Attività INFN CSN5Workshop - 27/05/2005 Lamberto Luminari - Attivita' INFN CSN5 2 Mission The...

Attività INFN

CSN5

LambertoLamberto LuminariLuminari

27 27 MaggioMaggio 20052005

Workshop Workshop -- 27/05/200527/05/2005 Lamberto Luminari Lamberto Luminari -- Attivita' INFN CSN5Attivita' INFN CSN5 22

Mission

The National Scientific Committee V is a precursor and incubatorfor new projects devoted to INFN's experiments: the researchers group develops materials, apparatuses, new or improved procedures or, more generally, cutting-edge technologies for experiments in nuclear, sub-nuclear and astro-particle physics.

The extreme performances required by new experiments give rise to new techniques for particle acceleration and detection and for advanced computation tools. These results have found broad applications in other fields of science, as well as technology, informatics, health, defense, cultural heritage and environment preservation.


Activity

The activity of the Scientific Committee develops in four main items:

Particle detectorsParticle acceleratorsElectronics and software developmentInterdisciplinary applications of INFN cutting-edge techniques.

For every project that the Scientific Committee evaluates and supports, the following aspects are considered very carefully:

Acquisition of leadership and autonomy of projecting in cutting-edge technological developments.Diffusion in Interdisciplinary context (flywheel function).Training for young researchers in electronics, sensors, accelerators and software development.Technology transfer, scientific collaboration with industries and other organizations and participation to qualify and consolidate highly technological products, helping to develop their market.


Esperimenti

Fisica interdisciplinare 42Rivelatori 26Elettronica 11Superconduttivita’Acceleratori 24

Totale 103


Esperimenti a Roma1 e ISS

SQC

ScintiRad

CONRAD

DIREMO

HAPTIC

MIDPAC

Pulex-3


SQC - Superconducting Quantum Computing

R&D on a prototype qubit realized withJosephson devices (SQUIDs) at T = 20 mK

& driving frequency 10÷40 GHz

SQUID: superconducting loop +

1 or 2 Josephson junctions.

Dipartimento di Fisica, Università La Sapienza, sezione INFN, Roma

Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (CNR), sezione INFN, Roma

Università dell’Aquila, Gruppo INFN Gran Sasso

Università di Tor Vergata, sez. INFN, Roma

=

C. Cosmelli – INFN Roma


potenziale a doppia buca simmetricacoordinata: flusso magnetico Φdue stati di flusso (left e right) o corrente (orario,

antiorario

U (φ)

φ

R• Esistono i due stati |L> e |R> (bit classico)

• Oppure il qubit ψ=α|L>+β|R>sovrapposizione dei due stati

Qubit con un rf-SQUID =

direzione della corrente

Φ


Schema del sistema di SQUIDSchema del sistema di SQUID

SQUID rf (qubit)

rf bias (simmetrizza-

zione buche)dc bias (tuning altezzabarriera)

SQUID amplificatore(lettura del qubit)

dc-SQUID interno

SQUID isteretico(lettura del qubit)


dc-SQUIDamplifier

hystereticdc-SQUID(qubit )

rf-SQUID(qubit )

coils

superconducting transformer

Il chip di I generazione:


First results: rf excitation of energy levels rf signal

ϕ

U(ϕ)

ν= 19,4 GHz

T= 80 mK

C. Cosmelli – INFN Roma

V=0 VV=0 V≠≠00

• By sweeping the flux we change the distance ∆E between energy levels

•When hν=∆E the population of the upper level is increased

•This level is very close to the top of the potential barrier, and can tunnel across

•This event is registered as a peak in the switching probabality from V=0 to V ≠ 0

Switching event from V=0 to V ≠ 0

∆Eν

hν=∆E

φ


Istituzioni e Strutture coinvolte in SQC

•• Università La Sapienza, sezione INFN, RomaUniversità La Sapienza, sezione INFN, Roma

•• Istituto Istituto FotonicaFotonica e e NanotecnologieNanotecnologie (CNR), Roma(CNR), Roma

•• Università dell’Aquila, Gruppo INFN Gran SassoUniversità dell’Aquila, Gruppo INFN Gran Sasso

•• Università di Università di TorTor Vergata, sez. INFN, RomaVergata, sez. INFN, Roma

(Fabbricazione dispositivi, esecuzione misure)(Fabbricazione dispositivi, esecuzione misure)


P rogetto S cintiR ad

P revede lo sviluppo di una nuova gam m a cam era ad alta risoluzione S paziale ed energetica per applicazioni in S cintim am m ografia e su piccoli anim ali

La S cintim am m ografia S P E T richiede:

A ree di rivelazione (di alm eno 10 cm x 10 cm )R isoluzioni spaziali intrinseche di alm eno 1 m m per rivelare

tum ori più piccoli di 5 m mR isoluzioni energetiche m igliori del 10% a 140 keVR ivelatori m olto com patti per favorire il posizionam ento anatom ico

della cam era e l’integrazione con rivelatori digitali radiologici

La S P E T per piccoli anim ali richiede:

S istem i di collim azione pinhole più efficientiA ree di rivelazione di 10 cm x 10 cm (per ottenere il giusto

ingrandim ento dell’oggetto)R isoluzioni spaziali intrinseche m igliori di 1 m mR ivelatori m olto com patti per aum entare il num ero delle testate in S P E C Te

l’integrazione con rivelatori digitali radiologici


Il progetto scintirad prevede di ottenere le prestazioni ottim ali attraverso l’accoppiam ento dei nuovi cristalli di scintillazione LaC l3 con una m atrice 2x2 di H am am atsu Flat P anel P M T

I nuovi flat panel P M T sono estrem am ente com patti (15 m m di spessore) ed ideali per essere accoppiati in m atrici ( 1 m m di zona m orta esterna)

Q uesto consente di ottenere:G randi aree di rivelazione (una m atrice di 2x2 = un’area di rivelazione di 10x10 cm

con una perdita di luce inferiore al 10% )R ivelatori o sistem i S P E T m olto com patti

Packing density (effective area/outer size) (%)

907157

2 inch Flat_ panel

1 inch R76005 inch


I nuovi cristalli di scintillazione LaC l3 presentano:

•C oefficienti di attenuazione uguali allo N aI(Tl)•A ltissim a resa lum inosa •R isoluzione energetica quasi dim ezzata rispetto allo N aI(Tl)

Q uesto consente di :

M igliorare consistentem ente il rapporto segnale rum ore in scintim am m ografia

O ttenere facilm ente risoluzioni spaziali intrinseche di 1m m con cristalli planari (anziché pixellati) per la scintim am m ografia.

R isoluzioni spaziali intrinseche m igliori di 1m m con cristalli opportunam ente ottim izzati

Il progetto prevede inoltre un ulteriore m iglioram ento delle prestazioni delFlaTP anel P M T attraverso il test di un nuovo prototipo con 256 anodi anziché 64

Lo studio di collim atori m ultipinhole e ad apertura codificata per aum entale l’efficienza dei sistem i S P E T per piccoli anim ali


Risoluzione in Energia

1%

10%

100%

10 100 1000Energy (keV)

Ene

rgy

reso

lutio

n F

WH

M

LaCl:Ce 3 mm thickLaBr:Ce 4mm thickLaBr:Ce 1 inch thickNaI(Tl) Dorenbos TNS 2004LaBr Theoretical limit


Realizzazione di una gamma camera con elevate prestazioni per imagingSPET

Scintirad : Gamma Camera al Bromuro di Lantanio (LaBr3:Ce)

Il fotorivelatore: Flat Panel PMT H8500/9500 Hamamatsu

Estremamente compatto (15 mm di spessore) Ideale per essere accoppiato in matrici ( 1 mm di zona morta esterna) ed ottenere

Grandi aree di rivelazione per sistemi SPET molto compatti

Lo scintillatore LaBr3:Ce:50x50x5 mm3

Veloce, efficiente, con elevata risoluzione energetica Altissima resa luminosa (63000fotoni/MeV a 380 nm)Risoluzione energetica quasi dimezzata rispetto allo NaI(Tl)

Coefficienti di attenuazione superiori allo NaI(Tl)

Assemblaggio integrale LaBr3:Ce con Flat panel


80%45%40%80%Efficienza*

10%50%23%6.5%Ris. Energetica*

3.5 mm1.1 mm1.3 mm1.1 mmRis. Spaz intr*

ANGER planare 6 mm spess.

YAP:Ce matrice 0,6 mm pixel

CsI(Tl) matrice 1.2 mm pixel

LaBr3: CePlanare 5 mm spess.

cristallo

Immagini in assorbimento di numeri di Pb irraggiamento uniforme con 99m Tc

* Valori a 140 keV


Coded Apertures collimation: increased sensitivity, submillimetric spatial resolution

Scintirad gr coll. Sanita

Spatial resolution : 0.97 mm; sensitivity: factor of 5 better than standard collimation -> improved SNR + contrast ==> better “detectability” of small tumors; Very interesting studies on molecular imaging (stem cell for infarct, aterosclerotic plaques etc.)

but

reduction of FOV; 3D reconstruction very complicated (near field artifacts)

3D simulation

Measurement ongoing

Many small scintillator pixels (1 x 1 mm2 NaI(Tl)) well sampled by small photomultiplier anode pixel

(3x3 mm2 individual > 1024 channels readout).

Next step: - using MCP (Burle) (1.5 x 1.5 mm2 anode pixel (50 x 50 mm2, 1024 channels), better uniformity )

- new electronics, more channels at ~ 20 KHz (increased efficiency thanks to coded apertures)

8 mm tumor

Small Animal Imaging by single photon emission using pinhole and coded aperture collimation.F. Garibaldi et al: To be published in the June 05 issue of IEEE NSS


High resolution preserving high SNR ?

Ideal pinhole+perfect resolution-zero transmitted power

Tota

l sou

rce

coun

ts:

350k

Ideal Pinhole

Real pinhole+some signal through-degraded resolution

Tota

l sou

rce

coun

ts:

35M

Real Pinhole

Tota

l sou

rce

coun

ts:

35M

Coded Aperture

Coded Aperture+signal of finite pinhole+resolution of ideal pinhole

coded apertures


Coded apertures

I (Image) = O (object) x A (aperture)

There are decoding patterns G allowing:

A ⊗ G = δ then A ⊗ G = Ô, in fact

Ô = R ⊗ G = ( O ×A ) ⊗ G = O * (A ⊗ G) = O * PSF

MURA 79 x 79

20 40 60

20

40

60

Product array 77 x 77

20 40 60

20

40

60

Example of apertures with known decoding pattern

Figure adapted from:Fenimore and Cannon, Optical Engineering, 19, 3, 283-289, 1980.


CONRAD(CONformal RAdiotherapyDosimeters)

Controllable defect Controllable geometry Low cost production

50 µm

L’obiettivo generale del presente progetto è quello di individuare una soluzione dosimetrica ai problemi posti dall’uso di tecniche radioterapichealtamente conformazionali, caratterizzate da piccoli campi e forti variazioni spaziali e temporali dell’intensità di dose, quali protonterapia e Intensity Modulated Radio Therapy (IMRT).L’attività è focalizzata prevalentemente sullo sviluppo

e caratterizzazione di sistemi dosimetrici a base di diamante CVD (Chemical Vapour Deposited)

Resp. Nazionale: Sandro OnoriSezioni partecipanti: RM1, FI, LNSDurata: 3 anni 2003-2005


DIREMO (Dosimetry of Incorporated Radionuclides: Experimental and MOdelling techniques)

Tecniche sperimentali impiegate:- attivazione nucleare con particelle cariche CPAA, con neutroni NAA e fotoni PAA - spettrometria di massa nelle versioni TIMS e ICPMS Tecniche sperimentali da sviluppare- luminescenza - EPR

Obiettivo generale del progetto è quello di contribuire a fornire un approccio integrato alla stima di dose a seguito di esposizioni dovute a irradiazione esterna e interna da sorgenti artificiali e naturali. Si intende raggiungere tale obiettivo attraverso lo sviluppo, l’ottimizzazione e l’applicazione di tecniche sperimentali, unitamente a tecniche di analisi di sensibilità, di modellizzazione di tipo compartimentale e Monte Carlo, per fornire dati realistici, ottenuti direttamente sull’uomo, che siano di base per la validazionedi modelli già proposti o per l’impostazione o revisione di strutture di modello, che siano quindi di supporto alle stime prospettiche di dose interna, all’interpretazione di misure di bioassay e alla ricostruzione di dose interna a seguito di avvenuta esposizione.

Resp. Nazionale: Marie Claire CantoneSezioni partecipanti: MI, RM1Durata: 3 anni 2005-2007


Si sta sviluppando uno studio di fattibilità per la costruzione di un dispositivo per la trasduzione tattile in tempo reale di segnali visivi: il primo prototipo previsto consiste nell’adattamento di un ‘mouse’, dotato di un sensore visivo (verranno messe a confronto le prestazioni di sensori convenzionali e di sensori neuromorfi che stiamo attualmente progettando), interfacciato con una matrice di effettori tattili piezoelettrici. L’applicazione è di ausilio al non vedente, e si riferisce ad un possibile complemento della traduzione Braille dei caratteri alfanumerici, per l’acquisizione di grafici, semplici schemi e soprattutto informazioni iconiche, mediante uno scanning attivo da parte dell’utente mediante il mouse.

HAPTIC


Haptic (ISS, Roma2, Torino)

• sostituzione dei display Braille ingombranti e costosi

• fruizione di pubblicazioni non Braille

OCR in tempo reale

L’integrazione di HAPTIC-OCR e del dispositivo HAPTIC-MOUSE potrebbe permettere, a richiesta dell’utente, la fruizione di documenti misti, con testo e schemi grafici, informazioni iconiche ecc.

Conversione in Braillel’informazione parziale sui caratteri circostanti fornisce un contesto e aiuta una lettura fluida

Trasduzione dinamica BrailleRendering in tempo reale del movimento relativodito - barra braille

Haptic mouse Haptic OCR• Acquisizione e trasduzione tattile di

informazioni non alfanumeriche sulla base dell’estrazione di bordi (semplici grafici, schemi, icone…)


Obiettivi generali dell’esperimento:• comprensione dei meccanismi d'induzione di danno al DNA, considerato il

target principale delle r.i., con particolare attenzione al ruolo della qualitàdella radiazione e delle caratteristiche del sistema biologico studiato (organizzazione della cromatina, presenza di radioprotettoriendogeni/esogeni);

• comprensione dei meccanismi di evoluzione del danno al DNA (relazione tra danno iniziale, danno residuo dopo riparazione ed effetti a livello cellulare; formazione di aberrazioni cromosomiche) con particolare attenzione al ruolo della complessità delle lesioni e della loro distribuzione;

• identificazione degli effetti metabolici radiondotti immediati e tardivi in cellule tumorali umane, con particolare attenzione al danno a carico dei lipidi e degli altri metaboliti e cataboliti cellulari, in relazione al bloccoproliferativo e al danno ossidativo.

MIDPAC(Meccanismi d' Induzione di Danni da PArticelle Cariche)

Persona di riferimento: Mauro Belli

E-mail: [email protected]


PULEX-3

INFLUENZA DI UN AMBIENTE A BASSO FONDO DI RADIAZIONE SULLA RISPOSTA BIOCHIMICA E BIOLOGICA DI CELLULE UMANE E DI HAMSTER COLTIVATE IN VITRO

Sezioni partecipanti: LNGS, LNF, Roma 1 – Gruppo Collegato Sanità Responsabile: M. Belli (ISS)

Obiettivi principali dell’esperimento:Studio del ruolo del fondo naturale di radiazioni nel condizionare le caratteristiche cellulari e la risposta ad agenti mutageni, in particolare a successive dosi di radiazioni ionizzanti.


PULEX-3Esperimento mirato alla conferma dei risultati di Pulex-2, i cui dati sono consistenti con l’esistenza di una risposta adattativa correlata al fondo naturale di radiazioni. In particolare si vuole confermare tale ipotesi, escludendo la possibilità che i risultati dipendano dalla selezione di cloni con diverse caratteristiche.

Set up sperimentale Allestimento di un laboratorio di colture cellulari nel Laboratorio esterno dei LNGS (edificio Dipartimento di Chimica). Ciò permetterà di diminuire la variabilità dovuta al mantenimento di due colture a grande distanza (cioè ISS e LNGS) con operatori diversi.

Dosimetria Modelli di calcolo per valutare la riduzione della dose ricevuta alle cellule cresciute all’interno del LNGS rispetto a quelle mantenute nell’ambiente “normale”, tenendo conto della concentrazione di radon misurata nelle due condizioni

Sistema biologico Cellule di Chinese hamster V79 (le stesse di Pulex-2)

End pointsValutazione della crescita cellulare Valutazione dei sistemi antiossidanti Induzione di apoptosiEspressione genicaInduzione di mutazioniInduzione e riparazione del danno al DNA

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