Jornadas LIP 2003 Lisboa Dezembro

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1 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro
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 Lisboa Dezembro

2 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Índice 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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

3 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Resistive Plate Chambers (RPCs) para medida de tempos -HV Vidro Alumínio Área sensível Principais Características Resolução temporal ~ 50 ps σ. Eficiência 75% 300 μm Gap (MIPs). Sem resolução em energia. Possibilidade de resolução espacial. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

4 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

5 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
A colaboração HADES no GSI 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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

6 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
O detector HADES Detector de tempo de voo (cintiladores) Detector de cascatas Câmaras de fios Linha do feixe Rich Íman Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

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

8 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
O detector HADES Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

9 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
O detector HADES Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

10 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

11 1 m2 x 6 sextantes ~ 1300 canais electrónica
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. A proposta 1 m2 x 6 sextantes ~ 1300 canais electrónica 170 cm 140 cm Partícula incidente 40 cm Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

12 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Primeiro protótipo. Abril 2003 Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

13 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Resultados. Resolução temporal e caudas Resolução temporal ~80ps σ, caudas <10% em condições reais de feixe 10 % 80 ps Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

14 Nível de crosstalk < 0.4 % => não degradação da resolução
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. Resultados Nível de crosstalk < 0.4 % => não degradação da resolução . -1000 -300 300 1000 10 1 2 Time difference (ps) Events/10ps Sigma=80 ps 3-sigma Tails=5.9% 300ps Tails=4.2% Events=1311 Fast Charge in RPC2 (pc) 10 1 2 3 4 Events/0.1pC -3 -2 -1 Fraction of almost simultaneous events in RPC1 Crosstalk Double Hits Total crosstalk: 0.4% Total double hits: 1.2% 10 10 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

15 Resolução temporal < 100 ps σ ate 500 Hz/cm2
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. Resultados Resolução temporal < 100 ps σ ate 500 Hz/cm2 y = x 40 60 80 100 120 140 160 200 400 600 800 1000 1200 Rate (Hz/cm2) Time resolution (ps sigma) slope = 65 ps/kHz Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

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

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

18 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

19 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Planos de futuro. Verão 2004 – Teste de 20 canais na configuração definitiva, posição final. Verão 2005 – 2 sectores instalados. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

20 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

21 Uma outra aplicação PET para pequenos animais
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. Tomografia de emissão de positrões (PET) Uma outra aplicação PET para pequenos animais Construção da imagem Menores dimensões Resolução espacial  mm FHWM Coincidência Electrónica YAP-PET Dois fotões antiparalelos de 511keV são produzidos. p+  N e- e+ Núcleo instável  Protão decai para neutrão no núcleo Positrão combina-se com o electrão e aniquila-se Emissão dum Positrão e um neutrino  Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

22 Interacção Compton o fotoeléctrica
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. A ideia básica da detecção com RPCs. A detecção O scanner 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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

23 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Uso do tempo de voo em PET. σ t ~ 90 ps σ permite o uso do tempo de voo => Aumento da sensibilidade a) b) X = 80 cm TOF = 2.6 ns a) Imagem reconstruída sem tempo de voo. b) Imagem reconstruída com tempo de voo. [NIM A 471(2001) ] Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

24 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Simulações. Geant4 1 mm Simulação de uma matriz de discos de 40 mm, separados 1 mm e rodeados de água. Resolução espacial 380 µm FWHM. Não observado efeito de paralaxe FWHM 380 mm 100 mm / bin Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

25 Inteiramente construído no laboratório LIP Coimbra.
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. O primeiro protótipo 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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

26 Distribuição de alta tensão
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. RPC 16 RPCs empilhadas 32 strips 16 placas Leitura cabeças => 96 canais Distribuição de alta tensão Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

27 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
O sistema Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

28 600 µm FWHM Simulação 380 µm FWHM
Jornadas LIP Lisboa Dezembro. Primeiro resultado experimental. Resolução espacial. 1 mm 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 FWHM 600 mm 120 mm / bin Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

29 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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. Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

30 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
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 Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

31 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
FIM Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

32 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
RPC Eléctrodos de cobre (em PCB) e vidro. 0.3 mm Gap. 32 strips (1 mm) para recolha de sinal. Não optimizado para ser eficiente. Eléctrodo de vidro (ânodo) Eléctrodo de cobre (cátodo) X Área activa 32 x 10 mm2 Espaciadores 0.3 mm Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

33 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Simulations. Can we trust in Geant4? Experimental data Geant4 Measured projected positron range distribution FWHM (mm) 0.13 0.31 0.42 Isotope 18 F 11 C 68 Ga 82 Rb 22 Na Maximum b + Energy (MeV) 0.64 0.96 1.90 3.35 0.56 82Sr Projected PSF due to range only 11C 68Ga 18F Used in the test measurements mm water equivalent From “Mathematical removal of positron range blurring in high resolution tomography” Derenzo et all. IEEE NS, vol 33 No1” Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

34 . Experimental data Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Simulations. Can we trust in Geant4? Efficiency of a MWPC with 21 lead plates (250 mm) [from J.E. Bateman NIM 221 ( ] Experimental data Geant4 Geant4 seems accurate Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

35 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Simulations. Geant4, spatial resolution. 1 mm Simulation of a matrix of 40 mm diameter disc positron source (18F - max energy 640 KeV) spaced 1 mm surrounded by a water sphere. 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. FWHM 380 mm No parallax effect was observed. 100 mm / bin Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

36 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Schematic SETUP Trigger DAQ 2 x 48 discriminator channels Digital pattern 96 bits Groups of sums of 4 charges ADC Two heads Charge amplifier Charge amplifier Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.

37 Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 Dezembro.
Experimental. Spatial resolution 2 point-like positron source (22Na) Spaced 1.4 mm Different activities 7:1 FBP applied 300 mm / bin 1.4 mm No image enhancement Contrast enhanced Alberto Blanco Aplicações das RPCs para medida de tempos em Física de altas energias e imagiologia medica.