Imaging in contrasto di fase con sorgenti Thomson Piernicola Oliva Università di Sassari – INFN Cagliari

BNL L’obiettivo dell’esperimento BEATS è di investigare le potenzialità di imaging (medicale) della sorgente Thomson di LNF Nell’ambito dell’esperimento BEATS è stata iniziata una collaborazione con BNL/UCLA

Motivazioni L’obiettivo di BEATS è di studiare la applicazioni delle Inverse Compton Source La ICS in costruzione presso LNF sarà presto operativa Nel frattempo è possibile effettuare test preliminari presso altre sorgenti

Perché BNL Nel workshop di Alghero 2008 sulle ICS è emerso un generale interesse verso le applicazioni di tali sorgenti Tuttavia sono poche le sorgenti attualmente attive e aperte agli utenti. La ICS di BNL è una di queste BNL ha una lunga storia nelle ICS (primi fotoni nel 1999); c’è una grande expertise a disposizione

Compton Sources for X/  Rays: Physics and Applications, September 11, 2008/33 Layout of the ICS at BNL ATF

Numbers MeV e-beam 0.5nC, 30-50μm RMS (50μm to minimize background), 1-3.5ps CO2 laser, =10.6  m, 0.6 TW, a 0 ~0.3, 5 ps, 30 μm x-rays per pulse (>10 8 x-rays in high background mode) E x : 6 – 13 keV

Camera di Interazione

Zona dedicata agli utenti 250 μm Be-window Insertable Ni and Fe foils 1 mrad pinhole on remote 2-axis control Remotely insertable Si-diode detector 250 μm Be-window MCP image intensifier

Pro & Contro La sorgente è funzionante Buon expertise Aperti alle collaborazioni L’energia non è ottimale per applicazioni medicali Il numero di fotoni/shot è limitato Il repetition rate è basso

Attività recenti Dicembre 2008 prime misure preliminari a BNL (Emean= 7 keV) Maggio 2009 approvazione da parte dello scientific committee di BNL della collaborazione UCLA/BNL/INFN Ottobre 2009 run per imaging in contrasto di fase (Emean= 10.8 keV)

Advanced Imaging and Ultra-fast Material Probing With Inverse Compton Scattering A proposal to the Brookhaven Accelerator Test Facility Gerard Andonian £, Alberto Bacci €, Ubaldo Bottigli ¢, Massimo Carpinelli ‡*, Pasquale Delogu §, Marco Endrizzi §, Mauro Gambaccini #, Antonio Franconieri #, Atsushi Fukusawa £, Bruno Golosio ‡, Erik Hemsing £, Gabriel Marcus £, Agostino Marinelli £, Pietro Musumeci £, Piernicola Oliva ‡, Finn O’Shea £, Vittoria Petrillo €, Igor Pogorelsky ß, James Rosenzweig £*, Luca Serafini €, Arnaldo Stefanini §, Oliver Williams £, Vitaly Yakimenko ß ß Brookhaven National Laboratory # Università di Ferrara and INFN € Università di Milano and INFN § Università di Pisa and INFN ‡ Università di Sassari and INFN ¢ Università di Siena and INFN £ UCLA Dept of Physics and Astronomy *co-spokesmen Abstract This proposal seeks to exploit, in the context of the ongoing collaboration on advanced light sources and beam physics between the Brookhaven National Laboratory, the UCLA Particle Beam Physics Laboratory, and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), the unique capabilities of ultra- fast inverse Compton scattering (ICS) sources for advanced applications in imaging. Such ICS sources, because of their quasi-monochromatic, yet tunable nature, enable techniques ranging from ultra-fast dynamic X-ray diffraction, to nuclear fluorescence for homeland security applications, among many others. This initiative will take advantage of a burgeoning ICS lab source recently commissioned by the collaboration at the BNL Accelerator Test Facility. The goals of this proposal are to complete studies of the fundamental electrodynamics of the ICS interaction, in order to characterize in detail the angular and energy spectrum of photons produced. These studies, which have already produced preliminary results that have caught the attention of the 4 th generation light source community, will be performed in the linear and nonlinear regimes, and with a variety of focal and polarization states. Such experiments are uniquely enabled at BNL due to the availability of a TW, 10.6  m wavelength, few ps pulse length laser system. They will lay the basis for understanding the physics limitations of applications of the ICS technique. We plan also to widen initial studies of ICS applications, investigating such potentially powerful techniques such as digital subtraction two-color imaging, and phase contrast imaging. We will then extend the use of the ICS to ps time-resolved pump-probe experiments, utilizing techniques such as dynamic diffraction. Studies of laser-induced melting with ps resolution will demonstrate the utility of this technique.

PHASE CONTRAST IMAGING La sezione d’urto per scattering elastico di raggi X nella materia, che determina lo sfasamento dell’onda che attraversa l’oggetto di interesse, è generalmente maggiore della sezione d’urto per assorbimento. Per esempio, raggi X da 17.5-keV che attraversano uno spessore da 50- μ m di tessuto biologico, sono attenuati per una frazione del percento ma lo sfasamento è prossimo a π. La registrazione di questo sfasamento, oltre all’assorbimento, permette di incrementare in modo consistente il contrasto.

PHASE CONTRAST IMAGING Variazioni spaziali della parte reale dell’indice di rifrazione determinano lo sfasamento dell’onda che può essere osservato mediante le tecniche di “imaging di fase” n =1-  - i   : assorbimento (10 -9 – ) *  : phase shift (10 -6 –10 -8 ) * * )biological tissues, for x ray at the keV range

INLINE PHASE CONTRAST Free space propagation (in-line) (Snigirev, 1995) L'onda sfasata che esce dall'oggetto si propaga nello spazio per una distanza pari a z fino a raggiungere il detector; durante la propagazione i fronti d'onda che hanno subito un diverso sfasamento gli uni rispetto agli altri interferiscono. Tale fenomeno ha origine in corrispondenza di confini tra zone con indice di rifrazione diverso o in corrispondenza dell'interfaccia tra zone del campione con lo stesso indice di rifrazione ma di diverso spessore. Fasci parzialmente coerenti (spazialmente) Per distanze sorgente-campione e campione-detector dell’ordine del metro occorre una sorgente di dimensioni ~10  μ m Si può realizzare anche con sorgenti policromatiche Comporta l’acquisizione di una sola immagine

EDGE ENHANCEMENT

BEATS – PHASE CONTRAST IMAGING SOFTWARE DI SIMULAZIONE Simula le immagini di fili di diverso materiale e spessore in aria Tiene conto delle caratteristiche spaziali della sorgente Tiene conto della policromaticità del fascio Tiene conto delle caratteristiche di risoluzione spaziale ed efficienza del rivelatore

BEATS – PHASE CONTRAST IMAGING Imaging di un filo di PMMA di spessore 1mm in aria Sorgente: Tubo W microfocus Spot size di 10  m fino a 40 kV picco Geometria: distanza sorg.-ogg. ~0.1m distanza ogg.-riv. fino a 1.5m Rivelatore CMOS: pixel size 48  m PSF (circa 125  m FWHM) Immagine acquisita profilo simulazione

SIMULAZIONI TS FRASCATI Contrasto di fase in funzione della dimensione del campione Contrasto di fase in funzione della distanza sorgente-campione

* source phantom MCP detector Be win Int. point 1000mm905mm 610mm 255mm 1515 mm (air) Primo run (Dicembre 2008) MISURE PRESSO (USA)

Media su 20 shot Filo di PET 500 micron di diametro Media su 20 shot Filo di PMMA 1mm di diametro Profilo PMMA Stumentazione: Sorgente Thomson, 7 keV, 2*10 7 fotoni per shot, durata dello shot 4 ps, spot size 50 micron, divergenza 7-8 mrad Rivelatore MCP, pixel size 40 micron, PSF > 200 micron, efficienza ~1% Fantoccio con lamina di Mo per immagine di edge, fili di polimeri per imaging con contrasto di fase Necessario cambio di energia e di rivelatore Singolo shot Filo di PET 500 micron di diametro Primo run (Dicembre 2008)

CONFRONTO RIVELATORI MCP detectorPPS CMOS (Si direct detection) APS CMOS + CsI scintillator Energia del fascio 11 keV Secondo run (Ottobre 2009)

RIVELATORE CMOS APS Il detector usato è un flat panel (Hamamatsu C9728DK − 10) basato su un sensore CMOS accoppiato con uno scintillatore (CsI). Active pixels readout Low noise: 80 electrons 1032 × 1032 pixels (50 μm pitch) High resolution 14-bit digital output

CARATTERIZZAZIONE CMOS Modellizzazione del detector Misura sperimentale di a ad Elettra Linearità Line Spread Function 105  m 115  m 146  m

CARATTERIZZAZIONE SORGENTE Spot size Alta variabilità shot-to-shot Numero massimo di fotoni misurato: 10 8 ph/shot Energia 10.8 keV Nuova configurazione: 2*10 7 fotoni per shot energia 11 keV linea in He FWHM=90  m Secondo run (Ottobre 2009)

DEFINIZIONE DELLA CONFIGURAZIONE OTTIMALE LSF del rivelatore Dimensione sorgente Massima distanza sorgente-detector Numero di fotoni/shot 105 cm 328 cm sorgenteoggetto detectorpipe He

NUOVE IMMAGINI Single shot, pulse: 4ps. Integration time: 5s. Secondo run (Ottobre 2009)

NUOVE IMMAGINI Secondo run (Ottobre 2009)

CONFRONTO CON LE SIMULAZIONI Experimental dataSimulated data I peak /I bkg I peak /I min I peak /I bkg I peak /I min PET 107  m Nylon 170  m PET 520  m Nylon 535  m PMMA 1124  m Secondo run (Ottobre 2009) Errore sui dati sperimentali ~ 2%

NUOVE IMMAGINI Secondo run (Ottobre 2009)

CONCORRENTI All data were measured using the x-ray energy of 30 keV with shots of pulsed x rays. The total integrated exposure time was 54 ns and the total elapsed time was 1800 s.

CONCORRENTI Each image was recorded with an exposure time of 100 s, hence the total exposure time was 900 s per data set.

ATTIVITÀ FUTURE A BNL Caratterizzazione della sorgente Energia Energy spread Flusso Imaging Tomografia (?)