World Wide Web, som utvecklades för partikelfysikexperiment på CERN. Dessa applikationer har förändrat vår värld, och jag tror att framtida spin-out-teknik kommer att ha lika stor inverkan.

En anledning till min optimism är att pågående accelerator-vetenskaplig forskning lovar teknikinnovationer inom ett antal områden Den höga ljusstyrkan uppgradering av Large Hadron Collider (HL-LHC), till exempel, kommer att göra worl d: s högsta energi partikel kolliderar ett ännu mer kraftfullt verktyg för upptäckter.

Ljusstyrka, ursprungligen definierad för att karakterisera ljusstyrkan hos en stjärna, avgör hur många kollisioner som sker i en partikel kollider per tidsenhet.För närvarande passerar balkarna i LHC bara för att skapa möjlighet för partiklar att kollidera; För att maximera risken för en smash, har Cockcroft-forskare bidragit till experiment med en metod för att fånga korta protongängar några centimeter långa och kasta dem i sidled för att slå en annan massa protoner på fronten. Dessa ”krabbhåligheter” har potential att öka ljusstyrkan hos LHC med en faktor 10, vilket kommer att påskynda upptäckten i en sådan grad att 10 månaders pågående arbete kan utföras på bara en.

Denna utveckling kommer också att kräva nya stråldiagnostikverktyg för att fullt ut karakterisera de mer kraftfulla strålarna, eftersom befintlig teknik helt enkelt inte fungerar längre. Min grupp har utvecklat en icke-invasiv gasstrålebaserad bildskärm i nära samarbete med experter från CERN och GSI i Tyskland för LHC-uppgraderingen – en teknik som visar stort löfte även för andra högenergi- och högintensitetsacceleratorer.

Andra forskningsområden syftar till att göra acceleratorer mer kompakta och därigenom förenkla driften och minska deras Internationella samarbeten som EuPRAXIA och AWAKE undersöker flera mekanismer, inklusive laser- och partikelstråldriven plasmaacceleration. I dessa scheman moduleras en plasma av en så kallad ”drivstråle” som genererar extremt höga elektriska fältgradienter i plasma. Genom att injicera en elektronstråle i områden med ett mycket högt elektriskt fält har det visat sig att elektroner kan accelereras till höga energier över avstånd som är 1000 gånger kortare än vad som är möjligt i konventionella RF-acceleratorer. Detta är mycket spännande utveckling, eftersom acceleratorer som levererar hög energi samtidigt som de bibehåller ett litet fysiskt ”fotavtryck” kan föra forskning och applikationer som för närvarande endast är möjliga vid storskaliga anläggningar i bredare användning.

Ytterligare i framtiden , en ännu högre energi-kolliderare (som Future Circular Collider som studeras av forskare runt om i världen) kommer att kräva framsteg inom flera områden, inklusive magneter, superledande material och kablar, samt detektorer och diagnostik – alla drivkrafter för innovation som visar stort löfte för tillämpning inom andra, ofta oväntade områden. R & D till partikelacceleratorer har drivit innovation i mer än 100 år. Detta har resulterat i applikationer med enorma fördelar för samhället. En ännu mer lovande framtid ligger framför oss.

• Njut av resten av 2019 års fysikvärldsfokus på instrument & Dammsug i vår digitala tidning eller via Physics Världsapp för alla iOS- eller Android-smarttelefoner eller surfplattor.