Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias 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 experiência HADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrões baseado 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.
Área sensível
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 experiência HADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrões baseado 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 em colisões 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 HADESDetector de tempo de voo (cintiladores)
Íman
Detector de cascatas
Linha do
feixe
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Rich
Câmaras de fios
O detector HADESDetector de tempo de voo (cintiladores)
Íman
Detector de cascatas
Linha do
feixe
Detector de tempo de voo, 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
Partícula incidente
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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 12100
0 2 4 6 8 10 1210
Fast Charge in RPC2 (pc)
101
102
103
104
Eve
nts/
0.1
pC
-3
10-2
10-1
100
Fra
ctio
n o
f al
mos
t si
mul
tane
ous
eve
nts
in R
PC
1
CrosstalkDouble HitsTotal crosstalk: 0.4%
Total double hits: 1.2%
Nível de crosstalk < 0.4 % => não degradação da resolução.
-1000 -300 0 300 100010
0
101
102
Time difference (ps)
Eve
nts/
10p
s
Sigma=80 ps3-sigma Tails=5.9%300ps Tails=4.2%Events=1311
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Resultados
y = 0.0649x + 63.654
40
60
80
100
120
140
160
0 200 400 600 800 1000 1200
Rate (Hz/cm2)
Tim
e re
solu
tio
n (
ps
sig
ma)
slope = 65 ps/kHz
Resolução temporal < 100 ps σ ate 500 Hz/cm2
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Resultados. Eficiência
y = -0.0074x + 86.472
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500
Counting Rate (Hz/cm2)
Eff
icie
nc
yEficiência 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 de tempo, oferecem uma performance robusta para a medida de tempos em presença de partículas lentas (altamente ionizantes ) 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 experiência HADES no GSI.
• Desenvolvimento de um tomógrafo de emissão de positrões baseado em RPCs.
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Tomografia de emissão de positrões (PET)Uma outra aplicação
PET para pequenos animais
YAP-PET
Núcleo instável
Dois fotões antiparalelos de
511keV são produzidos.
Positrão combina-se com o electrão e
aniquila-seEmissão dum Positrão e um neutrino
p+
e-
e+
Protão decai para neutrão no núcleo
N
Coincidência Electrónica
Construção da imagem
Menores dimensões
Resolução espacial 1 - 3 mm FHWM
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Fotão incidente
Interacção Compton o
fotoeléctrica
Placas empilhadas
....e-
• Módulos de n RPCs empilhadas, para medida de tempos.
• Alta eficiência geométrica > 90 %.
• Medida tridimensional do ponto de interacção do fotão. Sem erro de paralaxe.
• Alta resolução espacial < 500 μm (FWHM).
• Alta resolução temporal ~ 90 ps (σ).
• Eficiência 20%.
• Baixo custo vs. implementações baseadas em cintiladores.
• 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 cm TOF = 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 de 40 m, separados 1 mm e rodeados de água.
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 materiais não 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
....... .......
32 strips
16 placas
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 por plástico, separadas 1 mm.
• Algoritmo simples de reconstrução (FBP), sem melhoramento algum na imagem.
• 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
68Ga11C
18F
Proj
ecte
d P
SF d
ue to
ran
ge o
nly
From “Mathematical removal of positron range blurring in high resolution 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 18F11C 68Ga 82Rb 22Na
Maximum +Energy (MeV) 0.64 0.96 1.90 3.35 0.56
Used in the test measurements
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Simulations. Can we trust in Geant4?
5,5%
6,0%
6,5%
7,0%
7,5%
8,0%
8,5%
9,0%
0 100 200 300 400Thickness (m)
Qu
antu
m E
ffic
ien
cy
.
Geant 4
J.E. Bateman
Efficiency of a MWPC with 21 lead 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 m diameter disc positron source (18F - max energy 640 KeV) spaced 1 mm surrounded by a water sphere.
1 mm
Imaged by a 2 head scanner with 16 stacked counters (0.3 mm gap).
All processes were simulated positron range and photon non-colinearity.
Corresponding Point Spread Function was determined by reconstructing point sources and shows a width of 380 µm FWHM.
No parallax effect was observed.FWHM 380 m
100 m / bin
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32 + 16
Charge amplifier
2 x 48 discriminator channels
ADC
Trigger
Digital pattern 96 bits
Groups of sums of 4 charges
DAQ
Two heads
32 + 16
Charge amplifier
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 enhanced300
m / bin
1.4 mm