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Esperimento XDXL-PD P. Rossi(C. L.), G. Moschini, A. Battistella, M. Bello, G. Gennaro La Sezione di Padova (gruppo di Padova – Legnaro), entra per il.

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1 Esperimento XDXL-PD P. Rossi(C. L.), G. Moschini, A. Battistella, M. Bello, G. Gennaro La Sezione di Padova (gruppo di Padova – Legnaro), entra per il 2010 nellesperimento XDXL (Resp. Nazionale A. Vacchi, sezioni di TS, Bo, Roma-II) Applicazioni di spettroscopia X ad alta risoluzione con rivelatori a deriva di silicio di grande superficie. In particolare applicazioni allastronomia X su satelliti (in collaborazione con lINAF, Istituto Nazionale di Astrofisica) e alla bio-medicina Lapplicazione bio-medica sara a carico dei gruppi di Bologna e Padova- Legnaro. Test su fantocci radioattivi e animali da cavia saranno effettuati nel laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare sito presso I LNL.

2 A Compton Camera for measuring gamma rays in animal SPET This method applies to energies between 100 and 1000 keV where the Compton interaction predominates Method to determine the incoming photon track and energy TRACKER CALORIMETER

3 Scattering Compton Scattering Angle, Energies relationship Scattering angle error as a function of the incident gamma energy Where: Absolute Angle error as a function of the impact points position errors If =45° ->

4 Energy Vs Angle

5 Anger C. & Compton C. Principles Anger C: -rays selection Collimator Scintill. Position. Sens. PM system. Direct Imaging Calorimeter Tracker Compton C: g-rays measurement Lighter Setup and Higher Efficiency P T, E T P C, E C Computed Imaging

6 Vantaggi dell Imaging medico con la Compton Camera e Isotopi utilizzabili I vantaggi delle CC per la SPET in medicina sono: -Maggiore efficienza, data la collimazione elettronica senza perdita di eventi in paragone alla collimazione meccanica delle Anger Camere (AG) tradizionali. -Risoluzione sub millimetrica anche alle alte energie dove le AG sono inadeguate (richiederebbero un ulteriore ispessimento dei setti con calo enorme dellefficienza) -Proprio perchè si possono utilizzare energie maggiori, lo scattering nel corpo delluomo o animale e nellaria, proveniente soprattutto da sorgenti in profondità, è minore portando ad un imaging migliore. -E ottimale per casi specifici che abbisognano di una geometria compatta e di unalta risoluzione spaziale (prostata, tiroide e naturalmente piccoli animali)

7 Isotopi Utilizzabili -Sono piu convenienti gamma emittenti ad energia maggiore del tradizionale Tc-99* -adeguati ad un utilizzo medico pratico (vita media non troppo lunga per minimizzare la dose inutile somministrata al paziente, ma non troppo corta che renderebbe lesame ineffettuabile. Produzione dellisotopo preferibilmente con generatori radiochimici -Possibili: I-131 (364 keV) In-113* (392 keV) Sr-85 (520 keV) per una scansione ossea Co-58 (810 keV) per i tumori del polmone K-43 (610 keV) per limaging miocardico. Emittenti beta+ (gamma di 511 keV) Anche se questi isotopi non saranno impiegati nei test del prototipio presso il Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare dei LNL, tuttavia essi potranno essere considerati nella simulazione con i programmi Montecarlo e nel chiarimento sulla struttura di una CC per applicazioni biomediche.

8 Compton Camera Prototype for Small Animal SPET SDD – TS (70x75x0.3 mm 3 ) 256 readout anodes High Sensitivity, Low Dyn. Range 8x(32 chans ASIC) TRACKER Hamamatsu H9500 multianode (256) LaBr3 Crystal (50x50x5 mm 3 ) CALORIMETER Test Phantom: radioactive capillaries Low Sensivity, High Dyn. Range 8x(32 chans ASIC) NI PCI 6133 SOURCE Incident gamma (energy E 1 ) scattered gamma (energy E 2 ) d TC d ST

9 Attivita dei gruppi Bologna e PD-LNL -completamento e test elettronica di lettura analogica (8 x ASIC VA32HDR11 della IDEAS di 32 canali) per H9500 (256 canali) (BO) -Acquisizione digitale basata su una scheda PCI della National Instruments comprensiva di 8 canali ADC (3 MS/s) e multifunzione, modello PCI 6133, da acquistarsi a carico di questa richiesta. (PD-LNL) -Supporto per posizionamento statico dei vari rivelatori per Compton C. (PD-LNL) -Studio di varie soluzioni per il Calorimetro: Cristalli tradizionali di NaI ovvero Cristalli innovativi di LaBr3(1.5 volte piu luminosi e 6 volte piu veloci), e anche fotomoltiplicatore H8500 (64 anodi) ovvero H9500 (256 anodi). Test con fantocci radioattivi verranno effettuati presso il Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare(BO e PD-LNL) - attività di simulazione con la libreria CERN GEANT4, inclusiva del pacchetto GLECS (Geant Low Energy Compton Scattering, Los Alamos, che introduce il Doppler Broadening). Si studiera sia il prototipo che un possibile futuro rivelatore per SPET umana (PD-LNL) - Studio e scelta degli algoritmi esistenti per ricostruzione 3D delle immagini Compton Tomografiche (PD-LNL)

10 XDXL – PD. Partecipanti Paolo Rossi (coord. Loc.) – Sez. di Padova 100% Gisella Gennaro - Sez. Di Padova 100% Giuliano Moschini - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 25% Andrea Battistella - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 10%

11 XDXL - PD. Richieste finanziarie (2010) Interno -Viaggi per riunioni di collaborazione e viaggi regolari Padova-LNL per attivita al Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare presso i LNL 0.5 k Estero -Partecipazione di una persona ad una conferenza internazionale relativa ai rivelatori per medicina, come la 12th Vienna Conference on Instrumentation, sezione Applications in Biology and Medicine (feb 15-20, 2010) 1.50 k Consumo -Materiali vari per la costruzione di un supporto per positionamento statico di una Camera Compton per SPET animale. 1.0 k -Materiali radioattivi (3 generatori Tc-99* del costo di 0.5k e della durata di due settimane ) per test su fantocci e piccoli animali 1.5 k -Lamina di cristallo LaBr3(Ce) 50x50x5 mm34.0 k Inventariabile -Scheda adc (8 canali a 3 Ms/s) e multi-funzione NI, modello PCI k TOTALE 12.0 k

12 XDXL-PD. Richieste lavoro strutture sez. Padova (2010) -Ufficio Tecnico Progetto di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Il supporto dovrà sostenere vari piani di rivelatori ( SDD e calorimetro) di peso e dimensioni ridotte, e dovrà permettere il posizionamento statico degli stessi a vari angoli e distanze. La dimensione lineare della struttura sarà dellordine di 0.5 m. Impegno: 1 m.u. -Officina Meccanica Realizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Impegno: 2 m.u.

13 XDXL – PD. Partecipanti (2010) Paolo Rossi (Coord. Loc.) – Sez. di Padova 100% Gisella Gennaro - Sez. Di Padova 100% Giuliano Moschini - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 25% Andrea Battistella - LNL (afferisce a PD per questo exp.) 10%

14 XDXL-PD. RICHIESTE (2010) Richiestek Interno Viaggi per riunioni di collaborazione e viaggi regolari Padova-LNL per attivita al Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare presso i LNL 0.5 Estero Partecipazione di una persona ad una conferenza internazionale relativa ai rivelatori per medicina, come la 12th Vienna Conference on Instrumentation, sezione Applications in Biology and Medicine (feb 15-20, 2010) 1.5 Consumo Materiali vari per la costruzione di un supporto per posizionamento statico di una Camera Compton per SPET animale 1.0 Materiali radioattivi (3 generatori Tc-99* del costo di 0.5k e della durata di due settimane ) per test su fantocci e piccoli animali 1.5 Lamina di cristallo LaBr3(Ce) 50x50x5 mm34.0 Inventariabile Scheda adc (8 canali a 3 Ms/s) e multi-funzione NI, modello PCI TOTALE12.0

15 XDXL-PD. Richieste lavoro strutture sez. Padova (2010) -Ufficio Tecnico Progetto di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Il supporto dovrà sostenere vari piani di rivelatori ( SDD e calorimetro) di peso e dimensioni ridotte, e dovrà permettere il posizionamento statico degli stessi a vari angoli e distanze. La dimensione lineare della struttura sarà dellordine di 0.5 m. Impegno: 1 m.u. -Officina Meccanica Realizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale. Impegno: 2 m.u.

16 3D Image Reconstruction for a Compton SPECT camera From tomographic views complex patterns can be 3D reconstructed by employing algorithm of the family Filtered Back Projection or others

17 NaI:Tl & Labr3:Ce Properties NaI(Tl) LaBr3:Ce Light yield (photons/keV) Light output (% NaI(Tl), bialkaly PhC) Wavelength at maximum emission (nm) /e decay time (ns) Energy resolution (137Cs) 5.6 % 2.8 % Refractive index Density (gcm -3 ) HVL keV) (cm)

18 Silicon Drift Detectors 256 readout anodes drift

19 SDD -2 Typical operating parameters: Drift bias voltage: -2.4 kV, 8V/cathode E=670V/cm Maximum drift time : 4.3 s, vd =8 m/ns Power dissipation on board:0.95 W equivalent Rtot of all drift + guard dividers 4781 kΩ total current in all dividers ~0.40 mA The SDD was selected to equip the 3 rd and 4 th layers of the Inner Tracking System(ITS) of the ALICE experiment at LHC.The finger print of this silicon drift detector is: Wafer type: 5 Neutron Transmutation Doped 3 k.cm, 300 m thick Area: sensitive: cm2, divided into two drift regions total: cm2, (ratio = 0.83) Each drift region: 35 mm long 291 cathodes driven by built-in voltage divider 256 anodes –294 m pitch 3 rows of 33 MOS charge injectors (for the drift velocity calibration) Guard regions: independent built-in voltage dividers

20

21 99m Tc labeled HA bio-distribution imaging Liver Bladder Peritoneal cavity Bladder Biodistribution studies of paclitaxel-HA. In vivo distribution of 99mTc-labeled bioconjugate was investigated in anesthetized mice (A) using a high-spatial resolution YAP gamma camera. Images reported were taken 2 hours after administration and refer to mice inoculated intravenously (B), intraperitoneally (C) or after bladder instillation (D).

22 64 channel electronic readout ( single module) 15 mm 50 mm Metal channel dynode QE typ. = nm Number of dinodes = 12 Gain = (typ.) Number of anode pixels = 8x8 array (6.08 mm pitch) Hamamatsu H8500 MA-PMT Tracker: l interazione Compton comporta una perdita di enrgia che dipende dall angolo di scattering. Dovendo il prototipo (di dimensione molto limitata) raccogliere solo gamma in avanti, possiamo considerare un º, che significa un E<0.07 MeV (per lo Tc-99*) or E<0.22 MeV (per il l emissione di positroni). A questo corrisponde il seguente numero approssimato di elettroni (essendo l energia per creazione di coppie in Si: : pair-creat = 2.67 eV, Il coefficiente di ricombinazione nel drift degli SDD R ric ~ 0.5 e il numero di anodi colpiti (hit anodes) N ha =2): N el = / pair-creat ) · R ric /N ha · E T = (2.7 · 10 5 · 0.2 el/MeV) · 0.07 MeV~3.8 · 10 3 (Tc-99*) N el = / pair-creat ) · R ric /N ha · E T = (2.7 · 10 5 · 0.2 el/MeV) · 0.22 MeV~1.2 · 10 4 (Positroni) Il minimo segnale, 5 SD sopra il noise (5 · 20=100 eV) corrisponde a E T =1.8 keV

23 Trackers signals Tracker: linterazione Compton comporta una perdita di enrgia che dipende dallangolo a di scattering. Dovendo il prototipo (di dimensione molto limitata) raccogliere solo gamma in avanti, possiamo considerare un a<45º, che significa un DE<0.07 MeV (per lo Tc-99*) or DE<0.22 MeV (per il lemissione di positroni). A questo corrisponde il seguente numero approssimato di elettroni (essendo lenergia per creazione di coppie in Si: : e pair-creat = 2.67 eV, Il coefficiente di ricombinazione nel drift degli SDD R ric ~ 0.5 e il numero di anodi colpiti (hit anodes) N ha =2): N el = (1 /e pair-creat ) · R ric /N ha ·E T = (2.7·10 5 ·0.2 el/MeV)·0.07 MeV~3.8·10 3 (Tc-99*) N el = (1 /e pair-creat ) · R ric /N ha ·E T = (2.7·10 5 ·0.2 el/MeV)·0.22 MeV~1.2·10 4 (Positroni) Il minimo segnale, 5 SD sopra il noise (5·20=100 eV) corrisponde a E T =1.8 keV

24 Calorimeters Signal Calorimetro. Il Labr3(Ce) dà su photocatodo Bialkali (QE=0.2) un (N ph- el /MeV)~1.2·10 4 Ph-e/MeV. Inoltre non più di metà della luce sarà raccolta dal phomoltiplicatore (R coll =0.5) e il numero degli anodi colpiti risulta circa metà di quelli disponibili in 50x50 mm 2 e quindi nel caso del H9500 (a 256 canali) sarà circa 100. Infine lamplificazione del PM H9500 è A H9500 > In definitiva gli elettroni del segnale che deve essere integrato nella scheda di R/O analogico sarà: N el = (N ph-el /MeV)·R coll /N ha ·A H9500 ·( E C ) MeV = 1.2·10 4 ·0.5·10 -2 ·10 6 ·( E C ) MeV = 6·10 7 ·( E C ) MeV Nel= 6·10 7 ·0.14 = (Tc-99*) Nel= 6·10 7 ·0.51 = (Positroni) Il minimo segnale che vale la pena di misurare è quello corrispondente alla risoluzione energetica del rivelatore LaBr3(Ce) che per e=0.511 MeV e circa 15keV. Si ha: Nmin = 6·10 7 · = 10 6 Come si nota, il range dinamico è di 7 ordini di grandezza per il Calorimetro, da paragonare con 4 ordini di grandezza per il Tracker. Serve una elettronica anologica di R/O molto diversa.


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