aplicações das rpcs para medida de tempos em física de altas energias e imagiologia médica...

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

Jornadas LIP 2003 Lisboa 20-21 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



-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



• Que é uma RPC





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

http://www.gsi.de/



Rich

Câmaras de fios

O detector HADESDetector de tempo de voo (cintiladores)

Íman

Detector de cascatas

Linha do

feixe



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



O detector HADES



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.



A proposta

170 cm

140 cm

40 cm

1 m2 x 6 sextantes ~ 1300 canais electrónica

Partícula incidente



Primeiro protótipo. Abril 2003



Resultados. Resolução temporal e caudas

Resolução temporal ~80ps σ, caudas <10% em condições reais de feixe

80 ps

10 %



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



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



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 %



Resultados. Resolução espacial

Resolução espacial 5.4 mm (σ)



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.



Planos de futuro.

Verão 2004 – Teste de 20 canais na configuração definitiva, posição final.

Verão 2005 – 2 sectores instalados.



• Que é uma RPC





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



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.



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



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



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



16 RPCs empilhadas

Distribuição de alta tensão

....... .......

32 strips

16 placas

RPC

Leitura cabeças => 96 canais



O sistema



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



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.

...

...

......



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



FIM



• 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



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



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



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



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



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

aplicações das rpcs para medida de tempos em física de altas energias e imagiologia médica...

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