高能物理的研究改变了我们的日常生活

2019年10月27日 00:08

研究高能物理的粒子加速器除了败钱,还推动了哪些领域的进步?

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织(CERN)的对撞型粒子加速器,因发现了“上帝粒子”——希格斯波色子而闻名。不过加速或探测新粒子的技术除了用在高能物理领域外,其实还有很多用途。源自高能物理领域的技术正在向其他领域渗透,新一代紧凑型加速器在安保领域到癌症治疗都得到了广泛应用。

研究高能物理的粒子加速器除了败钱,还推动了哪些领域的进步?

英国伦敦希思罗机场近日宣布,机场开始采用新型的计算机断层成像扫描仪(即CT仪),不久后就可以减轻乘客在安检过程中的麻烦,比如无需将行李中的液体和凝胶单独取出检查。新的扫描仪可以实时生成高分辨率的三维X射线图像,使爆炸物的检测更加快捷,也无需对某类物品单独检查。

这类技术为安保人员和出行者带来福音,此前已被媒体广泛关注。但媒体忽略的一点是,检测行李或集装箱的流水线式安检仪的成像部件已被改进,由可产生电子束的粒子加速器进行扫描工作。这些改进使安检设备更加紧凑,也提高了成像质量。这是原本属于基础科学研究的粒子加速器技术,应用在我们日常生活中的一个小例子。

实时安全检查变得可能

传统的CT扫描依然是目前运用最广泛的安检成像技术。发射一束粒子(通常为X射线,即高能光子,但也可能是中子或其他粒子)来穿透物体,通过测量光束的衰减即可得到物体的2D影像图。在180°或360°范围内的各角度重复该过程,可得到各方向的投影,使用3D图形渲染软件即可将这些来自不同方向的截面图建模进行可视化,以便为使用者提供更清晰的扫描结果。

如今存在许多3D重建算法,但大多属于以下两类:滤波反投影(FBP)和迭代重建(IR)。不过这两种算法都会给出不太精确的结果,仍需要你在准确性与计算时间之间进行权衡。FBP对算力的要求低但准确性较差,而IR算法通常以较高的计算成本换取更高的精确度,产生的伪像较少。在这两类算法下的算力需求下,大部分CT仪选择获取静态图像,而非动态图像。

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然而,最近出现的实时断层扫描仪(RTT),大幅减少了这些障碍。不过第一代RTT由于扫描仪在袋子周围移动完成扫描所以较慢,而新一代系统没有移动部件,速度更快。

希思罗机场花5000万英镑(合人民币4.3亿)购买的CT扫描仪的生产商尚未披露,但其中一个最先进的系统由美国公司Rapiscan制造,并由英国Daresbury实验室(由科学技术设施委员会运作)的科学家提供支持和培训。Rapiscan公司的行李扫描系统使用了多个X射线源,固定的微型X射线发射器可实现成千上万个包裹的成像,而且生成图像的分辨率还高于标准CT成像。该系统还包含了一个非常快速的重建算法来加速筛选,使每小时检查1500-1800件行李成为可能。高速检测对于运输业至关重要,要知道机场或码头的安检过程是影响国际旅行和商业效率的主要瓶颈。如果不能辨明行李中是什么,即使它是无害的仍旧会耽误很长时间。

图像质量与剂量的平衡

制造安检设备的粒子加速器的厂家自然是不太会考虑辐射剂量,但在医疗成像中可不行,对患者的辐射剂量是重要的考量因素。在给行李检查时,CT扫描技术由于其高质量成像的优点得到广泛使用。但最近关于高剂量辐射的危害的研究报告,引起了人们对名为“数字断层合成”的替代技术的关注。

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数字断层合成(DT)技术在工作时会在患者周围移动X射线源并获取图像,如同CT扫描那样。不过不是完整的360°扫描,DT的扫描角度要小多的,这样做是为了减小剂量,不过也使得可用于3D重建的信息较少,生成的图像质量较低。

利物浦大学科克罗夫特研究所与英国Adaptix公司的加速器研究小组正在开发设计一种超紧凑、高分辨率的DT系统,该系统将提供更高级的医疗服务。该系统有望成为低剂量平面X射线与CT扫描仪的中间选项,使医生可以用上结合低剂量和3D成像的医疗工具。

更快地击败癌症

加速器科学的技术转移其第三个例子涉及癌症治疗,质子束和离子束疗法在某类型疾病的治疗上非常有效,这是离子加速器(ion accelerators)基础科学研究带来的成果。

研究高能物理的粒子加速器除了败钱,还推动了哪些领域的进步?

与CT扫描或常规放射治疗中的使用的X射线不同,用于癌症治疗的质子束或离子束不会穿透人体(毕竟X射线是光子,而后者是有静质量的实物粒子)。相反,它们会在动能耗尽时在人体深处夏突然停止。因此通过调节光束的能量和方向,临床医生可以在肿瘤的3D形貌上精确提供均匀剂量的辐射,同时保护周边组织不受影响。

为粒子提供高能量的加速器不仅在“小”物理上继续发展进步,同时也能将研究成果转移到“大”领域提供更广泛的应用。

未来会带来更多福利

这些只是粒子加速器所能带来的获益的一小部分,其他方面的改变还包括推动机器学习技术、机器人技术、新材料技术、低温学、数据处理与分析等方面的进步。

值得一提的是,“万维网”就是1989年英国科学家蒂姆·伯纳斯·李为欧洲核子研究中心(简称CERN)的粒子物理实验所开发的,而后1990年他在瑞士CERN的工作期间编写了第一个网页浏览器。这些与加速器相关的应用改变了全世界,我们取代未来的衍生技术仍能产生同样的影响。

研究高能物理的粒子加速器除了败钱,还推动了哪些领域的进步?

未来,更高能量的对撞机(例如世界各地研究人员正在研究的“未来环形对撞机”,简称FCC)将会在若干领域取得进展,包括磁铁、超导材料、电缆以及探测器,所有的创新驱动力往往会在意想不到的其他领域发挥巨大作用。100多年来,粒子加速器的研发工作一直在推动创新,为社会带来了巨大的利益,未来也会继续为我们提供更多福利。