ITRM20120273A1 - "METHOD OF COMPRESSION AND REDUCTION OF READ-OUT CHANNELS AND ITS APPLICATION FOR THE IMPLEMENTATION OF AN INVESTIGATION SYSTEM FOR PARTICLES LOADED, IN REAL TIME, OF LARGE AREA AND HIGH SPATIAL RESOLUTION" - Google Patents

"METHOD OF COMPRESSION AND REDUCTION OF READ-OUT CHANNELS AND ITS APPLICATION FOR THE IMPLEMENTATION OF AN INVESTIGATION SYSTEM FOR PARTICLES LOADED, IN REAL TIME, OF LARGE AREA AND HIGH SPATIAL RESOLUTION" Download PDF

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ITRM20120273A1
ITRM20120273A1 IT000273A ITRM20120273A ITRM20120273A1 IT RM20120273 A1 ITRM20120273 A1 IT RM20120273A1 IT 000273 A IT000273 A IT 000273A IT RM20120273 A ITRM20120273 A IT RM20120273A IT RM20120273 A1 ITRM20120273 A1 IT RM20120273A1
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IT
Italy
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fibers
detector
channels
fact
compression
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IT000273A
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Presti Domenico Lo
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Infn Istituto Naz Di Fisica N Ucleare
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T5/00Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • G01T5/08Scintillation chambers

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  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

METODO DI COMPRESSIONE E RIDUZIONE DEI CANALI DI READ-OUT E SUA APPLICAZIONE PER LA REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI INDAGINE PER PARTICELLE CARICHE, IN TEMPO REALE, DI GRANDE AREA ED ALTA RISOLUZIONE SPAZIALE; METHOD OF COMPRESSION AND REDUCTION OF READ-OUT CHANNELS AND ITS APPLICATION FOR THE CREATION OF AN INVESTIGATION SYSTEM FOR CHARGED PARTICLES, IN REAL TIME, OF LARGE AREA AND HIGH SPATIAL RESOLUTION;

DESCRIZIONE DESCRIPTION

1. Campo in cui si colloca l 'invenzione 1. Field in which the invention belongs

La presente invenzione ha per oggetto un metodo di compressione e riduzione del numero di canali di lettura che si applica ai rivelatori di particelle a segmentazione lineare mantenendo intatte le informazioni, come pure i mezzi per attuare tale metodo ed i dispositivi di indagine così ottenuti. The present invention relates to a method of compressing and reducing the number of reading channels which is applied to linear segmentation particle detectors while keeping the information intact, as well as the means for implementing this method and the investigation devices thus obtained.

Detto metodo è direttamente applicabile a tutti i rivelatori a segmentazione lineare, basati su fibre scintillanti, mentre è opportunamente adattabile a quelli di altre tecnologie e consente di migliorarne le prestazioni in termini di velocità di rivelazione, di costi e tempo morto d'acquisizione. Said method is directly applicable to all linear segmentation detectors, based on scintillating fibers, while it is suitably adaptable to those of other technologies and allows to improve their performance in terms of detection speed, costs and acquisition dead time.

E' noto che in un rivelatore di particelle a segmentazione lineare al crescere dell'area sensibile del rivelatore, fissata una certa risoluzione spaziale, il numero di canali di lettura cresce proporzionalmente . It is known that in a linear segmentation particle detector as the sensitive area of the detector increases, once a certain spatial resolution is fixed, the number of reading channels increases proportionally.

Il numero di canali di lettura influenza la velocità di lettura del rivelatore e quindi il tempo morto, il tempo cioè durante il quale il rivelatore non è in grado di rivelare un evento. Al crescere del numero di canali necessari alla lettura delle informazioni dal rivelatore cresce, tra l'altro, la complessità dell'elettronica necessaria. Esiste, comunque, un numero di canali massimo, per una data tecnologia, supportabile, soprattutto in applicazioni real-time. Si trovano, infatti, piccoli rivelatori con ottima risoluzione e grandi rivelatori con risoluzione inferiore. The number of reading channels influences the detector reading speed and therefore the dead time, ie the time during which the detector is unable to detect an event. As the number of channels necessary to read the information from the detector increases, among other things, the complexity of the electronics required increases. However, there is a maximum number of channels that can be supported for a given technology, especially in real-time applications. There are, in fact, small detectors with excellent resolution and large detectors with lower resolution.

Vantaggiosamente, il sistema di compressione dei canali, parte della presente invenzione, è di per sé un'innovazione applicabile a diversi campi scientifici e industriali e consente di massimizzare, ad una data risoluzione, l'area sensibile, la velocità di lettura e minimizzare i costi di un qualsiasi rivelatore segmentato in strip di qualunque tecnologia, a patto che non si prevedano eventi multipli. Advantageously, the channel compression system, part of the present invention, is in itself an innovation applicable to various scientific and industrial fields and allows to maximize, at a given resolution, the sensitive area, the reading speed and minimize the costs of any strip segmented detector of any technology, as long as no multiple events are expected.

• Costituisce una prima caratteristica innovativa della presente invenzione, la compressione del numero di canali di lettura di un rivelatore di posizione segmentato per particelle cariche, mediante un opportuno raggruppamento delle strip ai due estremi di lettura delle stesse, con un fattore di compressione pari a ✓N / 2. L'uso congiunto di due o più rivelatori di posizione, come piani allineati e paralleli, come quello appena descritto, consente di realizzare rivelatori tracciatori. • A first innovative feature of the present invention is the compression of the number of reading channels of a position detector segmented by charged particles, by means of an appropriate grouping of the strips at the two reading extremes of the same, with a compression factor equal to ✓ N / 2. The joint use of two or more position detectors, as aligned and parallel planes, such as the one just described, allows to realize tracking detectors.

• Costituisce un'altra caratteristica innovativa del trovato, il dimezzamento dei canali di lettura di un rivelatore tracciatore, basato su fibre scintillanti, ottenuto attraverso l'impiego del sistema di compressione dei canali precedentemente descritto ed il ricorso a due soli nastri di fibre scintillanti ripiegati ad U e disposti in modo da creare due piani di tracciamento invece che con quattro piani (nastri) di fibre scintillanti, due per la x e due per la y. • Another innovative feature of the invention is the halving of the reading channels of a tracer detector, based on scintillating fibers, obtained through the use of the previously described channel compression system and the use of only two folded sparkling fiber ribbons U-shaped and arranged to create two tracking planes instead of four planes (ribbons) of glittering fibers, two for x and two for y.

• Costituisce un'altra caratteristica innovativa della presente invenzione, l'utilizzo di schemi innovativi di accoppiamento delle fibre scintillanti con fibre wavelenght - shifter nei rivelatori che impiegano il sistema di compressione dei canali in modo da ridurre l'ingombro del rivelatore e che sono utilizzabili nell'ambito dell'imaging medico • Another innovative feature of the present invention is the use of innovative schemes for coupling the scintillating fibers with wavelength - shifter fibers in the detectors that use the channel compression system in order to reduce the encumbrance of the detector and which are usable in medical imaging

• Costituisce un'ulteriore caratteristica innovativa del trovato, un rivelatore di posizione basato su nastri di fibre scintillanti, che impiega il sistema di riduzione dei canali, secondo il trovato, in maniera alternativa, ricorrendo all'accostamento lungo una direzione di N strutture elementari ciascuna delle quali è costituita da un nastro di fibre scintillanti ripiegato su se stesso e con un angolo alfa definito come parametro di progetto. • A further innovative feature of the invention is a position detector based on ribbons of scintillating fibers, which uses the channel reduction system, according to the invention, in an alternative manner, resorting to the approach along a direction of N elementary structures each of which it consists of a ribbon of sparkling fibers folded back on itself and with an alpha angle defined as a design parameter.

• Costituisce un'altra caratteristica del trovato un dispositivo per la radiografia con protoni (con particelle cariche) che impiega il sistema di compressione e riduzione dei canali e le diverse tecniche di realizzazione dei tracciatori, secondo il trovato, nella realizzazione di un misuratore del range residuo delle particelle dopo l'attraversamento di un volume per la produzione dell'immagine dello stesso volume mediante l'uso di nastri di fibre scintillanti. • Another characteristic of the invention is a device for radiography with protons (with charged particles) which uses the channel compression and reduction system and the various techniques for making the markers, according to the invention, in the realization of a range meter residue of the particles after passing through a volume to produce the image of the same volume by the use of sparkling fiber ribbons.

2. Stato della tecnica 2. State of the art

La tecnica della segmentazione dell'area sensibile di un rivelatore di particelle è utilizzata in svariati campi, scientifici e industriali, con applicazioni che spaziano dall'imaging al monitoraggio ambientale, dai grandi esperimenti di fisica ai sistemi di controllo industriali. The technique of segmentation of the sensitive area of a particle detector is used in various fields, scientific and industrial, with applications ranging from imaging to environmental monitoring, from large physics experiments to industrial control systems.

Un'estremizzazione della segmentazione, ad esempio, sono i pixel di un sensore ottico in una videocamera. Il sistema che s'intende brevettare si applica, più precisamente, a sensori con segmentazione lineare, a strip. An extreme segmentation, for example, is the pixels of an optical sensor in a video camera. The system to be patented is applied, more precisely, to sensors with linear segmentation, in strips.

Esistono diverse tecnologie impiegate per la realizzazione di questi rivelatori segmentati, in cui l'informazione estratta non è solamente l'avvenuto attraversamento dell'area sensibile del rivelatore da parte di una particella ma anche la posizione esatta di tale attraversamento: dai rivelatori a scarica di gas, a quelli integrati su silicio o a rivelatori in cui le strip consistono di fibre ottiche scintillanti. There are different technologies used for the realization of these segmented detectors, in which the extracted information is not only the successful crossing of the sensitive area of the detector by a particle but also the exact position of this crossing: gas, those integrated on silicon or detectors in which the strips consist of sparkling optical fibers.

In ognuno dei casi precedenti il numero di canali cresce con le dimensioni ad una fissata risoluzione o l'elettronica di lettura ha pochi canali ma è complessa e/o lenta. In each of the previous cases the number of channels increases with the size at a fixed resolution or the reading electronics have few channels but are complex and / or slow.

Di seguito riportiamo la tabella 1 in cui sono messi a confronto alcuni dispositivi per il tracciamento secondo la tecnica nota. Below is table 1 in which some devices for tracking according to the known technique are compared.

TABELLA 1 TABLE 1

In tabella 2 invece sono riportati dei dispositivi per l'imaging con protoni come riferimento allo stato dell'arte. On the other hand, Table 2 shows some devices for imaging with protons as a reference to the state of the art.

TABELLA 2 TABLE 2

3. Problemi della tecnica nota 3. Problems of the prior art

Con riferimento a quanto in precedenza esposto sono evidenti i limiti dello stato dell'arte: With reference to the above, the limitations of the state of the art are evident:

• Elevato numero di canali su grandi aree di rivelazione e alta risoluzione; • High number of channels on large detection areas and high resolution;

• Elevata complessità e alti costi dell'elettronica di lettura e prestazioni inferiori in termini di tempo morto. • High complexity and high costs of reading electronics and lower performance in terms of dead time.

4. Scopo dell'invenzione 4. Purpose of the invention

L'applicazione principale è 1'imaging medico con protoni (particelle cariche) al fine di permettere un upgrade delle prestazioni dei sistemi esistenti. I benefici principali in quest'ambito sono quelli di permettere la radiografia con protoni in tempi brevissimi ad alta risoluzione, con grande area e a basso costo, consentendo il posizionamento preciso del paziente in tempo reale e la diagnostica di fascio. The main application is medical imaging with protons (charged particles) in order to allow an upgrade of the performance of existing systems. The main benefits in this area are those of allowing proton radiography in a very short time at high resolution, with large area and at low cost, allowing precise positioning of the patient in real time and beam diagnostics.

Più in generale, i vantaggi quali, la riduzione dei canali di lettura per un rivelatore segmentato in strip e il conseguente raggiungimento di alte prestazioni per l'elettronica di acquisizione in direzione del tempo reale, rivestono un ruolo chiave in diversi settori scientifici. More generally, the advantages such as the reduction of the reading channels for a strip segmented detector and the consequent achievement of high performance for the acquisition electronics in the direction of real time, play a key role in various scientific sectors.

5. Descrizione dettagliata, con riferimento ai disegni, di una forma di realizzazione dell 'invenzione 5. Detailed description, with reference to the drawings, of an embodiment of the invention

La descrizione del trovato sarà meglio seguita facendo riferimento alle allegate figure che ne rappresentano a solo titolo di esempio non limitativo alcune preferite forme di realizzazione, nelle tavole : The description of the invention will be better followed with reference to the attached figures which represent, by way of non-limiting example only, some preferred embodiments, in the tables:

le figg.la e lb mostrano l'area sensibile di un rivelatore prima e dopo la segmentazione in strip tradizionale, in una direzione; Figures 1a and 1b show the sensitive area of a detector before and after traditional strip segmentation, in one direction;

la fig.2 mostra un'area sensibile suddivisa in una direzione in 15 strip ,che evidenzia come secondo il trovato la lettura avvenga sempre da entrambi gli estremi ma dopo aver raggruppato le strip, a ciascun estremo, in un Gruppo Primario ed un Gruppo Secondario; Fig. 2 shows a sensitive area divided in one direction into 15 strips, which shows how according to the invention the reading always takes place from both ends but after having grouped the strips, at each end, into a Primary Group and a Secondary Group ;

la fig. 3 è uno schema di funzionamento di una fibra scintillante dove si mostra il meccanismo di fotogenerazione in corrispondenza del passaggio di una particella P attraverso un core scintillante C ; fig. 3 is an operating diagram of a scintillating fiber showing the photogeneration mechanism in correspondence with the passage of a particle P through a scintillating core C;

le figg. 4a, e 4b, sono rispettivamente una vista schematica dall'alto ed una vista laterale del posizionamento su due strati di due nastri di fibre scintillanti ; figs. 4a and 4b are respectively a schematic view from above and a side view of the positioning on two layers of two ribbons of scintillating fibers;

le figg.4c e 4d mostrano due foto scattate al microscopio con diversi ingrandimenti di una porzione dell'area sensibile di un rivelatore secondo il trovato; Figures 4c and 4d show two photos taken under the microscope with different enlargements of a portion of the sensitive area of a detector according to the invention;

le figg. 5a, e 5b, mostrano rispettivamente un nastro di fibre scintillanti ed una fibra wavelengthshifter (verde) accoppiata otticamente allo stesso nastro; figs. 5a, and 5b, respectively show a sparkling fiber ribbon and a wavelength shifter (green) fiber optically coupled to the same ribbon;

la fig. 6 mostra la struttura elementare dell'area sensibile di un rivelatore di posizione che è costituita da un nastro di fibre scintillanti ripiegato su se stesso, e dove ognuno dei due estremi di nastro viene letto con il già descritto metodo di riduzione dei canali; fig. 6 shows the elementary structure of the sensitive area of a position detector which is constituted by a ribbon of scintillating fibers folded on itself, and where each of the two ends of the ribbon is read with the already described method of reducing the channels;

la fig. 7 mostra un rivelatore realizzato mediante l'accostamento lungo una direzione di N strutture elementari come quella illustrata in fig.6, dove l'area utile di rivelazione è un trapezio rettangolo; fig. 7 shows a detector realized by the approaching along a direction of N elementary structures such as the one illustrated in fig. 6, where the useful detection area is a right-angled trapezoid;

la fig. 8 mostra un prototipo realizzato con fibre scintillanti dove un unico nastro è riavvolto più volte fino a realizzare un'area sensibile di determinate dimensioni; fig. 8 shows a prototype made with sparkling fibers where a single tape is rewound several times to create a sensitive area of certain dimensions;

la fig.9 è lo schema di principio di un dispositivo per la radiografia di un volume con particelle cariche basato sul principio della misura del range residuo delle particelle dopo l'attraversamento del volume stesso; Fig. 9 is the basic diagram of a device for the radiography of a volume with charged particles based on the principle of measuring the residual range of the particles after crossing the volume itself;

le figg. 10a, 10b e 10c mostrano nelle parti componenti e nel suo complesso, un tracciatore per protoni (particelle cariche) che impiega i sistemi di riduzione dei canali e due soli nastri di fibre scintillanti; figs. 10a, 10b and 10c show in the component parts and as a whole, a tracer for protons (charged particles) which uses channel reduction systems and only two sparkling fiber ribbons;

le figg. ila e llb mostrano rispettivamente lo schema di un misuratore di range residuo dove i tracciatori sono realizzati con le tecniche esposte precedentemente e un dettaglio dei piani (nastri) scintillanti per la misura del range residuo, integrati tra i piani di tracciamento; figs. ila and llb respectively show the diagram of a residual range meter where the tracers are made with the techniques described above and a detail of the sparkling planes (tapes) for the measurement of the residual range, integrated between the tracing planes;

la fig. 12 mostra lo schema di un rivelatore di range residuo realizzato con strati di scintillatore o nastri di fibre scintillanti, a cui è applicato il sistema di compressione dei canali secondo il trovato. fig. 12 shows the diagram of a residual range detector made with layers of scintillator or ribbons of scintillating fibers, to which the channel compression system according to the invention is applied.

Con riferimento alle figure, l'invenzione consiste in un sistema di compressione e riduzione dei canali per un rivelatore a segmentazione lineare di tipo innovativo. With reference to the figures, the invention consists of a channel compression and reduction system for an innovative type of linear segmentation detector.

L'applicazione è generale e porta i benefici già elencati nei punti precedenti The application is general and brings the benefits already listed in the previous points

Si consideri un rivelatore la cui area sensibile è segmentata in una direzione in strip, come mostrato nelle figura lb, e lo si confronti con un rivelatore non segmentato come illustrato in fig. la. Nell'esempio illustrato le strip sono in numero di 6. Come si è detto, il canale colpito dalla particella fornisce la posizione d'impatto ed è univocamente identificato dall'incrocio delle strip verticali ed orizzontali che producono un segnale sopra una soglia opportuna. E' quindi necessario leggere le strip da entrambi gli estremi. Consider a detector whose sensitive area is segmented in a strip direction, as shown in Figure 1b, and compare it with a non-segmented detector as shown in Figure 1b. there. In the example shown, the strips are 6 in number. As mentioned, the channel hit by the particle provides the impact position and is uniquely identified by the intersection of the vertical and horizontal strips that produce a signal above a suitable threshold. It is therefore necessary to read the strips from both ends.

Aumentare la superficie sensibile o aumentare la risoluzione comporta secondo la tecnica nota l'aumento del numero di canali, con la conseguenza che aumenta il tempo morto, il tempo cioè durante il quale il rivelatore non è in grado di rivelare un evento, e si complica l'elettronica di supporto. Increasing the sensitive surface or increasing the resolution involves, according to the known art, an increase in the number of channels, with the consequence that the dead time increases, i.e. the time during which the detector is unable to detect an event, and becomes more complicated. the supporting electronics.

In modo del tutto innovativo, secondo il trovato, si prevede che le strip vengano sempre lette da entrambi gli estremi ma che il significato dei due segnali venga interpretato in maniera diversa a seguito di un diverso raggruppamento, come mostrato a titolo esemplificativo in figura 2. In a completely innovative way, according to the invention, it is provided that the strips are always read from both ends but that the meaning of the two signals is interpreted differently following a different grouping, as shown by way of example in figure 2.

In questa figura, le strip di segmentazione sono in numero di 15. Fissato il numero di stripN,nell'esempio N=15 il sistema oggetto del presente trovato, prevede la scelta di due numeri primi tra loro il cui prodotto si avvicina il più possibile a N. E' chiaro che la scelta che ottimizza il numero di canali totale parte dalla radice quadrata di N e dalla scelta dei due numeri primi tra loro vicini a questo numero e la cui somma è prossima a 2-✓N · In this figure, the segmentation strips are 15 in number. Once the number of stripsN has been fixed, in the example N = 15 the system according to the present invention provides for the choice of two prime numbers between them whose product is as close as possible a N. It is clear that the choice that optimizes the total number of channels starts from the square root of N and from the choice of the two prime numbers that are close to each other and whose sum is close to 2-✓N ·

Nell 'esempio, ✓N ~4 e, quindi possiamo scegliere i due numeri primi 3 e 5, rispettivamente primario e secondario . In the example, ✓N ~ 4 and, so we can choose the two prime numbers 3 and 5, primary and secondary respectively.

A questo punto si utilizzeranno questi due numeri per raggruppare opportunamente le strip ai due estremi. Ad un estremo le i-esime strip di ogni gruppo di 3 fibre consecutive sono lette insieme formando 3 canali primari (CP). Analogo discorso vale per l'altro estremo, per cui avremo 5 canali secondari (CS). At this point we will use these two numbers to properly group the strips at the two ends. At one end the i-th strips of each group of 3 consecutive fibers are read together forming 3 primary channels (CP). The same goes for the other extreme, for which we will have 5 secondary channels (CS).

Al passaggio di una particella attraverso una strip si generano due segnali ai due estremi della strip. Nel nostro caso si avrà segnale da un canale Primario e da un canale Secondario. When a particle passes through a strip, two signals are generated at both ends of the strip. In our case there will be a signal from a Primary channel and a Secondary channel.

La combinazione di questi due segnali identifica in maniera univoca la strip colpita, in quanto ogni strip è identificata da una e una sola coppia di canali, uno Primario ed uno Secondario che producono segnale sopra una soglia opportuna. The combination of these two signals uniquely identifies the affected strip, as each strip is identified by one and only one pair of channels, one Primary and one Secondary that produce signals above a suitable threshold.

Ε' chiaro che riapplicando il sistema che si descrive ad uno strato di strip ortogonale al precedente, è possibile realizzare rivelatori di posizione xy . It is clear that by reapplying the system described to a strip layer orthogonal to the previous one, it is possible to realize xy position detectors.

Altri vantaggi sono: Other advantages are:

1) la riduzione delle dimensioni del rivelatore. Infatti le interconnessioni occupano un volume che costituisce ingombro nel caso, ad esempio, di rivelatori telescopici. 1) reducing the size of the detector. In fact, the interconnections occupy a volume which constitutes encumbrance in the case, for example, of telescopic detectors.

2) la maggiore robustezza del sistema nei confronti del cross-talk; infatti, nel sistema che si descrive, il cross-talk, introduce una lieve indeterminazione nella ricostruzione del punto d'impatto, tollerabile in quasi tutte le applicazioni . 2) the greater robustness of the system towards cross-talk; in fact, in the system described, the cross-talk introduces a slight indeterminacy in the reconstruction of the point of impact, tolerable in almost all applications.

3) Il sistema prevede una quadrupla coincidenza ed è quindi immune dal rumore, ad esempio, del fotosensore utilizzato per la conversione in segnale elettrico del segnale ottico generato nelle fibre scintillanti al passaggio di una particella. 3) The system provides a quadruple coincidence and is therefore immune from the noise, for example, of the photosensor used for the conversion into an electrical signal of the optical signal generated in the scintillating fibers when a particle passes.

4) Rimane valida la forte compressione del numero di canali, per N sufficientemente grande, con un fattore di compressione pari a ✓N /2 e si esaltano le prestazioni di rate massimo di eventi supportabile . 4) The strong compression of the number of channels remains valid, for N sufficiently large, with a compression factor equal to ✓N / 2 and the performance of the maximum supportable event rate is enhanced.

Infatti, in un rivelatore che adotta il sistema che si descrive, tutte le posizioni sul rivelatore sono codificate da 4 canali, due Primari e due Secondari, e ciò consente 1'implementazione hardware dell'elettronica di codifica più veloce possibile, che impiega memorie RAM dinamiche. In fact, in a detector that adopts the system described, all the positions on the detector are coded by 4 channels, two Primary and two Secondary, and this allows the hardware implementation of the fastest possible coding electronics, which uses RAM memories. dynamics.

In una prima forma di attuazione, il metodo di compressione e riduzione dei canali che s'intende brevettare trova applicazione nella realizzazione di un rivelatore tracciatore di particelle di grande area . In a first embodiment, the method of compression and reduction of the channels which it is intended to patent finds application in the realization of a detector tracing large area particles.

Tale tracciatore è un rivelatore di grande area basato su fibre ottiche scintillanti opportunamente raggruppate. Esso è costituito da due nastri di fibre scintillanti, ripiegati ad "U", orientati a 90° l'uno rispetto all'altro, denominati nastro X e nastro Y. This tracer is a large area detector based on appropriately grouped scintillating optical fibers. It consists of two ribbons of glittering fibers, folded into a "U", oriented at 90 ° with respect to each other, called ribbon X and ribbon Y.

Si noti che, per la ricostruzione del punto di attraversamento del rivelatore da parte di una particella (evento) , è necessario che la particella rilasci energia in entrambi gli strati di fibre. Note that for the reconstruction of the detector crossing point by a particle (event), it is necessary that the particle releases energy in both layers of fibers.

A questo punto sarebbe possibile attraverso una matrice di sensori di luce, un front-end ed un sistema di acquisizione opportuni, identificare quali fibre hanno prodotto un impulso luminoso e ricostruire la posizione del punto di attraversamento con risoluzione dove d rappresenta la dimensione / diametro della fibra scintillante. At this point it would be possible through a matrix of light sensors, a front-end and an appropriate acquisition system, to identify which fibers have produced a light pulse and to reconstruct the position of the crossing point with resolution where d represents the size / diameter of the sparkling fiber.

Per fare ciò, ogni fibra ottica scintillante deve essere accoppiata otticamente a un sensore di luce ed ogni sensore di luce deve essere letto da un canale di elettronica di front-end e acquisito. To do this, each sparkling optical fiber must be optically coupled to a light sensor and each light sensor must be read from a front-end electronics channel and acquired.

L'accoppiamento tra fibre scintillanti e il sensore ottico è realizzato accostando e fissando meccanicamente le fibre e immergendole in grasso ottico, oppure incollando le fibre direttamente al sensore mediante l'uso di speciale colla ottica bicomponente. Un'alternativa è la raccolta della luce prodotta in una o più fibre scintillanti mediante una fibra wavelenght shifter (WLS), come mostrato in figura 5 e successivamente accoppiando detta fibra al fotosensore. In ogni caso la resa in termini di accoppiamento ottico è equivalente. La tecnica di riduzione dei canali (nastri ad "U") combinata con quest'ultima tecnica di raccolta della luce prodotta da un gruppo di fibre scintillanti (GP e GS), consente una notevole riduzione degli ingombri delle interconnessioni ottiche. Come sensore di luce si possono utilizzare fotomoltiplicatori multianodo o matrici di SiPM al posto di sensori di luce separati per ogni fibra o gruppo di fibre. L'impiego dei SiPM presenta minori costi per grandi quantità, una più semplice implementazione architetturale e trae vantaggio dal sistema di compressione dei canali in quanto il meccanismo di quadrupla coincidenza previsto nel tracciatore permetterebbe di ovviare al problema dell'alto rate di segnali spuri caratteristico dei SiPM. The coupling between sparkling fibers and the optical sensor is achieved by mechanically joining and fixing the fibers and dipping them in optical grease, or by gluing the fibers directly to the sensor using a special two-component optical glue. An alternative is the collection of the light produced in one or more scintillating fibers by means of a wavelength shifter (WLS) fiber, as shown in figure 5 and subsequently coupling said fiber to the photosensor. In any case, the yield in terms of optical coupling is equivalent. The channel reduction technique ("U" strips) combined with the latter technique of collecting the light produced by a group of scintillating fibers (GP and GS), allows a considerable reduction of the overall dimensions of the optical interconnections. Multianode photomultipliers or SiPM arrays can be used as light sensors instead of separate light sensors for each fiber or group of fibers. The use of SiPMs has lower costs for large quantities, a simpler architectural implementation and takes advantage of the channel compression system as the quadruple coincidence mechanism provided in the tracer would allow to overcome the problem of the high rate of spurious signals characteristic of SiPM.

Uno schema alternativo di applicazione del sistema di riduzione dei canali per un rivelatore di posizione di particelle cariche, associato alla già menzionata compressione dei canali, si realizza con un diverso utilizzo dei nastri di fibre scintillanti ed è descritto nel seguito. An alternative scheme of application of the channel reduction system for a position detector of charged particles, associated with the aforementioned compression of the channels, is carried out with a different use of the sparkling fiber ribbons and is described below.

Tutte le altre considerazioni rimangono valide anche in questo caso. All other considerations remain valid also in this case.

Il rivelatore proposto è realizzato tramite l'accostamento, lungo una direzione, di "N" strutture elementari (vedi figura 6). The proposed detector is realized through the approach, along a direction, of "N" elementary structures (see figure 6).

L'unità elementare dell'area di rivelazione consiste in un nastro di fibre scintillanti, accostate le une alle altre, nell'esempio di figura 7, a sezione quadrata della dimensione di 500 μm lungo circa 1 m. Ognuno dei due estremi del nastro viene letto con il già citato metodo di compressione dei canali. The elementary unit of the detection area consists of a ribbon of scintillating fibers, placed side by side, in the example of figure 7, with a square section of the size of 500 μm, about 1 m long. Each of the two ends of the tape is read with the aforementioned channel compression method.

Ogni struttura elementare è costituita da un nastro di fibre scintillanti ripiegato su se stesso, rispettando il raggio di curvatura minimo caratteristico del tipo di fibre che si è scelto di usare, e con un angolo (alfa) definito come parametro di progetto (vedi figura 6). Risulta evidente che la scelta di tale angolo, oltre alla dimensione dell'intera area di rivelazione che si vuole raggiungere, determinerà il numero di nastri che si devono utilizzare, di quante fibre è composto il nastro, la risoluzione lungo una delle due direzioni. Each elementary structure is made up of a ribbon of scintillating fibers folded back on itself, respecting the minimum radius of curvature characteristic of the type of fiber that has been chosen to use, and with an angle (alpha) defined as the design parameter (see figure 6 ). It is evident that the choice of this angle, in addition to the size of the entire detection area to be reached, will determine the number of tapes to be used, how many fibers the tape is composed of, the resolution along one of the two directions.

Da uno studio preliminare effettuato sulla variazione ammissibile della dimensione dell'area di rivelazione e dell'angolo alfa si è arrivato alla determinazione dei seguenti valori: From a preliminary study carried out on the admissible variation of the size of the detection area and of the alpha angle, the following values were determined:

• lato dell'area di rivelazione :≤ 45 cm • side of the detection area: ≤ 45 cm

• 6° < alfa < 45° • 6 ° <alpha <45 °

Va sottolineato che, detti limiti, sono sicuramente raggiungibili e che solo uno studio più dettagliato determinerà quanto e quali di questi potranno essere superati. Infatti, se si pensa che il lato dell'area di rivelazione è vincolato dalla lunghezza di attenuazione della luce all'interno delle fibre scintillanti, si potrebbe pensare di eliminare la curvatura dei nastri, che introducono un notevole fattore di attenuazione, in una zona non attiva del rivelatore, con un sistema di specchi che consenta di far passare la luce dalla fibra di uno strato alla medesima fibra dell'altro strato oppure di effettuare le curvature con fibre clear, la cui lunghezza di attenuazione è trascurabile rispetto alle grandezze in questione. It should be emphasized that these limits are certainly achievable and that only a more detailed study will determine how much and which of these can be overcome. In fact, if one thinks that the side of the detection area is constrained by the length of attenuation of the light inside the scintillating fibers, one could think of eliminating the curvature of the ribbons, which introduce a considerable attenuation factor, in an area that is not active of the detector, with a system of mirrors that allows the light to pass from the fiber of one layer to the same fiber of the other layer or to effect the bends with clear fibers, whose attenuation length is negligible compared to the quantities in question.

Un esempio numerico può rendere l'idea dei vantaggi del metodo appena descritto. A numerical example can give an idea of the advantages of the method just described.

Dato L= 450 mm, lato del rivelatore, d=0.5 mm, sezione o diametro della fibra scintillante, F=90, numero di fibre scintillanti per nastro e alfa=6°, si ottiene n=29 per il numero n di canali primari, m=35 per il numero m di canali secondari e, quindi, con il nastri da 90 fibre ognuno e della lunghezza di circa 1 m è possibile realizzare un rivelatore di grande area (45x45 cm<2>) leggendo solo n+m=64 canali digitali. Given L = 450 mm, detector side, d = 0.5 mm, section or diameter of the scintillating fiber, F = 90, number of scintillating fibers per tape and alpha = 6 °, we obtain n = 29 for the number n of primary channels , m = 35 for the number m of secondary channels and, therefore, with the ribbon of 90 fibers each and with a length of about 1 m it is possible to make a large area detector (45x45 cm <2>) by reading only n + m = 64 digital channels.

I due estremi dei nastri vengono letti con il metodo già descritto, raggruppandoli in Gruppi Primari (n) e in Gruppi Secondari (m) di fibre, letti da un fotomoltiplicatore multi-anodo o da una matrice di SiPM, i cui segnali anodici, analogici, saranno convertiti ognuno in un singolo bit digitale attraverso la comparazione con una soglia di riferimento. Un attraversamento, da parte di una particella carica, in un qualsiasi punto dell'area di rivelazione provocherà la creazione di luce di scintillazione soltanto in due fibre. The two ends of the tapes are read with the method already described, grouping them into Primary Groups (n) and Secondary Groups (m) of fibers, read by a multi-anode photomultiplier or by a SiPM matrix, whose anode, analogue signals , each will be converted into a single digital bit through comparison with a reference threshold. A crossing by a charged particle at any point in the detection area will cause the creation of scintillation light in only two fibers.

La luce prodotta all'interno di ogni fibra si propagherà in entrambe le direzioni percorrendo due distanze diverse e sarà raccolta agli estremi del nastro. Per via dell'attenuazione della luce introdotta dalla fibra scintillante, i due segnali ai due estremi avranno una durata sopra soglia diversa e distinguibile. Sarà, quindi, possibile distinguere per ognuna delle due fibre i Gruppi Primari e Secondari corrispondenti, identificando in maniera univoca la posizione di attraversamento del rivelatore da parte della particella. In questo modo si ha un'ulteriore riduzione dei canali rispetto al primo caso illustrato di fig.2. Infatti, non si ripetono gli accorpamenti nelle due direzioni, x e y. Inoltre, la quantità di accoppiamenti ottici si riduce mantenendo il vantaggio della coincidenza per rigettare i segnali spuri. The light produced within each fiber will propagate in both directions over two different distances and will be collected at the ends of the ribbon. Due to the attenuation of the light introduced by the scintillating fiber, the two signals at the two ends will have a different and distinguishable duration above the threshold. It will therefore be possible to distinguish the corresponding Primary and Secondary Groups for each of the two fibers, uniquely identifying the position in which the particle passes through the detector. In this way there is a further reduction of the channels with respect to the first case illustrated in fig. 2. In fact, the groupings in the two directions, x and y, are not repeated. Furthermore, the amount of optical couplings is reduced while maintaining the advantage of coincidence for rejecting spurious signals.

Una particolarità di questa configurazione è che i pixel che si vengono a formare dalla sovrapposizione dei due strati di fibre hanno una forma a parallelogramma. Tale parallelogramma è tanto più allungato tanto più piccolo è l'angolo alfa di avvolgimento dei nastri. A peculiarity of this configuration is that the pixels that are formed by the superposition of the two layers of fibers have a parallelogram shape. This parallelogram is all the more elongated the smaller the alpha angle of wrapping of the tapes.

Avremo, cioè, una risoluzione diversa nelle due direzioni, x e y. La prima confrontabile alla dimensione delle fibre divisa per ✓12 mentre la seconda dipendente dall'angolo alfa (circa 3 volte nel caso di 20°). That is, we will have a different resolution in the two directions, x and y. The first is comparable to the size of the fibers divided by ✓12 while the second depends on the alpha angle (about 3 times in the case of 20 °).

In figura 7 è mostrato un esempio numerico per stimare i parametri di progetto e come possono essere scelti per realizzare un rivelatore tracciatore delle dimensioni desiderate e il numero di canali di readout desiderato. Figure 7 shows a numerical example to estimate the design parameters and how they can be chosen to make a tracer detector of the desired size and the number of desired readout channels.

In figura 8 è mostrato un prototipo realizzato con fibre scintillanti bcf-20 per la caratterizzazione della lunghezza di attenuazione e le proprietà di bending dei nastri scintillanti. In questo rivelatore un unico nastro è riavvolto più volte fino a realizzare un'area sensibile di 13x16 cm<2>. Figure 8 shows a prototype made with bcf-20 scintillating fibers for the characterization of the attenuation length and the bending properties of scintillating ribbons. In this detector, a single tape is rewound several times to create a sensitive area of 13x16 cm <2>.

I test hanno fornito ottimi risultati e le misure sono ancora in corso. L'accoppiamento ottico fra fibre scintillanti e fotomoltiplicatori è diretto. The tests have provided excellent results and the measurements are still ongoing. The optical coupling between scintillating fibers and photomultipliers is direct.

Descriveremo ora un dispositivo di radiografia con protoni basato sul metodo della misura del range residuo delle particelle e al quale sono applicate le caratteristiche innovative precedentemente descritte. We will now describe a proton radiography device based on the method of measuring the residual range of particles and to which the previously described innovative features are applied.

In figura 9 è mostrato lo schema di principio di un dispositivo per la radiografia con particelle cariche basato sulla tecnica consolidata del range residuo delle particelle dopo l'attraversamento di un volume, per la produzione dell'immagine dello stesso. Un tale dispositivo realizzato in grandi dimensioni deve integrare dei tracciatori che permettano di ricostruire il range corretto delle particelle. Infatti, il range residuo nello schema classico, in assenza cioè di tracciatori integrati, è capace di misurare con buona precisione solo particelle che percorrono una traiettoria pressoché rettilinea all'interno del rivelatore. Nelle applicazioni tale situazione è la meno probabile. Un sistema che permetta la misura del range residuo e ne fornisca contemporaneamente la traiettoria supera la precedente limitazione ma in assenza delle soluzioni proposte nel seguito presenterebbe un numero di canali di lettura proibitivo nell'ottica di un'acquisizione real-time. Figure 9 shows the basic scheme of a device for radiography with charged particles based on the consolidated technique of the residual range of particles after crossing a volume, for producing the image of the same. Such a device made in large dimensions must integrate tracers that allow to reconstruct the correct range of particles. In fact, the residual range in the classical scheme, i.e. in the absence of integrated tracers, is capable of measuring with good precision only particles that travel an almost straight trajectory inside the detector. In applications, this situation is the least likely. A system that allows the measurement of the residual range and at the same time provides its trajectory overcomes the previous limitation but in the absence of the solutions proposed below, it would have a prohibitive number of reading channels from the point of view of a real-time acquisition.

Gli elementi fondamentali sono due: There are two fundamental elements:

a) un sistema di tracciatori; a) a system of tracers;

b) un rivelatore di range residuo. b) a residual range detector.

L'applicazione del metodo di compressione e riduzione dei canali proposto a tale sistema di misura si traduce nella pratica in un rivelatore il cui acronimo è P.R.E.D.A.T.E. (Particle Residuai Energy Detector And Tracker Enhanced). The application of the method of compression and reduction of the channels proposed to this measurement system translates in practice into a detector whose acronym is P.R.E.D.A.T.E. (Particle Residuai Energy Detector And Tracker Enhanced).

In particolare, in tale applicazione, si hanno: In particular, in this application, there are:

a) tracciatori come quelli illustrati in fig.7 o in fig.10, per la misura delle direzioni di ingresso, intermedie e d'uscita, delle particelle. Una coppia di tracciatori è, infatti, in grado di misurare in condizioni di fascio a bassissima intensità (condizioni di singola particella o di imaging) la direzione della traccia in tempo reale e correlata all'energia rilasciata nei tracciatori. a) tracers such as those illustrated in Fig. 7 or Fig. 10, for measuring the inlet, intermediate and outlet directions of the particles. A pair of trackers is, in fact, able to measure in very low intensity beam conditions (single particle or imaging conditions) the direction of the track in real time and correlated to the energy released in the trackers.

b) Un insieme di strati di scintillatori plastici dello spessore di un millimetro e di area pari a 40x40 cm<2>o nastri di 400 fibre scintillanti di fibre da 1 mm di diametro per la misura del range residuo. b) A set of layers of plastic scintillators with a thickness of one millimeter and an area equal to 40x40 cm <2> or ribbons of 400 scintillating fibers of 1 mm diameter fibers for the measurement of the residual range.

Per garantire l'arresto di protoni da 250 MeV (energia tipica da imaging con protoni) e considerando la densità degli scintillatori plastici, prossima a 1 (acqua equivalenti), dobbiamo prevedere circa 400 strati. To guarantee the arrest of 250 MeV protons (typical energy from proton imaging) and considering the density of plastic scintillators, close to 1 (water equivalent), we have to foresee about 400 layers.

La luce prodotta nello strato (o del nastro di fibre scintillanti) viene raccolta da due fibre wavelength shifter (WLS) accoppiate otticamente a due lati opposti dello strato o agli estremi dei nastri di fibre scintillanti, come in figura 5. The light produced in the layer (or of the sparkling fiber web) is collected by two wavelength shifter (WLS) fibers optically coupled to two opposite sides of the layer or at the ends of the sparkling fiber webs, as in figure 5.

Agli strati è applicato il sistema di compressione di fig.2 , quindi, le due fibre WLS sono raggruppate in modo diverso: una in Gruppi Primari (GP) (da 19 strati nell'esempio di figura 12), l'altra in Gruppi Secondari (GS) (da 21 strati nell'esempio di figura 12). The compression system of fig. 2 is applied to the layers, therefore, the two WLS fibers are grouped in a different way: one in Primary Groups (GP) (from 19 layers in the example of figure 12), the other in Secondary Groups (GS) (from 21 layers in the example of figure 12).

In figura 5, è mostrato lo schema di accoppiamento delle fibre WLS. In figure 5, the coupling scheme of the WLS fibers is shown.

I canali così prodotti, 19 canali primari CP e 21 canali secondari (CS), vengono accoppiati otticamente ai canali di un fotosensore. The channels thus produced, 19 primary channels CP and 21 secondary channels (CS), are optically coupled to the channels of a photosensor.

Le uscite del sensore sono confrontate a una stessa soglia opportuna attraverso una matrice di comparatori, producendo un'uscita logica. The sensor outputs are compared to the same suitable threshold through a matrix of comparators, producing a logic output.

Si sceglie una soglia tale da far scattare i comparatori solo nella parte finale della traccia nel rivelatore, in prossimità del picco di Bragg. A threshold is chosen such as to trigger the comparators only in the final part of the trace in the detector, near the Bragg peak.

In figura 12 è anche rappresentato un esempio dell'uscita logica, dove 19 canali principali CP sono letti a soglia alta (picco di Bragg) così come i 21 canali Secondari CS sono letti a soglia alta: si capisce come sia possibile estrarre facilmente l'informazione considerando sempre il bit a uno più a destra. Figure 12 also shows an example of the logic output, where 19 main CP channels are read at a high threshold (Bragg peak) as well as the 21 Secondary CS channels are read at high threshold: it is understood how it is possible to easily extract the information always considering the one bit to the right.

Tale sistema consente una radiografia con protoni in tempo reale e contestualmente produce il profilo di fascio attraverso i tracciatori. This system allows a radiography with protons in real time and at the same time produces the beam profile through the tracers.

Un'ulteriore semplificazione è illustrata in fig. llb dove è riportato lo schema di un dispositivo per la radiografia con protoni (particelle cariche) che impiega i sistemi di compressione e riduzione dei canali già citati per la realizzazione di un misuratore di range residuo. In tale dispositivo i due piani del tracciatore sono realizzati con uno qualsiasi dei metodi innovativi precedentemente descritti. A further simplification is illustrated in fig. 11b where there is the diagram of a device for radiography with protons (charged particles) which uses the compression and reduction systems of the channels already mentioned for the realization of a residual range meter. In this device the two planes of the tracker are made with any of the innovative methods previously described.

In figura 10 sono mostrati i nastri descritti in precedenza disposti in modo da creare un tracciatore. Lo scenario per quanto riguarda gli strati di scintillatori per la misura del range residuo rimane invariato rispetto al punto precedente. Figure 10 shows the previously described tapes arranged so as to create a plotter. The scenario regarding the layers of scintillators for the measurement of the residual range remains unchanged compared to the previous point.

In figura llb è mostrato un dettaglio del disegno del sistema con l'aggiunta dei primi 133 strati scintillanti (o nastri di fibre scintillanti). Figure 11b shows a detail of the design of the system with the addition of the first 133 sparkling layers (or ribbons of sparkling fibers).

Il sistema per la ricostruzione dei diversi punti d'impatto sui tracciatori si basa sull'attenuazione della luce di scintillazione prodotta quasi simultaneamente su di essi. The system for the reconstruction of the different impact points on the tracers is based on the attenuation of the scintillation light produced almost simultaneously on them.

L'attenuazione prodotta dai tratti di nastro interposti tra i diversi punti d'impatto permette l'elaborazione dei segnali sulla base del tempo sopra soglia. The attenuation produced by the stretches of tape interposed between the different points of impact allows the processing of the signals on the basis of the time above the threshold.

Il numero risultante di canali di lettura consente d'utilizzare anche una sola scheda di acquisizione digitale ad alte prestazioni e l'impiego di logiche programmabili di ultima generazione potrebbe favorire l'elaborazione in tempo reale di tutte le informazioni provenienti dal rivelatore. Si noti che nell'esempio del rivelatore in figura 11, di dimensioni 40x40x40 cm<3>e con fibre scintillanti da 500 micron e strati scintillatori da 1 mm (o nastri di fibre scintillanti) e 2 tracciatori, il numero di canali di lettura è di 256 canali. The resulting number of reading channels allows the use of even a single high-performance digital acquisition card and the use of the latest generation of programmable logic could favor the real-time processing of all the information coming from the detector. Note that in the example of the detector in figure 11, with dimensions 40x40x40 cm <3> and with 500 micron scintillating fibers and 1 mm scintillating layers (or ribbons of scintillating fibers) and 2 tracers, the number of reading channels is of 256 channels.

Da quanto sin qui descritto risultano evidenti le caratteristiche del trovato ed i suoi vantaggi: From what has been described up to now, the characteristics of the invention and its advantages are evident:

Il metodo di compressione e riduzione dei canali, con applicazioni svariate; The method of compression and reduction of channels, with various applications;

Il rivelatore, con applicazione principale nella proton imaging ma innovativo e competitivo anche in altri scenari. The detector, with main application in proton imaging but innovative and competitive also in other scenarios.

Il sistema di riduzione dei canali ottimizzato con l'uso di nastri di fibre scintillanti. The channel reduction system optimized with the use of sparkling fiber ribbons.

Il sistema di radiografia con protoni basato sulla misura del range residuo e con applicazione del sistema di compressione e riduzione dei canali. The proton radiography system based on the measurement of the residual range and with the application of the channel compression and reduction system.

Il sistema di radiografia con protoni basato sulla misura del range residuo e con applicazione del sistema di riduzione e ottimizzazione dei canali secondo il trovato e del sistema di avvolgimento di nastri di fibre scintillanti. The radiography system with protons based on the measurement of the residual range and with the application of the system for reducing and optimizing the channels according to the invention and of the winding system for sparkling fiber tapes.

Il rivelatore ha molteplici vantaggi rispetto ai rivelatori analoghi allo stato dell'arte in condizioni di imaging (singolo evento): The detector has multiple advantages over similar state-of-the-art detectors under imaging conditions (single event):

• grande area fino a 40x40 cm<2>; • large area up to 40x40 cm <2>;

• acqua equivalente; • water equivalent;

• risoluzione fino 80 micron con fibre scintillanti da 250 μm; • resolution up to 80 microns with 250 μm sparkling fibers;

• acquisizione ed elaborazione in tempo reale; • acquisition and processing in real time;

• rate di eventi massimo supportato fino a 100 MHz; • maximum supported event rate up to 100 MHz;

• basso costo; • low cost;

E' inoltre da evidenziare la possibilità di realizzare il rivelatore in tempi brevi acquistando solo dispositivi e materiali in commercio, garantendo bassi costi e tempi di produzione. It is also worth highlighting the possibility of making the detector in a short time by purchasing only devices and materials on the market, guaranteeing low costs and production times.

Non si ha, infatti, bisogno, di elettronica integrata full-custom per il front-end e per l'elettronica di acquisizione. In fact, there is no need for full-custom integrated electronics for the front-end and for the acquisition electronics.

Le due configurazioni per un tracciatore, negli esempi realizzativi descritti ed illustrati con riferimento alle figure 7 e 10, presentano importanti prerogative e possono adattarsi bene a diverse applicazioni. The two configurations for a tracker, in the embodiment examples described and illustrated with reference to Figures 7 and 10, have important features and can be well adapted to different applications.

Dal confronto dei riferimenti allo stato dell'arte è possibile valutare come la semplice applicazione della presente invenzione nelle sue diverse forme realizzative può portare enormi benefici, in termini di prestazioni, a diverse applicazioni utilizzando o sostituendo tecniche già consolidate. By comparing the references to the state of the art, it is possible to evaluate how the simple application of the present invention in its various embodiments can bring enormous benefits, in terms of performance, to different applications by using or replacing already consolidated techniques.

Claims (2)

RIVENDICAZIONI 1) Metodo di compressione e riduzione del numero di canali di lettura applicabile ai rivelatori di particelle a segmentazione lineare mantenendo intatte le informazioni, caratterizzato dal fatto che prevede la compressione del numero di canali di lettura di un rivelatore di posizione segmentato per particelle cariche mediante un opportuno raggruppamento delle strip ai due estremi di lettura delle stesse, con un fattore di compressione pari a ✓N /2, dove N è il numero delle strip e dove le modalità di raggruppamento delle strip ad un estremo di lettura sono diverse da quelle delle strip all'altro estremo di lettura. CLAIMS 1) Method of compression and reduction of the number of reading channels applicable to linear segmentation particle detectors while keeping the information intact, characterized in that it provides for the compression of the number of reading channels of a segmented position detector for charged particles by means of a appropriate grouping of the strips at the two reading ends of the same, with a compression factor equal to ✓N / 2, where N is the number of strips and where the grouping methods of the strips at one reading end are different from those of the strips at the other extreme of reading. 2) Metodo come alla rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che il raggruppamento delle strip ai due estremi di lettura avviene sulla base della scelta di due numeri primi tra loro il cui prodotto si avvicina il più possibile alla radice quadrata di N e la cui somma è prossima a 2✓N · 3) Metodo come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che nel caso di applicazione a rivelatori di posizione basati su fibre scintillanti, prevede ulteriormente l'utilizzo di una configurazione di fibre scintillanti per realizzare l'area di rivelazione, scelta fra le seguenti due: una prima configurazione che prevede l'accostamento, lungo una direzione, di N strutture elementari costituite ciascuna da un nastro di fibre scintillanti ripiegato su se stesso, rispettando il raggio di curvatura minimo caratteristico del tipo di fibre che si è scelto, e con un angolo alfa definito come parametro di progetto; e una seconda configurazione in cui si utilizzano due soli nastri di fibre scintillanti ripiegati ad U e orientati a 90° l'uno rispetto all'altro disposti in modo da creare due piani di tracciamento invece che con quattro piani (nastri) di fibre scintillanti, due per la x e due per la y, con il conseguente dimezzamento dei canali di lettura, la scelta dell'una o dell'altra configurazione dipendendo dalla tipologia del dispositivo di indagine a cui detto rivelatore di posizione appartiene. 4) Metodo come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che utilizzando la prima configurazione, la scelta dell'angolo alfa, oltre alla dimensione dell'intera area di rivelazione che si vuole raggiungere, determina il numero di nastri che si devono utilizzare, di quante fibre è composto il nastro e la risoluzione lungo una delle due direzioni. 5) Metodo come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che la variazione ammissibile della dimensione dell'area di rivelazione e dell'angolo alfa è determinata dai seguenti valori: • lato dell'area di rivelazione:≤ 45 cm • 6° < alfa < 45° 6) Metodo come alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che nella prima configurazione la curvatura dei nastri è eliminabile in una zona non attiva del rivelatore, sostituendola con un sistema di specchi che consente di far passare la luce dalla fibra di uno strato alla medesima fibra dell'altro strato . 7) Metodo come alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che nella prima configurazione le curvature sono effettuate con fibre clear, la cui lunghezza di attenuazione è trascurabile. 8) Metodo come alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che nella prima configurazione i pixel che si vengono a formare dalla sovrapposizione dei due strati di fibre di ciascun nastro di fibre scintillanti ripiegato su se stesso hanno una forma a parallelogramma, il quale è tanto più allungato tanto più piccolo è l'angolo alfa di avvolgimento dei nastri. 9) Rivelatore tracciatore realizzato con l'uso congiunto di due o più rivelatori di posizione, come piani allineati e paralleli, ottenuti con il metodo delle rivendicazioni da 1 a 3. 10) Rivelatore tracciatore ottenuto col metodo di compressione dei canali della rivendicazione 1, in combinazione con dei nastri di fibre scintillanti caratterizzato dalla seconda configurazione della rivendicazione 3. 11) Rivelatore tracciatore utilizzabile nell'ambito dell'imaging medico, che impiega il sistema di compressione dei canali secondo la rivendicazione 1, ed è ottenuto con l'accoppiamento delle fibre scintillanti con fibre wavelenght -shifter in modo da ridurre l'ingombro delle interconnessioni ottiche. 12) Un dispositivo per la radiografia con protoni (particelle cariche) basato sulla tecnica consolidata del range residuo delle particelle dopo l'attraversamento di un volume, per la produzione dell'immagine dello stesso, comprendente un sistema di tracciatori ed un rivelatore di range residuo, caratterizzato dal fatto che: detti tracciatori sono realizzati con nastri di fibre scintillanti disposti secondo la prima o la seconda delle configurazioni di fibre della riv.3, per la misura delle direzioni di ingresso, intermedie e d'uscita, delle particelle; ed il rivelatore di range residuo è costituito da un insieme di strati di scintillatori plastici a cui è applicato il sistema di compressione secondo la Riv .1. 13) Un dispositivo per la radiografia con protoni (particelle cariche) come alla rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che la luce prodotta nello strato (o del nastro di fibre scintillanti) viene raccolta da due fibre wavelength shifter (WLS) accoppiate otticamente a due lati opposti dello strato o agli estremi dei nastri di fibre scintillanti; agli strati è applicato il sistema di compressione secondo la riv.l, e le due fibre WLS sono raggruppate in modo diverso: una in Gruppi Primari (GP) e l'altra in Gruppi Secondari (GS); i canali così prodotti, canali primari CP e canali secondari (CS), vengono accoppiati otticamente ai canali di un fotosensore; le uscite del sensore sono confrontate a una stessa soglia opportuna attraverso una matrice di comparatori, producendo un'uscita logica; detta soglia essendo tale da far scattare i comparatori solo nella parte finale della traccia nel rivelatore, in prossimità del picco di Bragg ottenendosi con ciò una radiografia con protoni in tempo reale e contestualmente il profilo di fascio attraverso i tracciatori. 14) Un dispositivo per la radiografia con protoni come alle rivendicazioni 12 e 13 caratterizzato dal fatto che grazie al ridotto numero risultante di canali di lettura utilizza una sola scheda di acquisizione digitale ad alte prestazioni e logiche programmabili atte a favorire l'elaborazione in tempo reale di tutte le informazioni provenienti dal rivelatore.2) Method as in claim 1 characterized by the fact that the grouping of the strips at the two reading extremes occurs on the basis of the choice of two prime numbers between them whose product is as close as possible to the square root of N and whose sum is close a 2✓N 3) Method as in claim 1 characterized by the fact that in the case of application to position detectors based on scintillating fibers, it further provides for the use of a configuration of scintillating fibers to realize the detection area, chosen from the following two: one first configuration that involves the juxtaposition, along a direction, of N elementary structures each consisting of a ribbon of sparkling fibers folded back on itself, respecting the minimum radius of curvature characteristic of the type of fibers chosen, and with an alpha angle defined as a project parameter; And a second configuration in which only two ribbons of U-folded glittering fibers are used and oriented at 90 ° with respect to each other arranged in such a way as to create two tracing planes instead of with four planes (tapes) of scintillating fibers, two for x and two for y, with the consequent halving of the reading channels, the choice of one or the other configuration depending on the type of survey device to which said position detector belongs. 4) Method as in the previous claim characterized by the fact that using the first configuration, the choice of the alpha angle, in addition to the size of the entire detection area to be reached, determines the number of tapes to be used, of how many fibers it is composed the tape and the resolution along one of the two directions. 5) Method as in the previous claim characterized by the fact that the admissible variation of the dimension of the detection area and of the alpha angle is determined by the following values: • side of the detection area: ≤ 45 cm • 6 ° <alpha <45 ° 6) Method as in claim 3 characterized by the fact that in the first configuration the bending of the strips can be eliminated in a non-active zone of the detector, replacing it with a system of mirrors which allows the light to pass from the fiber of a layer to the same fiber of the detector. other layer. 7) Method as in claim 3 characterized by the fact that in the first configuration the bends are made with clear fibers, the attenuation length of which is negligible. 8) Method as in claim 3 characterized by the fact that in the first configuration the pixels that are formed by the superposition of the two layers of fibers of each ribbon of sparkling fibers folded back on itself have a parallelogram shape, which is all the more elongated the smaller the alpha winding angle of the tapes. 9) Tracer detector realized with the joint use of two or more position detectors, such as aligned and parallel planes, obtained with the method of claims 1 to 3. 10) Tracer detector obtained with the channel compression method of claim 1, in combination with sparkling fiber ribbons characterized by the second configuration of claim 3. 11) Tracer detector usable in the field of medical imaging, which uses the channel compression system according to claim 1, and is obtained by coupling the scintillating fibers with wavelength -shifter fibers in order to reduce the bulk of the interconnections optics. 12) A device for radiography with protons (charged particles) based on the consolidated technique of the residual range of the particles after the crossing of a volume, for the production of the image of the same, including a tracer system and a residual range detector , characterized by the fact that: said tracers are made with ribbons of scintillating fibers arranged according to the first or second of the fiber configurations of claim 3, for measuring the inlet, intermediate and outlet directions of the particles; and the residual range detector consists of a set of layers of plastic scintillators to which the compression system according to Riv .1 is applied. 13) A device for radiography with protons (charged particles) as per the previous claim characterized by the fact that the light produced in the layer (or ribbon of scintillating fibers) is collected by two wavelength shifter (WLS) fibers optically coupled to two opposite sides of the layer or ends of the sparkling fiber ribbons; the compression system according to claim 1 is applied to the layers, and the two WLS fibers are grouped in a different way: one in Primary Groups (GP) and the other in Secondary Groups (GS); the channels thus produced, primary channels CP and secondary channels (CS), are optically coupled to the channels of a photosensor; the sensor outputs are compared to the same suitable threshold through a matrix of comparators, producing a logic output; said threshold being such as to trigger the comparators only in the final part of the trace in the detector, near the Bragg peak, thereby obtaining an X-ray with protons in real time and at the same time the beam profile through the tracers. 14) A device for radiography with protons as per claims 12 and 13 characterized by the fact that, thanks to the resulting reduced number of reading channels, it uses a single high-performance digital acquisition card and programmable logics to favor processing in real time of all information coming from the detector.
IT000273A 2012-06-12 2012-06-12 "METHOD OF COMPRESSION AND REDUCTION OF READ-OUT CHANNELS AND ITS APPLICATION FOR THE IMPLEMENTATION OF AN INVESTIGATION SYSTEM FOR PARTICLES LOADED, IN REAL TIME, OF LARGE AREA AND HIGH SPATIAL RESOLUTION" ITRM20120273A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017504813A (en) 2014-02-03 2017-02-09 ジ アリゾナ ボード オブ リーゲンツ オン ビーハーフ オブ ザ ユニバーシティ オブ アリゾナThe Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Beta and alpha emission tomography for 3D autoradiography
JP2018524043A (en) * 2015-05-19 2018-08-30 プロトンブイディーエー インコーポレイテッド Proton imaging system for optimization of proton therapy
CN106908831A (en) * 2017-03-28 2017-06-30 中国科学院高能物理研究所 Particle track detection device based on micro structure array
WO2019133678A1 (en) * 2017-12-28 2019-07-04 Board Of Trustees Of Northern Illinois University Processing pipeline for prompt particle image reconstruction

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3463018B2 (en) * 2000-05-01 2003-11-05 核燃料サイクル開発機構 Thin radiation surface contamination detector
JP2007248408A (en) * 2006-03-20 2007-09-27 Horiba Ltd Radiation detector

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BELIAN A P ET AL: "An approach to multiplicity counting for a versatile new sensor for plutonium assay with a very short die-away time, and independent measurements of neutrons and gamma rays", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER BV * NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, vol. 505, no. 1-2, 1 June 2003 (2003-06-01), pages 54 - 57, XP004429070, ISSN: 0168-9002, DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01019-2 *
BRESSANI T ET AL: "PERFORMANCE OF AN ECONOMIC TIME-OF-FLIGHT SCINTILLATOR HODOSCOPE", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH, NORTH-HOLLAND PUBLISHING COMPANY. AMSTERDAM, NL, vol. 221, no. 2, 1 April 1984 (1984-04-01), pages 355 - 362, XP001443459, ISSN: 0167-5087 *
LEE ET AL: "multi-strip scintillation counters(mssc)", NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS, NORTH-HOLLAND PUBLISHING COMPANY. AMSTERDAM, NL, vol. 119, no. 1, 1 January 1974 (1974-01-01), pages 29 - 33, XP002135485, DOI: 10.1016/0029-554X(74)90729-0 *
NAKAMURA T ET AL: "A half-millimetre spatial resolution fibre-coded linear position-sensitive scintillator detector with wavelength-shifting fibre read-out for neutron detection", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER BV * NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, vol. 606, no. 3, 21 July 2009 (2009-07-21), pages 675 - 680, XP026419650, ISSN: 0168-9002, [retrieved on 20090515] *
PEMLER P ET AL: "A detector system for proton radiography on the gantry of the Paul-Scherrer-Institute", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER BV * NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, vol. 432, no. 2-3, 11 August 1999 (1999-08-11), pages 483 - 495, XP027317643, ISSN: 0168-9002, [retrieved on 19990811] *

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