Esperimento XDXL-PDP. Rossi(C. L.), G. Moschini, A. Battistella, M. Bello, G. Gennaro

La Sezione di Padova (gruppo di Padova – Legnaro), entra per il 2010nell’esperimento 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 all’astronomia X su satelliti (in collaborazione con l’INAF , Istituto Nazionale di Astrofisica) e alla bio-medicina

L’applicazione 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.

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”

)11

(1cos12

2

EEmc

Method to determine the incoming photon track and energy

TRACKER

CALORIMETER

Scattering Compton

Scattering Angle, Energies relationship

)11

(1cos12

2

EEmc

Scattering angle error as a function of the incident gamma energy

2221 EtrackEcalE

sin

)]cos1(1[

2

2

22

1

cm

E

cm

E

e

eE

Where:

Absolute Angle error as a function of the impact points position errors

2

22

22

42

)1( htg

tg yx

If =45° -> 2

222

4

1

hyx

Energy Vs Angle

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 45 90 135 180

Scatt

ered

Gam

ma

Ener

gy (M

eV)

Angle (Degrees)

Scattered Gamma Energy

E=0.14

E=0.511

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 45 90 135 180D

E/E

rele

ased

in th

e Tr

acke

r (M

eV)

Angle (dgrees)

DE/E released in the Tracker

E=0.14

E=0.511

Anger C. & Compton C. Principles

Anger C: -rays selection

Collimator

Scintill.Position. Sens.

PM system.

Direct Imaging

Calorimeter

Tracker

Compton C: g-rays measurementLighter Setup and Higher Efficiency

PT , ET

PC , EC

Computed Imaging

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 dell’efficienza)

-Proprio perchè si possono utilizzare energie maggiori, lo scattering nel corpo dell’uomo o animale e nell’aria, 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 un’alta risoluzione spaziale (prostata, tiroide e naturalmente piccoli animali)

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 l’esame ineffettuabile. Produzione dell’isotopo preferibilmente con “generatori” radiochimici

-Possibili:I-131 (364 keV)In-113* (392 keV)Sr-85 (520 keV) per una scansione osseaCo-58 (810 keV) per i tumori del polmoneK-43 (610 keV) per l’imaging 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.

Compton Camera Prototype for Small Animal SPET

SDD – TS (70x75x0.3 mm3)256 readout anodes

High Sensitivity,Low Dyn. Range

8x(32 chans ASIC)

TRACKER

Hamamatsu H9500 multianode (256)LaBr3 Crystal (50x50x5 mm3)

CALORIMETER

Test Phantom: radioactive capillaries

Low Sensivity,High Dyn. Range

8x(32 chans ASIC)

NI PCI 6133

NI PCI 6133

SOURCEIncident gamma (energy E1)

scattered gamma (energy E2)

dTC

dST

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)

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%

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 mm3 4.0 k€

Inventariabile-Scheda adc (8 canali a 3 Ms/s) e multi-funzione NI, modello PCI 6133 3.5 k€

TOTALE 12.0 k€

XDXL-PD. Richieste lavoro strutture sez. Padova (2010)

-Ufficio TecnicoProgetto 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 dell’ordine di 0.5 m.

Impegno: 1 m.u.

-Officina MeccanicaRealizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale.

Impegno: 2 m.u.  

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%

XDXL-PD. RICHIESTE (2010)Richieste k€InternoViaggi per riunioni di collaborazione e viaggi regolari Padova-LNL per attivita’ al “Laboratorio di Radiofarmaci e Imaging Molecolare” presso i LNL

0.5

EsteroPartecipazione 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

ConsumoMateriali 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 mm3 4.0InventariabileScheda adc (8 canali a 3 Ms/s) e multi-funzione NI, modello PCI 6133 3.5

TOTALE 12.0

XDXL-PD. Richieste lavoro strutture sez. Padova (2010)

-Ufficio TecnicoProgetto 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 dell’ordine di 0.5 m.

Impegno: 1 m.u.

-Officina MeccanicaRealizzazione di un supporto per posizionamento statico per una camera Compton per SPET animale.

Impegno: 2 m.u.  

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

NaI:Tl & Labr3:Ce

Properties NaI(Tl) LaBr3:Ce

Light yield (photons/keV) 41 63

Light output (% NaI(Tl), bialkaly PhC) 100 165

Wavelength at maximum emission (nm) 410 380

1/e decay time (ns) 230 16

Energy resolution (137Cs) 5.6 % 2.8 %

Refractive index 1.85 1.9

Density (gcm-3) 3.67 5.0

HVL (@140 keV) (cm) 0.26 0.23

Silicon Drift Detectors

256 readout anodes

256 readout anodes

drift

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 3rd and 4th 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<111> 3 k.cm, 300 m thick

Area:sensitive: 7.02 7.53 cm2, divided into two drift regionstotal: 7.25 8.76 cm2, (ratio = 0.83)

Each drift region:35 mm long 291 cathodes driven by built-in voltage divider256 anodes –294 m pitch

3 rows of 33 MOS charge injectors (for the drift velocity calibration)Guard regions:independent built-in voltage dividers

99mTc labeled HA bio-distribution imaging A B

C D

A B

C D

Liver

Bladder

Peritonealcavity

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).

64 channel electronic readout ( single module)

15 mm 50 mm

• Metal channel dynode• QE typ. = 27 % @ 380 nm• Number of dinodes = 12• Gain = 1.5106 (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 DE<0.07 MeV (per lo Tc-99*) or DE<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 Rric ~ 0.5 e il numero di anodi colpiti (hit anodes) Nha=2):

Nel= /pair-creat) · Rric/Nha·ET = (2.7·105·0.2 el/MeV)·0.07 MeV~3.8·103 (Tc-99*)

Nel= /pair-creat) · Rric/Nha·ET = (2.7·105·0.2 el/MeV)·0.22 MeV~1.2·104 (Positroni)

Il minimo segnale, 5 SD sopra il noise (5·20=100 eV) corrisponde a ET =1.8 keV

Tracker’s signals

Tracker: l’interazione Compton comporta una perdita di enrgia che dipende dall’angolo 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 l’emissione di positroni) . A questo corrisponde il seguente numero approssimato di elettroni (essendo l’energia per creazione di coppie in Si: : epair-creat = 2.67 eV, Il coefficiente di ricombinazione nel drift degli SDD Rric ~ 0.5 e il numero di anodi colpiti (hit anodes) Nha=2): Nel= (1 /epair-creat) · Rric/Nha·ET = (2.7·105·0.2 el/MeV)·0.07 MeV~3.8·103

(Tc-99*)Nel= (1 /epair-creat) · Rric/Nha·ET = (2.7·105·0.2 el/MeV)·0.22 MeV~1.2·104

(Positroni)Il minimo segnale, 5 SD sopra il noise (5·20=100 eV) corrisponde a ET =1.8 keV

Calorimeter’s Signal

Calorimetro. Il Labr3(Ce) dà su photocatodo Bialkali (QE=0.2) un (Nph-el/MeV)~1.2·104 Ph-e/MeV. Inoltre non più di metà della luce sarà raccolta dal phomoltiplicatore (Rcoll=0.5) e il numero degli anodi colpiti risulta circa metà di quelli disponibili in 50x50 mm2 e quindi nel caso del H9500 (a 256 canali) sarà circa 100. Infine l’amplificazione del PM H9500 èAH9500> 106. In definitiva gli elettroni del segnale che deve essere integrato nella scheda di R/O analogico sarà: Nel= (Nph-el/MeV)·Rcoll/Nha·AH9500·( EC)MeV = 1.2·104·0.5·10-2·106·( EC)MeV = 6·107·( EC)MeV

Nel= 6·107·0.14 = 8.4 106 (Tc-99*)Nel= 6·107·0.51 = 3.0 107 (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 = 6·107·1.5 10-2 = 106

 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.