Imaging in contrasto di fase con sorgenti Thomson

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

BEATS @ 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

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

Numbers • 60 -90 Me. V e-beam 0. 5 n. C, 30 -50μm RMS (50μm to minimize background), 1 -3. 5 ps • CO 2 laser, l=10. 6 mm, 0. 6 TW, a 0~0. 3 , 5 ps, 30 μm • 2 107 x-rays per pulse (>108 x-rays in high background mode) Ex: 6 – 13 ke. V

Camera di Interazione

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

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 ke. V) 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 ke. V)

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 -δ -iβ β: assorbimento (10 -9 – 10 -11)* δ : phase shift (10 -6 – 10 -8)* *)biological tissues, for x ray at the 10 -100 ke. V 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 μm • 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 1 mm in aria simulazione Sorgente: • Tubo W microfocus • Spot size di 10μm • fino a 40 k. V picco Immagine acquisita Geometria: • distanza sorg. -ogg. ~0. 1 m • distanza ogg. -riv. fino a 1. 5 m profilo Rivelatore CMOS: • pixel size 48μm • PSF (circa 125μm FWHM)

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

MISURE PRESSO ATF @BNL (USA) Primo run (Dicembre 2008) 1000 mm 905 mm 255 mm 610 mm * Be win Int. point Be win phantom source 1515 mm (air) MCP detector

MISURE PRESSO ATF @BNL (USA) Primo run (Dicembre 2008) Stumentazione: • Sorgente Thomson, 7 ke. V, 2*107 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 contrasto di fase Singolo shot Filo di PET 500 micron di diametro Media su 20 shot Filo di PMMA 1 mm di diametro Necessario cambio di energia e di rivelatore Profilo PMMA

CONFRONTO RIVELATORI Secondo run (Ottobre 2009) Energia del fascio 11 ke. V MCP detector PPS CMOS (Si direct detection) APS CMOS + Cs. I scintillator

RIVELATORE CMOS APS Il detector usato è un flat panel (Hamamatsu C 9728 DK − 10) basato su un sensore CMOS accoppiato con uno scintillatore (Cs. I). • 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 105 mm 115 mm 146 mm Line Spread Function

CARATTERIZZAZIONE SORGENTE Secondo run (Ottobre 2009) • Spot size Nuova configurazione: • 2*107 fotoni per shot • energia 11 ke. V • linea in He FWHM=90 mm • Alta variabilità shot-to-shot • Numero massimo di fotoni misurato: 108 ph/shot • Energia 10. 8 ke. V

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

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

NUOVE IMMAGINI Secondo run (Ottobre 2009)

CONFRONTO CON LE SIMULAZIONI Secondo run (Ottobre 2009) Errore sui dati sperimentali ~ 2% Experimental data PET 107 mm Nylon 170 mm PET 520 mm Nylon 535 mm PMMA 1124 mm Simulated data Ipeak/Ibkg Ipeak/Imin 1. 03 1. 13 1. 04 1. 15 1. 04 1. 14 1. 04 1. 13 1. 06 1. 34 1. 08 1. 33 1. 06 1. 25 1. 07 1. 22 1. 08 1. 57 1. 09 1. 58

NUOVE IMMAGINI Secondo run (Ottobre 2009)

CONCORRENTI All data were measured using the x-ray energy of 30 ke. V with 18 000 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 (? )