Real Time Recognition of Sparse Data Patterns in Silicon Pixel Detectors

mgr inż. Marcin Jastrząb

Promotor: dr hab. inż. Wojciech Kucewicz prof. AGH – Akademia Górniczo-Hutnicza
Dyscyplina: Elektronika

W rozprawie zaprezentowano nowatorską koncepcję budowy i realizacji systemu diagnostyki i monitorowania wiązki cząstek produkowanych przez akcelerator w oparciu o krzemowy detektor mozaikowy MIMOTERA o wysokiej rozdzielczości pozycyjnej <150um oraz czasowej <100us. Promieniowanie jonizujące produkowane w akceleratorach i formowane do postaci wiązki ma szerokie zastosowanie m.in. w fizyce cząstek elementarnych, medycynie (radioterapia protonowa i jonowa), biologii (badania radioodporności komórek), nauce o materiałach jak również w technikach implantacji jonów. Szeroki zakres zastosowań odpowiada różnym własnościom monitorowanej wiązki pod względem rodzaju promieniowania, energii, natężenia (dawki), pola powierzchni itp. Z drugiej strony, ze względu na bezpieczeństwo pacjenta, precyzję procesu naświetlania czy dokładność procesu implantacji system monitorujący powinien dostarczać informacje w czasie rzeczywistym.

Dla celów monitorowania podstawowych parametrów wiązki promieniowania tj. pozycji i profilu (jednorodności), natężenia i dawki czy struktury czasowej obecnie stosuje się najczęściej odrębne urządzenia. Taki złożony system, zapewniający już pełną funkcjonalność nie zawsze jednak spełnia wymagania odnośnie szybkości odpowiedzi czy też precyzji pomiaru. Prezentowana w niniejszej rozprawie konstrukcja przenośnego systemu DBM, umożliwia dostarczenie precyzyjnych i kompleksowych informacji o podstawowych parametrach wiązki promieniowania w czasie rzeczywistym.

Pierwsza część rozprawy dotyczy problematyki zastosowań promieniowania jonizującego, urządzeń do jego produkcji (akceleratorów) oraz zagadnienia monitorowania parametrów wiązki. W jej drugiej części przedstawiona została konstrukcja i budowa systemu detekcyjnego DBM (Direct Beam Monitor) opartego o detektor mozaikowy CMOS MIMOTERA oraz System Akwizycji Danych - SUCIMA Imager. W części eksperymentalnej przedstawiono rezultaty rzeczywistych pomiarów z promieniowaniem jonizującym różnego typu (protony, antyprotony, jony węgla 12C) w szerokim zakresie energii oraz natężeń.

1. Traversi G., Bulgheroni A., Caccia M., Jastrzab M., Manghisoni M., Pozzati E., Ratti L., Re Valerio: Design and Performance of a DNW CMOS Active Pixel Sensor for the ILC Vertex Detector, IEEE Transactions on Nuclear Science, Oct. 2009, Volume: 56, Issue: 5, pp. 3002 -3009.
2. Traversi G., Bulgheroni A., Caccia M., Jastrzab M., Manghisoni M., Pozzati E., Ratti L., Re Valerio: First Generation of Deep N-well CMOS MAPS with In-Pixel Sparsification for the ILC Vertex Detector, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 604 (2009), pp. 390-392.
3. Cappellini C., Bulgheroni A., Caccia M., Chmill V., Jastrzab M., Risigo F., Scopelliti P.: Imaging of biological samples with Silicon pixel detectors, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 591 (2008), pp. 34-37.
4. Jastrzab M., Bulgheroni A., Caccia M., Cappellini C., Chwierut G., Kucewicz W., Risigo F.: Test of Real-Time Identification of Sparse Data Patterns in Silicon Pixel Detectors, proceedings of the 10th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, Villa Olmo, Como, Italy 8-12 October 2007 published by World Scientific (2008) pp. 461-465.
5. Caccia M., Bulgheroni A., Cappellini C., Chmill V., Jastrzab M., Risigo F.: Tritium imaging with a CMOS active pixel detector, proceedings of the 16th International Workshop on Vertex detectors, Lake Placid, NY, USA, September 23-28 2007.
6. Caccia M., Jastrzab M. et al.: The SUCIMA project: a status report on high granularity dosimetry and proton beam monitoring, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 560 pp. 153–157, 2006.
7. Jastrząb M., Czermak A., Dulny B., Kucewicz W., Niemiec H., Sapor M., Sowicki B., Zalewska A.: System akwizycji danych do ultraszybkich detektorów krzemowych do źródeł elektronów i promieniowania gamma, Elektronika – konstrukcje, technologie, zastosowania 10/2005 (2005) pp. 8-10.
8. Caccia M., Deptuch G., Dierlamm A., Jastrzab M., Jungermann L., Kucewicz W., Kucharski K., Kuta S., Leo G., Machowski W., Marczewski J., Mondry G., Niemiec H., Novario R., Sapor M., Schweickert M. et al.: SUCIMA – Silicon Ultra fast Cameras for electron and gamma sources in Medical Applications, Nuclear science symposium conference record, 2003 IEEE, 19–25 October 2003.
9. Czermak A., Zalewska A., Dulny B., Sowicki B., Jastrzab M., Nowak L.: DATA ACQUISITION SYSTEM FOR SILICON ULTRA FAST CAMERAS FOR ELECTRON AND GAMMA SOURCES in Medical Applications (SUCIMA IMAGER), proceedings of the 8th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, Villa Olmo, Como, Italy, 6-11 October 2003 published by World Scientific (2004) pp. 360-365.

• Zaproponowane rozwiązanie stanowi nowatorskie podejście do zagadnienia monitorowania (profilometrii) wiązki promieniowania jonizującego w szerokim zakresie energii od dziesiątek keV do setek MeV co umożliwia zastosowanie systemu w wielu dziedzinach nauki i techniki, gdzie wymagana jest konieczność monitorowania parametrów wiązki w czasie rzeczywistym m.in. w radioterapii hadronowej, eksperymentach biologicznych czy nauce o materiałach.

• Pomiary systemu DBM zostały przeprowadzone w 3 ważnych ośrodkach fizyki i terapii hadronowej w Europie: Ośrodku Badań Jądrowych CERN w Genewie (eksperyment ACE), Centrum Jonoterapii HIT w Heidelbergu oraz Laboratorium Analiz z wykorzystaniem Reakcji Jądrowych LARN w Namur. Wyniki badań są bardzo obiecujące. Dwa z trzech wymienionych ośrodków są bieżącymi użytkownikami systemu.

• Osiągnięte rezultaty pomiarów wraz z algorytmami analizy danych online stanowią obiekt zainteresowana również innych ważnych ośrodków terapii hadronowej w Polsce i za granicą oraz laboratoriów wykorzystujących infrastrukturę akceleratorów.

• Rezultaty badań zostały opublikowane w ważnych materiałach konferencyjnych oraz czasopismach z listy filadelfijskiej. Prace będą również kontynuowane w przyszłości.