Relazione dell`attività svolta (terzo anno della scuola di dottorato

Relazione dell’attività svolta (terzo anno della scuola di dottorato, XXVII ciclo)
Studente: Nicolas Di Vara
Matricola: 701683
Attività scientifica svolta
L’attività scientifica del terzo anno si è orientata alla conclusione del lavoro condotto
durante la prima parte del percorso.
In particolare si è configurata secondo una duplice direttrice: in primo luogo la
definizione di un frame work di riferimento per la modellizzazione e la simulazione
dei fenomeni di timing nei sistemi di rivelatori PET e in secondo luogo la misura del
parametro rise time in diverse condizioni sperimentali.
Per quanto riguarda l’approccio teorico, è stato esteso un modello statistico che
include la fenomenologia in esame.
Si tratta di un modello che considera profili temporali multi esponenziali per un
segnale di fluorescenza/scintillazione accoppiato a un foto rivelatore che introduce
uno smearing di risoluzione, una situazione sperimentale comune da affrontare in
ambito TOF-PET.
In questo senso sono stati svolti degli studi volti a valutare l’impatto dei diversi
parametri di riferimento (resa di luce, costanti temporali, risoluzione del rivelatore,
efficienza del foto rivelatore, etc) sulla risoluzione finale.
Inoltre la presenza di fenomeni ultra rapidi di produzione di fotoni Cerenkov ha reso
necessaria l’estensione del modello, al fine di includerli.
Come filo conduttore tra il lavoro di modellizzazione e le misure di rise time è stata
condotta un’estesa campagna di simulazioni. A seguito dell’attività svolta durante il
primo e il secondo anno della scuola di dottorato, ho proseguito gli studi di
simulazione utilizzando il pacchetto software Geant4.
In particolare la stima dei fotoni Cerenkov prodotti e raccolti, e la determinazione del
rapporto di produzione con i fenomeni competitivi di scintillazione si sono rese
necessarie per l’analisi dei dati sperimentali.
Al fine di valutare correttamente i parametri di input, sono state altresì effettuate
misure sui campioni cristallini utilizzati nelle misure di rise time, in particolare il
rendimento in luce, gli spettri di fluorescenza, gli spettri di assorbimento e diffusione.
In questo modo è stato possibile caratterizzare le misure effettuate in diverse
condizioni, di accoppiamento ottico e mediante riflettori speculari e diffusivi.
Per quanto riguarda le misure di rise time, si è dato seguito ai test effettuati in inverno
presso la beamline AURORE al CELIA (Centre de lasers intenses et applications) di
Bordeaux, con l’assistenza del dr Patrick Martin. I test hanno avuto la durata di due
settimane e sono stati effettuati in giugno. Il centro CELIA ha messo disposizione un
apparato di produzione di radiazione VUV a bassa intensità (36 eV in Argon) e ridotta
estensione temporale (3 ps), basato su un laser al femtosecondo. L'apparato è in grado
di raggiungere in rivelazione risoluzioni temporali dell'ordine di 40 ps.
E’ stata svolta una campagna di misure di due settimane volta a valutare i valori di
rise time di differenti specie cristalline con diversi drogaggi: LSO:Ce, LYSO:Ce,
CeF3, LuAG:Ce, LuAG:Pr, BGO. E’ stato dunque possibile valutare i seguenti valori
e confrontarli con misure effettuate a diverse energie.
Un secondo gruppo di test, svolto presso TU Clausthal, ha permesso di portare
l'eccitazione del sistema a 40 keV. Il raggiungimento di questa energia è possibile
grazie un sistema basato su un tubo a raggi X eccitato mediante laser al
femtosecondo. L’alta risoluzione e velocita di accumulazione è garantita dalla
presenza in rivelazione di una streak camera. I risultati, tuttavia, soltanto parziali, non
saranno inseriti in fase di redazione della tesi, e solo a seguito di un secondo accesso
alla strumentazione sarà possibile svolgere una completa analisi comparativa.
Infine è stata ultimata la costruzione di un sistema start-stop per la misurazione del
rise time mediante sorgente radioattiva di più alta energia, in particolare Sodio-22. Il
sistema si configura pertanto come un braccio di rivelazione PET, con energia di
eccitazione a 511 KeV. Attraverso l’utilizzo di un cristallo LSO accoppiato a un
SiPM Hamamatsu e amplificato con l’amplificatore/discriminatore super veloce
NINO è stato possibile raggiungere una risoluzione nel segnale di START di circa 60
ps FWHM. Per quanto riguarda la risposta totale del sistema è necessario considerare
inoltre la risposta del rivelatore di STOP (Hamamatsu MCP-PMT) e il jitter introdotto
dal livello di rumore della strumentazione. Pertanto la risposta totale del sistema è di
circa 70 ps FWHM, da de-convolvere allo spettro misurato. Il sistema, ora operativo,
ha consentito la misura con Sodio 22 dei campioni misurati in precedenza a
Bordeaux, rendendo possibile un’analisi comparata.