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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.

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1 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 Dezembro

2 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. 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

3 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. 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

4 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. 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.

5 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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

6 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Rich Câmaras de fios O detector HADES Detector de tempo de voo (cintiladores) Íman Detector de cascatas Linha do feixe

7 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Rich Câmaras de fios O detector HADES Detector de tempo de voo (cintiladores) Íman Detector de cascatas Linha do feixe Detector de tempo de voo, RPCs

8 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. O detector HADES

9 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. O detector HADES

10 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Requisitos do detector para medida de tempo de voo - Adequada granularidade. - Resolução temporal < 100 ps σ. - Resolução espacial < S=3 cm 2. - Bom comportamento a taxas de poucas centenas de Hz/cm 2. Teste de um primeiro protótipo - Crosstalk entre celas vizinhas. - Lidar simultaneamente com partículas lentas e rápidas.

11 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. A proposta 170 cm 140 cm 40 cm 1 m 2 x 6 sextantes ~ 1300 canais electrónica Partícula incidente

12 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Primeiro protótipo. Abril 2003

13 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Resultados. Resolução temporal e caudas Resolução temporal ~80ps σ, caudas <10% em condições reais de feixe 80 ps 10 %

14 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Resultados Fast Charge in RPC2 (pc) Events/0.1pC Fraction of almost simultaneous events in RPC1 Crosstalk Double Hits Total crosstalk: 0.4% Total double hits: 1.2% Nível de crosstalk não degradação da resolução Time difference (ps) Events/10ps Sigma=80 ps 3-sigma Tails=5.9% 300ps Tails=4.2% Events=1311

15 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Resultados Resolução temporal < 100 ps σ ate 500 Hz/cm 2

16 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Resultados. Eficiência Eficiência 85% (15 % ineficiência geométrica) 85 %

17 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Resultados. Resolução espacial Resolução espacial 5.4 mm (σ)

18 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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.

19 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Planos de futuro. Verão 2004 – Teste de 20 canais na configuração definitiva, posição final. Verão 2005 – 2 sectores instalados.

20 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. 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.

21 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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-se Emissão dum Positrão e um neutrino p+p+ e-e- e+e+ Protão decai para neutrão no núcleo N Coincidência Electrónica Construção da imagem Menores dimensões Resolução espacial mm FHWM

22 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Fotão incidente Interacção Compton o fotoeléctrica Placas empilhadas.... e-e- Módulos de n RPCs empilhadas, para medida de tempos. Alta eficiência geométrica > 9 0 %. 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 detecçãoO scanner A ideia básica da detecção com RPCs.

23 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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) ] a)b) X = 80 cm TOF = 2.6 ns σ t ~ 90 ps σ permite o uso do tempo de voo => Aumento da sensibilidade

24 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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

25 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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

26 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 16 RPCs empilhadas Distribuição de alta tensão strips 16 placas RPC Leitura cabeças => 96 canais

27 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. O sistema

28 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Primeiro resultado experimental. Resolução espacial. 2 fontes pontuais ( 22 Na), 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

29 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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

30 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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

31 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. FIM

32 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. 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 mm 2 Eléctrodo de cobre (cátodo) Eléctrodo de vidro (ânodo) X Espaciadores 0.3 mm RPC

33 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Experimental data Geant4 82 Sr 68 Ga 11 C 18 F Projected PSF due to range only 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) Isotope 18 F 11 C 68 Ga 82 Rb 22 Na Maximum + Energy (MeV) Used in the test measurements

34 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Simulations. Can we trust in Geant4? Efficiency of a MWPC with 21 lead plates (250 m) [from J.E. Bateman NIM 221 ( ]. Experimental data Geant4 Geant4 seems accurate

35 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Simulations. Geant4, spatial resolution. Simulation of a matrix of 40 m diameter disc positron source ( 18 F - 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

36 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica Charge amplifier 2 x 48 discriminator channels ADC Trigger Digital pattern 96 bits Groups of sums of 4 charges DAQ Two heads Charge amplifier Schematic SETUP

37 Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica. Experimental. Spatial resolution 2 point-like positron source ( 22 Na) Spaced 1.4 mm Different activities 7:1 FBP applied No image enhancementContrast enhanced 300 m / bin 1.4 mm


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