Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altasenergias e imagiologia médica
A.Blanco (1,4), N. Carolino (1), M. Couceiro (1,3), L. Fazendeiro (1), R. Ferreira Marques (1,2), P. Fonte(1,3), L. Lopes (1), P. Maduro (1), A. Pereira (1), A.Policarpo (1,2)
(1) LIP, Laboratorio de Instrumentação e Física Experimental de Partículas(2) Departamento de Física da Universidade de Coimbra(3) ISEC, Coimbra, Portugal.
Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro
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Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.
• Que é uma RPC
• Construção e instalação de um detector TOF para a experiênciaHADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrõesbaseado em RPCs.
Índice
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Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.
-HV
Alumínio
Vidro
Principais Características
• Resolução temporal ~ 50 ps σ.
• Eficiência 75% 300 μm Gap (MIPs).
• Sem resolução em energia.
• Possibilidade de resolução espacial.
Áreasensível
Resistive Plate Chambers (RPCs) para medida de tempos
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Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.
• Que é uma RPC
• Construção e instalação de um detector TOF para a experiênciaHADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrõesbaseado em RPCs.
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GSI, Darmstadt, Germany.
HADES High Aceptance Di Electron Spectrometer
• Colaboração europeia 19 instituições e 9 países.
• Programa cientifico amplo
• Estudo da emissão de pares electrão-Positrão emcolisões relativistas de iões pesados
• Produção de di-leptões em reacções elementares.
• Experimentos para o estudo da estrutura hadrónica.
A colaboração HADES no GSI
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Rich
Câmaras de fios
O detector HADES
Detector de tempode voo (cintiladores)
Íman
Detector decascatas
Linhadofeixe
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Rich
Câmaras de fios
O detector HADES
Detector de tempode voo (cintiladores)
Íman
Detector decascatas
Linhadofeixe
Detector de tempo devoo, RPCs
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O detector HADES
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O detector HADES
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Requisitos do detector para medida de tempo de voo
- Adequada granularidade.
- Resolução temporal < 100 ps σ.
- Resolução espacial < S=3 cm2.
- Bom comportamento a taxas de poucas centenas de Hz/cm2.
Teste de um primeiro protótipo
- Crosstalk entre celas vizinhas.
- Lidar simultaneamente com partículas lentas e rápidas.
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A proposta
170 cm
140 cm
40 cm
1 m2 x 6 sextantes ~ 1300 canais electrónica
Partículaincidente
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Primeiro protótipo. Abril 2003
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Resultados. Resolução temporal e caudas
Resolução temporal ~80ps σ, caudas <10% em condições reais de feixe
80 ps
10 %
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Resultados
0
2
4
6
8
10
12
10
0
0
2
4
6
8
10
12
10
Fast Charge in RPC2 (pc)
10
1
10
2
10
3
10
4
Events/0.1pC
-3
10
-2
10
-1
10
0
Fraction of almost simultaneous
events in RPC1
Crosstalk
Double Hits
Total crosstalk: 0.4%
Total double hits: 1.2%
Nível de crosstalk < 0.4 % => não degradação da resolução
.
-1000
-300
0
300
1000
10
0
10
1
10
2
Time difference (ps)
Events/10ps
Sigma=80 ps
3-sigma Tails=5.9%
300ps Tails=4.2%
Events=1311
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Resultados
Resolução temporal < 100 ps σ ate 500 Hz/cm2
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Resultados. Eficiência
Eficiência 85% (15 % ineficiência geométrica)
85 %
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Resultados. Resolução espacial
Resolução espacial 5.4 mm (σ)
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Resultados
• Resolução temporal de 80 ps σ em condições reais. => O.K.
• Resolução em posição 6 mm σ. => O.K.
• Taxa de contagem adequada as necessidades. => O.K.
• Efeito do crosstalk desprezável. => O.K.
Estes resultados sugerem que as RPCs para medida detempo, oferecem uma performance robusta para a medidade tempos em presença de partículas lentas (altamenteionizantes ) e uma alta ocupação do detector.
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Planos de futuro.
Verão 2004 – Teste de 20 canais na configuração definitiva, posição final.
Verão 2005 – 2 sectores instalados.
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• Que é uma RPC
• Construção e instalação de um detector TOF para a experiênciaHADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrõesbaseado em RPCs.
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Tomografia de emissão de positrões (PET)
Uma outra aplicaçãoPET para pequenosanimais
YAP-PET
Núcleo instável
Dois fotõesantiparalelos de511keV sãoproduzidos.
Positrão combina-secom o electrão eaniquila-se
Emissão dumPositrão e umneutrino
p+
e-
e+
Protão decai paraneutrão no núcleo
N
CoincidênciaElectrónica
Construção daimagem
Menores dimensões
Resolução espacial 1 - 3 mm FHWM
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Fotão incidente
InteracçãoCompton ofotoeléctrica
Placas empilhadas
....
e-
• Módulos de n RPCs empilhadas, para medidade tempos.
• Alta eficiência geométrica > 90 %.
• Medida tridimensional do ponto de interacçãodo fotão. Sem erro de paralaxe.
• Alta resolução espacial < 500 μm (FWHM).
• Alta resolução temporal ~ 90 ps (σ).
• Eficiência 20%.
• Baixo custo vs. implementações baseadas emcintiladores.
• Compatível com a Ressonância Nuclear.
A detecção
O scanner
A ideia básica da detecção com RPCs.
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Uso do tempo de voo em PET.
a) Imagem reconstruída sem tempo de voo. b) Imagem reconstruída com tempo de voo.
[NIM A 471(2001) 200-204]
a)
b)
X = 80 cmTOF = 2.6 ns
σ t ~ 90 ps σ permite o uso do tempo de voo => Aumento da sensibilidade
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1 mm
FWHM 380 m
100 m / bin
Simulações. Geant4
Simulação de uma matriz de discos de40 m, separados 1 mm e rodeados deágua.
Resolução espacial 380 µm FWHM.
Não observado efeito de paralaxe
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Inteiramente construído no laboratório LIP Coimbra.
Pensado para a verificação da excelente resolução espacial.
• 2 cabeças com 16 RPCs empilhadas
(o número de RPCs, a construção mecânica e os materiaisnão estão pensados para obter uma alta eficiência)
• Medida 2D do ponto de interacção do fotão.
• Resolução temporal não optimizada.
O primeiro protótipo
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16 RPCs empilhadas
Distribuição de alta tensão
.......
.......
32strips
16placas
RPC
Leitura cabeças => 96 canais
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O sistema
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Primeiro resultado experimental. Resolução espacial.
• 2 fontes pontuais (22Na), rodeadas porplástico, separadas 1 mm.
• Algoritmo simples de reconstrução(FBP), sem melhoramento algum naimagem.
• Resolução espacial
600 µm FWHM
Simulação 380 µm FWHM
120 m / bin
FWHM 600 m
1 mm
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Planos de futuro.
Construção de um PET completo para pequenos animais.
• Optimizar a resolução temporal.
• Medida da terceira coordenada, detecção 3D do ponto de interacção do fotão.
• Maximizar a eficiência optimizando a geometria e o numero de RPCs.
...
...
...
...
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Planos de futuro.
Construção de um PET humano de corpo inteiro.
• Alta eficiência geométrica.
• Alta resolução temporal => Uso tempo de voo.
• Alta resolução espacial.
• Baixo custo.
Alta performance
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FIM
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• Eléctrodos de cobre (em PCB) e vidro.
• 0.3 mm Gap.
• 32 strips (1 mm) para recolha de sinal.
• Não optimizado para ser eficiente.
Área activa 32 x 10 mm2
Eléctrodo de cobre (cátodo)
Eléctrodo de vidro (ânodo)
X
Espaciadores 0.3 mm
RPC
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Experimental data Geant4
82Sr
68Ga
11C
18F
Projected PSF due to range only
From “Mathematical removal of positron range blurring in highresolution tomography” Derenzo et all. IEEE NS, vol 33 No1”
mm water equivalent
Simulations. Can we trust in Geant4?
Measured projected positron range distribution
FWHM (mm)
0.13
0.13
0.31
0.42
Isotope
18
F
11
C
68
Ga
82
Rb
22
Na
Maximum
+
Energy (MeV)
0.64
0.96
1.90
3.35
0.56
Used in the testmeasurements
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Simulations. Can we trust in Geant4?
Efficiency of a MWPC with 21lead plates (250 m)
[from J.E. Bateman NIM 221 (1984 131-141]
. Experimental data
Geant4
Geant4 seems accurate
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Simulations. Geant4, spatial resolution.
Simulation of a matrix of 40 mdiameter disc positron source (18F - maxenergy 640 KeV) spaced 1 mmsurrounded by a water sphere.
1 mm
Imaged by a 2 head scanner with 16stacked counters (0.3 mm gap).
All processes were simulated positronrange and photon non-colinearity.
Corresponding Point Spread Functionwas determined by reconstructing pointsources and shows a width of 380 µmFWHM.
No parallax effect was observed.
FWHM 380 m
100 m / bin
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32 + 16
Chargeamplifier
2 x 48 discriminatorchannels
ADC
Trigger
Digital pattern 96 bits
Groups of sums of 4charges
DAQ
Two heads
32 + 16
Chargeamplifier
Schematic SETUP
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Experimental. Spatial resolution
• 2 point-like positron source (22Na)
• Spaced 1.4 mm
• Different activities 7:1
• FBP applied
No image enhancement
Contrast enhanced
300 m / bin
1.4 mm