Codice
Esperimento Gruppo XPRESS 5 Rapp. Naz.: Simone Stumbo Rappresentante nazionale: Simone Stumbo Struttura di appartenenza: CA Posizione nell'I.N.F.N.:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
PROGRAMMA DI RICERCA A) INFORMAZIONI GENERALI Misura diretta di spettri radiodiagnostici in mammografia Linea di ricerca Laboratorio ove si raccolgono i dati Sigla dello esperimento assegnata dal laboratorio
Laboratorio della Struttura Dipartimentale di Matematica e Fisica dell'Università degli Studi di Sassari XPRESS
Acceleratore usato Fascio (sigla e caratteristiche) Processo fisico studiato Apparato strumentale utilizzato Sezioni partecipanti all'esperimento
Si vuole realizzare un sistema di rivelazione/elaborazione degli spettri emessi da apparecchiature radiodiagnostiche mammografiche. Il sistema è basato su rivelatori a semiconduttore, elettronica dedicata e tecniche di analisi/recupero del pile−up. Da realizzare
Calgiari, Catania, Napoli, Pisa
Istituzioni esterne all'Ente partecipante 2 anni Durata esperimento
B) SCALA DEI TEMPI : piano di svolgimento
PERIODO
ATTIVITA' PREVISTA Si prevede di studiare varie architetture monopixel con guard ring e multipixel di rivelatori a
2005
semicond. (CZT,CdTe,Si,HgI2) tali da poter sfruttare una "auto collimazione" del rivelatore con fasci mammografici con flussi fino a 10^8 fotoni/(s*mm^2). Verrà simulato il fenomento del charge
2005
sharing per le varie geometrie studiate. Verrà sviluppata l'elettronica di front−end dedicata al rivelatore scelto nella configurazione più performante. Vari metodi di riconoscimeto di eventi multipli
2005
verranno sviluppati. Verrà iniziato lo sviluppo della catena di acquisizione.
2006
acquisizione. Il sistema verrà a questo punto caratterizzato, una valutazione delle sue prestazioni verrà
L'elettronica nella sua forma definitiva verrà assemblata: da quella di front−end a quella di
2006
Mod EN. 1
fatta, ed infine sarà validato mediante misura diretta di spettri emessi da tubi mammografici radiodiagnostici.
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Simone Stumbo
Gruppo 5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 In KEuro IMPORTI
VOCI DI SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ Misure presso laboratori della collaborazione, riunioni di coordinamento
di cui SJ
5,0
5,0 1 partecipazione a congresso
2,0
2,0 3 board, componentistica per realizzazione elettronica di front−end ed acquisizione
6,0
6,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
portatile dedicato al sistema di acquisizione,
2,5
meccanica di posizionamento (manuale)
2,5
Totale
5,0
18,0
di cui SJ 0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ? Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CT
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: G. Raso
Gruppo 5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 In KEuro IMPORTI
VOCI DI SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
di cui SJ
Misure presso laboratori della collaborazione; riunioni di coordinamento; partecipazioni a 8,0 congressi.
8,0 Incontri scientifici; partecipazioni a congressi.
3,0
3,0 5 rivelatori a semiconduttore di vari materiali (CZT, CdTe,..) e varie geometrie( monopixel, multipixel, vari spessori).
25,0
Dosimetri a TL e ESR
5,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
30,0
Altro
Scheda multicanale per acquisizione dati.
3,5
PC Notebook per stazione portatile
1,5
Totale
5,0
46,0
di cui SJ 0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ? Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura NA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Eugenio Perillo
Gruppo 5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 In KEuro IMPORTI
VOCI DI SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ
di cui SJ
Viaggi presso altre sezioni partecipanti e ditte incaricate di lavorazioni per contatti e test 2,0 in comune
2,0 Contatti e test in fabbrica presso le ditte incaricate della produzione dei rivelatori (eV PRODUCTS,Constellation Technology−USA)
3,0
3,0 Cristalli e rivelatori CZT, HgI2 etc.
15,0
Supporti ceramici, maschere
4,0
Connettori e componenti elettronici
1,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
20,0
Altro
Apparati meccanici per montaggio e centratura rivelatori; sistemi di collimazione per test 5,0 rivelatori
5,0
Totale
30,0
di cui SJ 0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ? Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura PI
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Pasquale Delogu
Gruppo 5
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 In KEuro IMPORTI
VOCI DI SPESA
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Totale Compet.
SJ Riunioni di collaborazione
2,0
Misure presso strutture ospedaliere
3,0
Partecipazione a un congresso
2,0
di cui SJ
5,0
2,0 Materiali per collimatori
1,0
Contributo clean room
1,0
2,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
ADC multicanale (>16 canali) con campionamento ad almeno 1 MS/s e 12 bit di risoluzione
6,0 0,5
Celle Peltier per il raffreddamento dei rivelatori
Totale
6,5
15,5
di cui SJ 0,0
Sono previsti interventi e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni ? Breve descrizione dell'intervento:
Mod EC./EN. 2
(a cura del responsabile locale)
A cura della Comm.ne Scientifica Nazionale
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Simone Stumbo
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Simone Stumbo
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CT
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: G. Raso
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CT
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: G. Raso
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura NA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Eugenio Perillo
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura NA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Eugenio Perillo
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura PI
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Pasquale Delogu
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2 Il Gruppo di Pisa sarà impegnato nei seguenti lavori: •simulazione della generazione e del trasporto di carica per i rivelatori mono/multi pixel nelle varie geometrie studiate; •misure di charge sharing su rivelatori in Si e GaAs in funzione delle varie geometrie. Le misure saranno condotte su rivelatori mono−pixel e multi−pixel, in particolare verra' utilizzato il sistema medipix2 che e' dotato di 9 canali adiacenti con uscita analogica. I segnali analogici dovranno essere campionati con un ADC multicanale ad alta frequenza (che intendiamo acquistare) ed analizzati off−line in modo da ricostruire, per ogni evento, il baricentro della carica prodotta e il valore della stessa. E' possibile in questo modo discriminare gli eventi con divisione di carica e ricostruire lo spettro della radiazione incidente. Per ridurre il rumore termico sara' utilizzato inoltre un sistema di raffreddamento (che intendiamo acquistare) basato su celle Peltier. Le prestazioni saranno valutate nel laboratorio di Fisica Medica, utilizzando sorgenti e tubo radiografico con anodo in tungsteno, e in strutture ospedaliere collaboranti dotate di tubi radiografici specifici per la mammografia (anodo in molibdeno).
Mod EC./EN. 2a Pagina 1
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura PI
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Pasquale Delogu
Gruppo 5
ALLEGATO MODELLO EC2
Mod EC./EN. 2a Pagina 2
(a cura del responsabile locale)
Codice
Esperimento Gruppo XPRESS 5 Rapp. Naz.: Simone Stumbo
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
PREVENTIVO GLOBALE DI SPESA PER L'ANNO 2005 In KEuro A CARICO DELL' I.N.F.N. Struttura
Missioni interne
Missioni estere SJ
CA CT NA PI
TOTALI
Materiale di consumo SJ
SJ
Trasporti e facchinaggi SJ
Spese di calcolo
Affitti e Materiale Costruzione TOTALE manutenz. inventariabile apparati Compet. SJ
SJ
SJ
5,0 8,0 2,0 5,0
2,0 3,0 3,0 2,0
6,0 30,0 20,0 2,0
5,0 5,0
20,0
10,0
58,0
16,5
SJ
5,0 6,5
5,0
SJ
18,0 46,0 30,0 15,5
109,5
NB. La colonna A carico di altri enti deve essere compilata obbligatoriamente
Mod EC./EN. 4
A carico di altri Enti
(a cura del responsabile nazionale)
0,0 0,0 0,0 0,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
Nuovo esperimento Gruppo XPRESS 5
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod EN. 5 Pagina 1 di 2
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
Nuovo esperimento Gruppo XPRESS 5
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod EN. 5 Pagina 2 di 2
(a cura del rappresentante nazionale)
Proposta di esperimento XPRESS (X-ray Photon Rate and Energy Spectrum Study) Premessa I problemi scientifici e tecnici affrontati sommariamente nel presente programma di ricerca sono di grande attualità, specialmente per quanto riguarda l’impiego dei fasci di raggi X in campo medico, poiché l’attuale normativa nazionale, recependo le direttive europee e, in generale, degli Organi internazionali preposti quali l’International Commission on Radiological Protection (ICRP), prevede espressamente la necessità di effettuare controlli periodici sulla qualità del fascio. Purtroppo attualmente non sono disponibili dispositivi in grado di soddisfare al meglio tutte le esigenze del caso; per questo motivo numerosi gruppi di ricerca, pubblici e privati (Industriali), sono impegnati in questo campo.
Stato dell’arte Nel panorama mondiale si registra un forte interesse verso il problema della misura degli spettri emessi da apparecchiature radio-diagnostiche in generale e da quelle mammografiche in particolare [1-3]. Una buona conoscenza delle caratteristiche del fascio di Raggi X prodotto da un generatore è di fondamentale importanza in moltissime applicazioni, in particolare quando si intende usare il fascio per scopi medico-diagnostici o terapeutici. Tale conoscenza, infatti, consente di effettuare sul fascio tutti quegli interventi (filtrazione, monocromatizzazione, collimazione, determinazione dell’intensità ottimale, ecc.) che consentono di ottimizzarne l’impiego. In particolare, nelle applicazioni diagnostiche, una buona conoscenza della qualità del fascio è indispensabile per poter adottare tutti quegli accorgimenti tecnici che consentono un miglioramento della qualità dell’immagine radiologica e, nel contempo, di limitare la dose al paziente ed agli operatori sanitari. La definizione sperimentale delle caratteristiche di un fascio di raggi X in termini di una sua misura spettrale e quantitativa è spesso un’operazione che pone complessi problemi di carattere operativo. Infatti, allo stato attuale, non si dispone di un metodo semplice, veloce e affidabile per effettuare tutte quelle operazioni che sono necessarie per procedere alla completa caratterizzazione spettroscopica e dosimetrica e, soprattutto, non si dispone di una appropriata strumentazione compatta e integrata. Attualmente il controllo sulla qualità dei fasci X prodotti avviene mediante misure di esposizione con apparecchiature quali camere a ionizzazione o rivelatori a stato solido che forniscono una misura integrale della carica liberata all’interno dei differenti rivelatori, fornendo quindi una misura di esposizione, rateo di esposizione e/o dose, rateo di dose. Un ulteriore controllo sulla qualità dei fasci radiologici è rappresentato dalla verifica che la grandezza denominata Half Value Layer (HVL) stia all’interno di intervalli stabiliti. Per i problemi legati alla misura della qualità della radiazione emessa, sarebbe di grande interesse la possibilità di disporre di uno strumento in grado di fare misure esatte sia della forma dello spettro emesso dalle apparecchiature radiologiche, sia del flusso di fotoni sul paziente. Questo tipo di informazioni aprirebbe, peraltro, la strada a misure che consentono la misura assoluta dei parametri di imaging, quali la MTF (Modulation Transfer Function) e la DQE (Detective Quantum Efficiency). Allo stato attuale, infatti, anche se sono possibili dei confronti relativi, non è disponibile un sistema che consenta la misura assoluta dei suddetti parametri di imaging. La
procedura standard per valutare la qualità di un sistema è infatti quella di determinarne la DQE(f) in funzione della frequenza spaziale f. Al variare di f, la DQE(f) descrive le prestazioni di un qualsiasi sistema di imaging. Per f = 0 la determinazione di DQE(0) richiede la misura del numero di fotoni incidenti. E’ quindi evidente che la misura dell’intensità di un fascio con un sistema perfettamente noto nella sua risposta energetica è una richiesta essenziale sia per gli scopi dosimetrici sia per determinare la qualità dell’immagine.
Descrizione del caso scientifico Quantificando i dati fisici del problema da affrontare bisogna ricordare che i flussi di fotoni con energia compresa fra 10-30 keV da misurare, in particolare nella diagnostica mammografica, sono dell’ordine di 106 γ/mm2s ed occasionalmente possono arrivare a 108 γ/mm2s. E’ pertanto necessario utilizzare rivelatori con buone caratteristiche spettroscopiche (FWHM ~ 1 keV a 20 keV) perché gli spettri maggiormente utilizzati in campo mammografico presentano una struttura energetica che è quella caratteristica dell’emissione bremsstrahlung emessa da un anodo in molibdeno con 2 righe caratteristiche a 17.4 keV e 19.6 keV. Nell’ambito del progetto FLUXEN (FLUX and Energy) finanziato dalla Commissione V dell’ INFN è stata messa a punto una apparecchiatura che è in grado di realizzare la misura diretta dello spettro emesso da un tubo mammografico [4-6] ma che presenta alcuni limiti che verranno brevemente esposti nel seguito. D’altra parte competenze acquisite in esperimenti precedenti nell’ambito della dosimetria TL (RADRABLET) permetteranno la valutazione dei migliori materiali per la dosimetria di X di bassa energia. Background consolidato Il progetto FLUXEN ha consentito di raggiungere una approfondita conoscenza delle problematiche relative all’acquisizione diretta degli spettri emessi da apparecchiature per uso mammografico e costituisce un prezioso punto di riferimento e di partenza per sviluppare un sistema che vada oltre i limiti attuali dell’apparecchiatura messa a punto fino ad oggi. L’apparecchiatura sviluppata nel progetto FLUXEN fa uso di rivelatori a stato solido raffreddati in CZT (3x3x2 mm3) o CdTe (2x2x1 mm3), entrambi forniti da Amptek, e della relativa elettronica di alimentazione e amplificazione. L’elettronica è stata modificata secondo opportune specifiche al fine di raggiungere “count rates” dell’ordine di 40 kconteggi/(pixel*s). La catena di acquisizione fa uso di una scheda PCI che digitalizza il segnale di uscita dell’amplificatore creando uno stream di dati (20 Mb per acquisizioni di 0.5 s); questi vengono poi analizzati in modalità off-line mediante un software di analisi, realizzato nell’ambito del progetto FLUXEN, la cui caratteristica innovativa consiste nel recupero dei cosiddetti eventi di pile-up. Tali eventi vengono infatti normalmente eliminati in un comune MCA, mentre il software sviluppato in FLUXEN consente una ricostruzione degli eventi originari fino a sovrapposizioni centro-centro di due eventi nell’ordine di 260 ns. Il sistema di acquisizione è quindi completato da un PC desktop o da un portatile dotato di docking station (per ospitare la scheda di acquisizione).
Fig. 1 Fig. 1: confronto fra spettro emesso da un tubo mammografico modello Senographe DRM con settaggi: 29 kV e 20 mAs, ed acquisito con la strumentazione FLUXEN ad una distanza di 59 cm dal fuoco, con collimatore di diametro 25 micron, frequenza di campionamento 20 Mhz usando rivelatore in CZT e rivelatore in CdTe.
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 2: confronto fra lo spettro di Fig.1 e lo spettro simulato mediante IPEM Rep. 78 - Catalogue of Diagnostic X-ray Spectra and other Data7. Fig. 3: misura mediante camera a ionizzazione (tecnica attualmente usata) e mediante spettri misurati con FLUXEN dell’attenuazione del fascio prodotto da mammografo causata da spessori crescenti di Al al fine di stimare l’HVL.
Allo stato attuale abbiamo constatato che, qualora ci si ponga come obiettivo quello di realizzare una misura diretta e quantitativa dello spettro emesso da un mammografo, un punto di cruciale importanza è la collimazione. Normalmente una forte collimazione del fascio è la tecnica che si sceglie per ridurre l’elevato, ed altrimenti insostenibile, flusso sul rivelatore. Fino ad ora abbiamo usato varie geometrie che, comunque, sfruttano sempre un collimatore costituito da un disco in W con apertura di forma circolare (25 micron nominali di diametro e 1000 micron di spessore). Con simili dimensioni il punto critico riguarda l’effetto di penombra dovuto all’inclinazione dell’asse del collimatore rispetto alla direzione di provenienza dei fotoni. Infatti questo problema impedisce di fatto la possibilità di essere certi che si sta misurando realmente il flusso incidente (tabella 1) a meno di laboriose e complicate procedure di allineamento, di sicuro non praticabili in un uso quotidiano della strumentazione. Un altro dei limiti dell’esperimento è l’impossibilita di avere un riferimento dosimetrico di validità radiobiologica, Per tale motivo si ritiene che la sinergia con sistemi dosimetrici tessuto equivalente, integrati nel sistema di caratterizzazione del fascio, contribuirà ad una migliore ottimizzazione dello strumento per la definizione qualità immagine, minimizzazione dose.
gradi A/A0
0.1 0.911
0.2 0.823
0.3 0.735
0.4 0.649
0.5 0.565
0.6 0.483
0.7 0.404
0.8 0.328
0.9 0.256
1 0.190
2 #
3 #
4 #
5 #
6 #
7 #
Tabella 1: Frazione di area attiva (A)/area nominale (A0) del collimatore calcolata per varie inclinazioni (in gradi) dell’asse del collimatore rispetto alla direzione di provenienza dei fotoni. Il collimatore usato per i conti è costituito da un disco di W spesso 1mm e con foro circolare di diametro 25 micron.
Programma di ricerca Nel presente programma di ricerca sono state riunite le esperienze e le competenze di vari gruppi di ricerca. Sono state individuate più linee di indagine, ognuna con delle particolari caratteristiche, al fine di ottenere come risultato comune un sistema di rivelazione che presenti le seguenti caratteristiche: 1. ottime capacità spettroscopiche nel range energetico (10-30 keV), per rilevare la distribuzione spettrale dei fotoni; 2. elevata capacità di conteggio, in considerazione dell’alta intensità del fascio; 3. dimensioni poco ingombranti, per poter effettuare una accurata esplorazione della regione investita dal fascio; 4. buone caratteristiche di ripetibilità delle misure; 5. sistema integrato per misure dosimetriche; 6. grande resistenza ai danni indotti sui materiali dalle radiazioni ionizzanti; 7. elevata trasportabilità (del sistema comprendente rivelatore, dosimetro, elettronica di lettura ed analisi del segnale); 8. costi accessibili. L’approccio che si vuole seguire è quello di studiare, in una prima fase, varie soluzioni in termini di architettura e materiale del rivelatore, mediante simulazione e verifiche sperimentali. Resta ad esempio aperta la possibilità di rinunciare ad un rivelatore con efficienza di rivelazione prossima all’unità a favore di altri con minore efficienza di rivelazione ma con spessori più contenuti che favorirebbero un minor tempo per la raccolta dei portatori di carica. Una soluzione da valutare per ovviare ai problemi di collimazione fino ad ora esposti è quella di far ricorso ad un rivelatore monopixel (con guard ring) o multipixel, con una superficie attiva costituita da pixel di piccolissime dimensioni (1.6 10-3 mm2) sfruttando quindi il fattore geometrico del rivelatore ai fini della collimazione. In questo caso un’importante condizione da verificare (mediante simulazione e misure) è che l’area da cui provengono i conteggi sia esclusivamente quella relativa al pixel considerato, valutando la presenza di impulsi parziali provenienti dalla regione che contorna il pixel. Ragioni dettate dalla necessità di avere un campo elettrico uniforme, perpendicolare agli elettrodi, fanno preferire un anodo dotato di anello di guardia; anche così, la regione di gap può essere fonte di impulsi parziali, suddivisi tra pixel e guard-ring, che aumentano comunque il numero di conteggi relativi al pixel, rendendo difficilmente controllabile l’area di riferimento. I materiali dosimetrici, oltre ad avere caratteristiche tessuto equivalente, dovranno essere caratterizzati per risposta in energia, fluenza di fotoni e dose[8]. I anno Geometrie e materiali
Nel primo anno si prevedono simulazioni e misure su rivelatori in CZT, CdTe, GaAs e Si con vari spessori (200micron-1000micron) sia con geometria a piccolo pixel e guard-ring che con geometria multipixel. Per il mono pixel verrà in particolare indagato l’uso di tensioni di polarizzazione diverse per il pixel ed il guard-ring. Se si usano tensioni minori per il guard-ring, si aumenta il cosiddetto small pixel effect, perché le linee di forza del campo elettrico tendono a concentrarsi sul pixel centrale, aumentando la probabilità che elettroni prodotti fuori della zona ad esso sottostante vadano invece a contribuire ai segnali lì registrati. E’ anche da investigare una configurazione meno comune, con il guard-ring a tensione maggiore del pixel centrale, studiando le differenze di tensione più opportune perché tutti e soli i portatori prodotti nella regione sottostante il pixel vengano raccolti da questo elettrodo. Per l’architettura multipixel, per la quale in letteratura è stato dimostrato che la riduzione delle dimensioni dei pixel comporta un significativo miglioramento delle performance spettroscopiche del rivelatore (small pixel effect)[9], verrà indagato con sistematicità l’andamento della risoluzione in funzione del rapporto a/d (a= dim. laterale pixel; d spessore del rivelatore) con varie configurazioni (per esempio 0.05mm/0.3mm, 0.1mm/0.5mm, 0.2mm/0.5mm, 0.25mm/0.5mm, 0.1mm/1mm, 0.2mm/1mm, 0.25mm/1mm, o altro) studiando il fenomeno della diffusione di carica ed il fenomeno del charge sharing fra più pixel e del trapping della carica (cce). Inoltre verrà valutata la possibilità di utilizzare rivelatori basati su HgI2, materiale ad altissima efficienza di rivelazione, con soglie di rivelazione più basse del CZT, a causa del rumore più basso dovuto alla più larga band gap, e facilmente ottenibile in spessori dell’ordine del mezzo millimetro. E’ inoltre prevista la possibilità di raffreddare i rivelatori al fine di migliorarne le caratteristiche spettroscopiche mediante l’uso di una cella Peltier. Per gli aspetti dosimetrici inizialmente saranno utilizzati dosimetri commerciali ad alta sensibilità di cui sia nota la dipendenza dall’energia da 10 a 40 keV e di piccole dimensioni per la ricostruzione di mappe dosimetriche di superficie. Elettronica di front end catena di acquisizione ed analisi del segnale Per l’elettronica di front-end è previsto lo sviluppo di una elettronica analogica, a componenti discreti, dedicata ed adattata al tipo di rivelatore prescelto. La catena di acquisizione da realizzare deve rispondere alle seguenti caratteristiche: • • • • • •
preamplificatore di carica raffreddato (insieme al detector); risposta veloce al fine di poter processare segnali equivalenti a flussi di fotoni sul rivelatore dell’ordine di quelli attesi (fino a 105 al secondo); amplificatore shaper con uscita di tipo gaussiano con tempo di formatura finale non superiore ai 200 ns; il segnale formato deve venire acquisito e convertito tramite ADC con frequenza di almeno 20 MHz e profondità di 10/12 bit su una memoria (FPGA) di almeno 32 MB residente su una scheda che deve contenere tutta l’elettronica fin qui descritta; il setting dell’ADC deve avvenire via computer tramite bus USB o firewire ed il dato acquisito e immagazzinato nella FPGA deve essere trasferito offline mediante lo stesso bus al fine di garantire la massima portabilità del sistema di acquisizione; possibilità di funzionare mediante trigger selezionabile (in modalità post-trigger); sarebbe auspicabile la presenza di una doppia soglia per il trigger (una inferiore ed una superiore).
I canali di elettronica così realizzati possono variare tra 1 e 16 in funzione della architettura scelta per il rivelatore.
Per quanto riguarda l’analisi del segnale, si propone un metodo che non rigetti gli eventi affetti da pile-up mediante le consuete tecniche di rise time discrimination etc. ma che riconosca e ricostruisca gli eventi affetti da tale fenomeno[6]. Questo potrà essere realizzato seguendo 3 strade: 9 Elaborazione on-line 9 Algoritmica 9 Non algoritmica Elaborazione on-line: Il segnale campionato ad una frequenza compresa tra 20 e 40 MHz viene elaborato da un DSP (o in alternativa da un microcontrollore) che esegue in tempo reale e con un processo digitale tutte le operazioni normalmente effettuate con circuiti analogici, in particolare la discriminazione della soglia, il ripristino della linea di base, il riconoscimento dei segnali “impilati”, la misura della altezza del picco. In più il DSP (o il microcontrollore) è in grado di effettuare in tempo reale la analisi di altezza di impulso e creare l’istogramma-spettro relativo all’insieme dei segnali acquisiti[10,11]. Algoritmica: In questo contesto si applicheranno le conoscenze acquisite durante l’esperimento FLUXEN e si adatteranno gli algoritmi di analisi ed il software di gestione dell’acquisizione alle nuove caratteristiche temporali del segnale prodotto dall’elettronica. L’analisi del pile-up si basa su un fit del segnale che fa ricorso all’algoritmo di Marquardt-Levenberg. Con tale metodo si riescono a separare eventi rappresentati da segnali di forma gaussiana sovrapposti fino ad un ∆t dell’ordine della σ del segnale. Il metodo deve quindi venire esteso alla ricostruzione di segnali provenienti da più pixel (rivelatore multipixel) ed alla trattazione e soluzione del problema della ricostruzione del baricentro di carica qualora sia presente il fenomeno del charge sharing. Non algoritmica: Questo approccio non algoritmico, tramite reti neurali, è pensato per il solo uso con rivelatore multipixel. Il metodo prevede che una rete neurale possa essere addestrata a riconoscere autonomamente il tipo di evento (singolo o multiplo), in quale posizione (pixel) è avvenuta l’interazione del fotone e quanta energia è stata rilasciata. A questo proposito è possibile pensare di trattare ciascuno dei segnali provenienti dagli n canali del rivelatore, rappresentanti l’energia incidente sul pixel, come input di una rete neurale. Tale rete potrebbe essere una rete non supervisionata (ma non si esclude la possibilità di provare anche con delle reti supervisionate), tipicamente una rete auto-organizzante di Kohonen. Per l’addestramento della rete è necessario che venga effettuata una simulazione software degli eventi sul rivelatore in modo che da questa vengano prodotti gli esempi per l’addestramento della rete. Tale addestramento dovrebbe seguire le tecniche per le serie temporali, ovvero occorrerà fornire alla rete la successione temporale completa degli eventi che si succedono nella simulazione, in modo da rilevare i fenomeni di “charge sharing”. In alternativa all’approccio deterministico con il centro di massa, con questo criterio l’aspettativa consiste nel miglioramento dell’efficienza senza un sensibile rallentamento nel tempo di calcolo. Inoltre l’utilizzo della rete dovrebbe fornire un sistema più “protetto” nei confronti del rumore. II anno In questa fase è previsto l’assemblaggio del sistema di rivelazione e dosimetria (la cui configurazione è stata giudicata migliore fra le possibilità indagate) con l’elettronica sviluppata ed il software di gestione/analisi dati. Il sistema sarà testato e calibrato, e saranno valutate le prestazioni in termini di flussi sopportati, risoluzione energetica ed efficienza.
Ruolo del Gruppo di Pisa: Il Gruppo di Pisa sarà impegnato nei seguenti lavori: • simulazione della generazione e del trasporto di carica per i rivelatori mono/multi pixel nelle varie geometrie studiate; • misure di charge sharing su rivelatori in Si e GaAs in funzione delle varie geometrie. Arnaldo Stefanini (PO) Valeria Rosso (RU) Pasquale Delogu (coordinatore locale) Maria Evelina Fantacci (RU) Maria Giuseppina Bisogni (RU) Sergio Zucca (specializzando)
20% 20% 50% 30% 30% 70%
Totale Gruppo di Pisa
2.2 FTE
Ruolo del Gruppo di Palermo (Sezione INFN - Catania) Il gruppo di Palermo di occuperà di: • •
indagine sistematica dell’andamento della risoluzione energetica in funzione del rapporto (dim. Pixel)/spessore con varie configurazioni di rivelatori in CZT/CdTe indagine su idonei materiali dosimetrici tessuto equivalente e di geometria opportuna per la valutazione del carico dosimetrico per diverse caratteristiche del fascio. Giuseppe Raso Francesco Fauci Gaetano Gerardi Tiziano Schillaci Leonardo Abbene Maria Brai Antonio Bartolotta Cristina D’Oca
(PA) (coordinatore locale) (PA) (PA) Dottorando (Assegnista) (PO) (PA) (Assegnista)
Totale Gruppo CT-PA
60% 40% 50% 30% 100% 60% 40% 40% 4.2% FTE
Ruolo del Gruppo di Napoli Il gruppo di Napoli si occuperà oltre che dell’indagine sistematica dell’andamento della risoluzione in funzione del rapporto (dim. Pixel)/spessore con varie configurazioni di rivelatori in CZT/CdTe (in collaborazione con il gruppo di Palermo), della caratterizzazione del promettente HgI2 al fine di valutare la risoluzione energetica, le caratteristiche spettroscopiche, l’efficienza di rivelazione ed il fenomeno del charge sharing nelle geometrie proprie dell’applicazione in esame. Parteciperà inoltre ai test finali sull’intero sistema. Eugenio Perillo Adelaide Raulo
(PO) (coordinatore locale) (dottoranda)
50% 50%
Laura D’Ambrosio
(specializzanda)
30%
Totale Gruppo di Napoli
1.3 FTE
Ruolo del Gruppo di Sassari (INFN - Cagliari) Il gruppo di Cagliari-Sassari si occuperà in parallelo al gruppo di Pisa sul fronte della simulazione della generazione e del trasporto di carica per i rivelatori mono/multi pixel nelle varie geometrie studiate. Si farà carico inoltre dello sviluppo del sistema di acquisizione nelle tre linee sopra descritte. Ubaldo Bottigli Paolo Randaccio Angela Poggiu Gianluca Masala Piernicola Oliva Simone Stumbo
(PO) (PA) (specializzanda) (dottorando) (RU) (RU) (coodinatore nazionale)
Totale Gruppo di Sassari
30% 20% 50% 50% 30% 40% 2.2 FTE
RICHIESTE FINANZIARIE
2005 (kE)
Coordina tore Missioni Loca le inte rne
Cagliari Catania Napoli Pisa
S. G. E. P.
Stumbo Raso Perillo Delogu
Totale
Tota le
FTE
2 3 2 2
6 30 20 2
5 5 5 6.5
18 46 30 15.5
2.2 4.2 1 2.2
21
9
58
21.5
109.5
9.6
Ma te ria le Inve nta ria bile e /o Costruzione Appa ra ti
Tota le
FTE
2.2 4.2 1 2.2
Coordina tore Missioni Loca le inte rne
Cagliari Catania Napoli Pisa
S. G. E. P.
Totale
Ma te ria le Inve nta ria bile e /o Costruzione Appa ra ti
5 8 3 5
2006 (kE)
Stumbo Raso Perillo Delogu
Missioni Ma te ria le Este re di consum o
Missioni Ma te ria le Este re di consum o
4 6 3 5
2 2 3 2
5 8 10 2
5 7 5 7
16 23 21 16
18
9
25
24
76
1
S. Miyajima and K. Imagawa, "CdZnTe detector in mammographic x-ray spectroscopy” Phys. Med. Biol., 47, 3959-3972 (2002).
2
S. Miyajima et al., "CdZnTe detector in diagnostic x-ray spectroscopy” Med. Phys., 29, 1421-1429 (2002).
3
M. Matsumoto et al., “Direct measurement of mammographic x-ray using a CdZnTe detector” Med. Phys., 27, 1490-1502 (2000).
4
S. Aiello et al., ”Fluxen portable equipment for direct x-ray spectra measurements” NIM-A Vol 518/1-2 pp 389-390
5
U. Bottigli et al., ”Direct analysis of different mammographic X-ray spectra with a portable equipment” direct Proceedings of 4th international symposium on nuclear and related techniques, vol. volume unico, pp. d08/1-d08/6, Havana, Cuba 2003
6
U. Bottigli et al., “Direct analysis of Molybdenum target generated X-ray spectra with a portable equipment ” accettato da Med. Phys.
7
K. Cranley, B. Gilmore, G. Fogarty and L. Desponds Catalogue of diagnostic x-ray spectra and other data IPEM Report 78 (York: IPEM).
8
S.L. Dong et al. “Characterization of high-sensitivity metal oxide semiconductor field effect transistor dosimeters system and LiF: Mg, Cu, P thermoluminescence dosimeters for use in diagnostic radiology” – Applied Radiation and Isotopes 57 (2002) 883.
9
H. H. Barrett et al. “Charge transport in arrays of semiconductor gamma -ray detectors” – Physical Review Letters 75 (1995) 156;
10
A.Geraci, G.Ripamonti
“A new on-line digital solution for event timing setups”, Nucl. Instr. and Meth. Vol. A422, pp.337-340, 1999.
11
A.Geraci, A.Pullia, G.Ripamonti
“Automatic Pole-Zero / Zero-Pole digital compensator for high-resolution spectroscopy: design and experiments”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume 46 4 1, Aug.. 1999, pages 817-821.
Codice
Esperimento Gruppo XPRESS 5 Rapp. Naz.: Simone Stumbo
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
PREVISIONE DI SPESA Piano finanziario globale di spesa In KEuro ANNI Missioni Missioni FINANZIARI interne estere 2005 2006
TOTALI
Mod EC./EN. 6
20,0 18,0
10,0 9,0
38,0
19,0
Spese Materiale Affitti e Materiale Costruzione Trasporti e di di manutenzione inventariabile apparati facchinaggi calcolo consumo 58,0 16,5 5,0 25,0 24,0
83,0
0,0
0,0
0,0
40,5
5,0
TOTALE Compet. 109,5 76,0
185,5
(a cura del responsabile nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Simone Stumbo
Gruppo 5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N 1 2 3 4 5 6
RICERCATORE Cognome e Nome
Qualifica Dipendenti Incarichi
Affer. al gruppo . Art. 23 Ruolo Ricerca Assoc
P.O.
BOTTIGLI UBALDO MASALA GIANLUCA OLIVA PIERNICOLA POGGIU ANGELA RANDACCIO PAOLO STUMBO SIMONE
Dott. R.U. Spec. P.A. R.U.
Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent
5 5 5 5 5 5
%
30 50 30 50 20 40
Cognome e Nome
Qualifica Incarichi % Ass. Ruolo Art. 23 Tecnol. Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent N
TECNICI Cognome e Nome
0 0
Qualifica Incarichi
Dipendenti Ruolo Art. 15
Collab. tecnica
Annotazioni: mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
%
Assoc. tecnica
6 Numero totale dei Tecnici 2.2 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI Denominazione
N
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0 0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura CT
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: G. Raso
Gruppo 5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N 1 2 3 4 5 6 7 8
RICERCATORE Cognome e Nome
Qualifica Dipendenti Incarichi
Affer. al gruppo . Art. 23 Ruolo Ricerca Assoc
AsRic P.A. P.S. AsRic P.A. P.A. P.A. Dott.
ABBENE Leonardo BARTOLOTTA Antonio BRAI Maria D' OCA Cristina FAUCI Francesco GERARDI Gaetano RASO Giuseppe SCHILLACI Tiziano
Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent
5 5 5 5 5 5 5 5
%
100 40 60 40 40 50 60 30
Cognome e Nome
Qualifica Incarichi % Ass. Ruolo Art. 23 Tecnol. Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent N
TECNICI Cognome e Nome
0 0
Qualifica Incarichi
Dipendenti Ruolo Art. 15
Collab. tecnica
Annotazioni: mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
%
Assoc. tecnica
8 Numero totale dei Tecnici 4.2 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI Denominazione
N
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0 0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura NA
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Eugenio Perillo
Gruppo 5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N
Qualifica Affer. RICERCATORE Dipendenti Incarichi al % Cognome e Nome gruppo . Art. 23 Ruolo Ricerca Assoc Spec. P.O. Spec.
1 D'Ambrosio Laura 2 Perillo Eugenio 3 Raulo Adelaide
5 5 5
30 50 50
N
TECNICI Cognome e Nome
Qualifica Incarichi
Dipendenti Ruolo Art. 15
Annotazioni: mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature
Mod EC./EN. 7
0 0 %
Collab. Assoc. tecnica tecnica
3 Numero totale dei Tecnici 1.3 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI Denominazione
Cognome e Nome
Qualifica Incarichi % Ass. Ruolo Art. 23 Tecnol. Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent N
Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0 0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005 Struttura PI
Codice
Esperimento XPRESS Resp. loc.: Pasquale Delogu
Gruppo 5
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
N 1 2 3 4 5
RICERCATORE Cognome e Nome
Qualifica Dipendenti Incarichi
Affer. al . gruppo
%
5 5 5 5 5
30 30 20 20 70
N
Ruolo Art. 23 RicercaAssoc R.U. R.U. R.U. P.O.
Bisogni M. Giuseppina Fantacci M. Evelina Rosso Valeria Stefanini Arnaldo Zucca Sergio
Spec.
Qualifica Incarichi % Ass. Ruolo Art. 23 Tecnol. T.L. 50 Dipendenti
Numero totale dei Tecnologi Tecnologi Full Time Equivalent TECNICI Cognome e Nome
1 0.5
Qualifica Incarichi
Dipendenti
Collab. Ruolo Art. 15 tecnica
Annotazioni: mesi−uomo
Osservazioni del direttore della struttura in merito alla disponibilità di personale e attrezzature
La Sezione fornira' il supporto tecnico necessario.
Mod EC./EN. 7
%
Assoc. tecnica
5 Numero totale dei Tecnici 1.7 Tecnici Full Time Equivalent
SERVIZI TECNICI Denominazione
Cognome e Nome
1 Delogu Pasquale
N Numero totale dei ricercatori Ricercatori Full Time Equivalent
TECNOLOGI
(a cura del responsabile locale)
0 0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Preventivo per l'anno 2005
Codice
Esperimento Gruppo XPRESS 5 Rapp. Naz.: Simone Stumbo
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2005 Data completamento
Descrizione
dicembre 2005
Scelta del materiale, geometria ed architettura per il rivelatore da usare
dicembre 2005
Realizzazione elettronica di front end
Mod EC./EN. 8
(a cura del responsabile nazionale)
