Alessio Mangiarotti.

As aplicações das radiações ionizantes em diferentes áreas, como saúde, indústria, meio ambiente e agricultura, têm efeito direto na qualidade de vida da população. Por isso, a melhoria de métodos e técnicas, e o desenvolvimento de instrumentos e sistemas para a medição das radiações, são fundamentais para que o uso delas seja benéfico, eficaz e, ao mesmo tempo, obedeça a todos os requisitos de segurança, impedindo os riscos adversos da radiação. Este projeto está baseado na pesquisa, desenvolvimento e inovação em metrologia das radiações ionizantes com aplicações na área da saúde em radioterapia, radiodiagnóstico e medicina nuclear, e esterilização de materiais e instrumentos médicos. O intuito é formar uma base metrológica para calibração de detectores com radiações alfa, beta, gama e X, para novos sistemas dosimétricos e metodologias em metrologia das radiações, com técnicas luminescentes e outras, gerando impacto técnico-científico nacional e internacional e contribuindo para o uso seguro das radiações ionizantes. A metodologia da pesquisa consistirá no desenvolvimento e implantação de: materiais e sistemas dosimétricos, objetos simuladores para radioterapia e radiodiagnóstico, câmaras de ionização, detectores de radiação e novas metodologias (para detectores de estado sólido e géis poliméricos), interagindo com grupos nacionais e internacionais de excelência da área. Outra meta importante será a formação e o treinamento de pessoal em metrologia das radiações aplicadas à medicina. A originalidade e a relevância da proposta consistem no desenvolvimento, na melhoria e no estabelecimento de novos materiais, instrumentos e técnicas úteis para a metrologia e a dosimetria das radiações, utilizando ainda as técnicas de simulação computacional.

O presente projeto visa fornecer dados de referência sobre espalhamento elástico múltiplo de elétrons e prótons com uma quantificação rigorosa das incertezas estatísticas e sistemáticas. Os feixes de elétrons do Laboratório do Acelerador Linear (LAL) (energias variáveis com continuidade entre 10 keV e 100 keV e de 1.9 MeV e 5.0 MeV) e de prótons do Laboratório de Análise de Materiais por Feixes Iônicos (LAMFI) (energias variáveis com continuidade entre 800 keV e 4.0 MeV) serão usados. Esse assunto é fundamental para muitas aplicações desde a determinação de perfis de concentração usando feixes iônicos até a localização da dose em radioterapia e a resolução em momento de detectores de partículas de tipo "tracking". Infelizmente, os dados experimentais existentes são muito antigos e sem uma quantificação rigorosa das incertezas sistemáticas. Dados recentes não foram medidos em condições bem controladas. Uma das contribuições importantes ao presente projeto será uma quantificação rigorosa de: i) espessura do alvo, ii) contaminação do alvo e iii) não uniformidade do alvo. Um conjunto extenso de combinações de Z-energia das partículas-espessura do alvo será coletado procurando as condições mais sensíveis para diferenciar entre várias abordagens teóricas e implementações Monte Carlo. Os benefícios de longo prazo serão a implantação de uma competência sobre espetroscopia de elétrons no LAL e a constituição de uma colaboração permanente entre LAL e LAMFI com o objetivo de alcançar uma descrição consistente da interação de elétrons e prótons com a matéria em outros processos além do espalhamento múltiplo.

Propomos medir a seção de choque de ionização por impacto de elétrons das camadas internas de átomos de elementos distribuídos pela tabela periódica, pela importância teórica e prática do fenômeno. O feixe de elétrons, com energia entre 10 keV e 5 MeV, será fornecido por uma das três linhas de feixe do Microtron de São Paulo. A seção de choque será deduzida a partir da medição da taxa de produção de raios-X de fluorescência com detetores de estado sólido. Os alvos finos e sua caracterização serãoobtidos em colaboração com outros Laboratórios do Instituto de Física da USP e os padrões de calibração de intensidade de raios-X com o Laboratório de Metrologia Nuclear do IPEN-CNEN/SP. A seção de choque de ionização é um dos parâmetros fundamentais na quantificação dos fenômenos de interação de elétrons e raios-X com a matéria e necessário nas simulações do transporte de fótons e elétrons. Com os recursossolicitados neste projeto, montaremos um arranjo experimental e desenvolveremos métodos de análise que permitirão obter resultados com precisão relativa da ordem de 5. A fim de calibrar acuradamente a eficiência de detecção de raios-X entre 3 e 10 keV, determinaremos sua intensidade de emissão no decaimento de radioisótopos que possam ser adotados como padrões. Mediremos também a distribuição angular dos raios-X L em elementos de número atômico elevado, com a expectativa de verificar seas vacâncias na camada L3 produzidas por impacto de elétrons estão alinhadas com a quantidade de movimento da partícula incidente. Esses resultados experimentais permitirão reavaliar as aproximações usadas nos melhores cálculos teóricos existentes.

Este projeto contempla medidas do primeiro coeficiente Townsend de ionização e de velocidades de arrastamento de elétrons em misturas de gases freqüentemente utilizados como inibidores de descargas, em regiões de elevados campos elétricos. O método proposto baseia-se na técnica pulsada de Townsend, onde o movimento de elétrons liberados de um catodo metálico pela incidência de um feixe de laser de N2 e acelerados em um campo elétrico uniforme é responsável pela geração de um sinal elétrico de curta duração. Este projeto será realizdo em colaboração com o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) do Departamento de Física da Universidade de Coimbra, Portugal.

Desde alguns anos que o LIP-Coimbra é membro da colaboração HADES, que explora um espectrómetro de partículas localizado no instituto GSI, Darmstadt, Alemanha. Neste estudam-se colisões de iões pesados a energias inferiores a 2 AGev e reacções elementares abaixo de 4 Gev. O envolvimento do LIP tem sido essencialmente técnico, com a construção de um grande detector (~8 metros quadrados) de tempo-de-voo baseado em "Resistive Plate Chambers" (RPCs), que cobrirá a maior parte da região dianteira do espectrómetro e fornecerá medidas de tempo com uma resolução de 60 ps. Encontrando-se finalizada esta pesada tarefa, espera-se que o LIP se junte às restantes instituições internacionais na partilha dos trabalhos de exploração da experiência, tomando parte nas tomadas de dados e tomando em mãos alguns sub-tópicos dos principais objectivos de Física (a espectroscopia de precisão de efeitos in medio em colisões de iões pesados e reacções elementares).

Neste projecto são pedidos fundos para participação na instalação do detector RPC em 2009 e para a continuação do estudo de viabilidade dum sub-tópico de Física que está dentro das capacidades do novo detector RPC: a medida de fluxo e anti-fluxo de kaões em colisões de iões pesados abaixo do limiar de energia por nucleão para produção de kaões. Esta informação, equivalente à detecção experimental de padrões de movimento colectivo nos kaões que emergem da fase mais densa da matéria nuclear comprimida formada na colisão, poderá revelar a presença dum potencial que está ausente no vazio. Nesse caso será evidente um impacto claro nos modelos astrofísicos correntes do interior de estrelas
de neutrões através da possibilidade de condensação de anti-kaões. Experimentalmente, a detecção do fluxo de anti-kaões a energias subliminares ainda está em aberto devido à sua extrema raridade: cerca de um kaão por cada 10000 anti-piões. Claramente serão impostos requisitos exigentes no que diz respeito à resposta em tempo do detector, bem como à sua granularidade, o que vai requerer estudos
cuidadosos por simulação.

Este projeto de pesquisa contempla o estudo de características operacionais de uma câmara de placas paralelas com eletrodo resistivo (RPC) e insere-se em um programa de pesquisa mais amplo em física de detectores que vem sendo realizado no Centro de Tecnologia das Radiações (CTR) com a colaboração do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) do Departamento de Física da Universidade de Coimbra, Portugal.

Desde alguns anos que o LIP-Coimbra é membro da colaboração HADES, que explora um espectrómetro de partículas localizado no instituto GSI, Darmstadt, Alemanha. Neste estudam-se colisões de iões pesados a energias inferiores a 2 AGev e reacções elementares abaixo de 4 Gev. O envolvimento do LIP tem sido essencialmente técnico, com a construção de um grande detector (~6 metros quadrados) de tempo-de-voo baseado em ?Resistive Plate Chambers? (RPCs), que cobrirá a maior parte da região dianteira do espectrómetro e fornecerá medidas de tempo com uma resolução de 60 ps. Aproximando-se a finalização desta pesada tarefa (inicio de 2009), espera-se que o LIP se junte às restantes instituições internacionais na partilha dos trabalhos de exploração da experiência, tomando parte nas tomadas de dados e tomando em mãos alguns sub-tópicos dos principais objectivos de Física (a espectroscopia de precisão de efeitos in medio em colisões de iões pesados e reacções elementares).

Neste projecto são pedidos fundos para participação na instalação do detector RPC em 2009 e para a continuação do estudo de viabilidade dum sub-tópico de Física que está dentro das capacidades do novo detector RPC: a medida de fluxo e anti-fluxo de kaões em colisões de iões pesados abaixo do limiar de energia por nucleão para produção de kaões. Esta informação, equivalente à detecção experimental de padrões de movimento colectivo nos kaões que emergem da fase mais densa da matéria nuclear comprimida formada na colisão, poderá revelar a presença dum potencial que está ausente no vazio. Nesse caso será evidente um impacto claro nos modelos astrofísicos correntes do interior de estrelas de neutrões através da possibilidade de condensação de anti-kaões. Experimentalmente, a detecção do fluxo de anti-kaões a energias subliminares ainda está em aberto devido à sua extrema raridade: cerca de um kaão por cada 10000 anti-piões. Claramente serão impostos requisitos exigentes no que diz respeito à resposta em tempo do detector, bem como à sua granularidade, o que vai requerer estudos cuidadosos por simulação.

Desde alguns anos que o LIP-Coimbra é membro da colaboração HADES, que explora um espectrómetro de partículas localizado no instituto GSI, Darmstadt, Alemanha. Neste estudam-se colisões de iões pesados a energias inferiores a 2 AGev e reacções elementares abaixo de 4 Gev. O envolvimento do LIP tem sido essencialmente técnico, com a construção de um grande detector (~6 metros quadrados) de tempo-de-voo baseado em ?Resistive Plate Chambers? (RPCs), que cobrirá a maior parte da região dianteira do espectrómetro e fornecerá medidas de tempo com uma resolução de 60 ps. Aproximando-se a finalização desta pesada tarefa (fim de 2008), espera-se que o LIP se junte às restantes instituições internacionais na partilha dos trabalhos de exploração da experiência, tomando parte nas tomadas de dados e tomando em mãos alguns sub-tópicos dos principais objectivos de Física (a espectroscopia de precisão de efeitos in medio em colisões de iões pesados e reacções elementares).

Neste projecto são pedidos fundos para participação nas tomadas de dados que se avizinham e a para a finalização do estudo de viabilidade dum sub-tópico de Física que está dentro das capacidades do novo detector RPC: a medida de fluxo e anti-fluxo de kaões em colisões de iões pesados abaixo do limiar de energia por nucleão para produção de kaões. Esta informação, equivalente à detecção experimental de padrões de movimento colectivo nos kaões que emergem da fase mais densa da matéria nuclear comprimida formada na colisão, poderá revelar a presença dum potencial que está ausente no vazio. Nesse caso será evidente um impacto claro nos modelos astrofísicos correntes do interior de estrelas de neutrões através da possibilidade de condensação de anti-kaões. Experimentalmente, a
detecção do fluxo de anti-kaões a energias subliminares ainda está em aberto devido à sua extrema raridade: cerca de um kaão por cada 10000 anti-piões. Claramente serão impostos requisitos exigentes no que diz respeito à resposta em tempo do detector, bem como à sua granularidade, o que vai requerer estudos cuidadosos por simulação.

Finalmente, está incluída no presente projecto uma pequena parte da tarefa de construção, nomeadamente o desenvolvimento de um sistema de controlo de temperatura para o detector RPC tendo em vista o aumento da sua capacidade de contagem.

A tomografia por emissão de positrões (PET) é uma poderosa técnica de imagiologia molecular utilizada no diagnóstico médico e também na investigação biomédica e farmacêutica. Do ponto de vista instrumental, o desafio é detectar os pares de fotões gama de 511 keV emitidos na mesma direcção e em sentidos opostos na sequência da aniquilação do positrão com um electrão do meio. Se ambos os fotões saem da fonte sem interagir com ela e se, ainda, cada um produz uma única interacção no detector, a recta que une estes dois pontos de interacção (linha de resposta) passa necessariamente pelo ponto de aniquilação. Adquirindo um grande número das linhas de resposta pode assim reconstruir-se a posição da fonte de positrões. No entanto, se um dos fotões (ou ambos) sofre(m) dispersão no meio detector, a linha de resposta não fica bem definida. Os eventos deste tipo são normalmente eliminados para não deteriorarem a imagem.
Este projecto pretende estudar a possibilidade de usar os eventos com dispersão Compton no detector para extrair a informação que possa ser usada na reconstrução da imagem. Isto requer que o detector seja capaz de detectar e resolver interacções múltiplas. Ora existem poucos detectores com tal capacidade. O protótipo do detector de xénon líquido desenvolvido no nosso laboratório para PET, satisfaz os requisitos necessários para alcançar esse objectivo. Neste detector, a cintilação do xénon é utilizada para coincidências rápidas e, ao mesmo tempo, o sinal de carga permite determinar as posições dos pontos de interacção em 3D com uma elevada precisão. Está planeado explorar a possibilidade de utilizar este detector (ou um semelhante) para os fins mencionados e avaliar o impacto dos eventos com dispersão no detector na imagem obtida. O estudo será feito por meios computacionais e consiste em três partes: simulação das interacções dos fotões gama com o anel de detectores pelo método Monte Carlo; identificação das sequências de interacções; e construção das linhas de resposta e reconstrução da imagem. Esta imagem deve ser depois comparada com a obtida apenas a partir dos eventos com interacção fotoeléctrica.
É sabido que os dois fotões resultantes de uma aniquilação têm orientações ortogonais do vector do campo eléctrico. A dispersão Compton, por sua vez, é sensível à polarização do fotão incidente. Portanto, a identificação correcta das sequências das interacções para cada um dos dois fotões fornece a informação sobre o estado de polarização deste par de fotões e permite estabelecer constrangimentos adicionais que podem ajudar de reduzir o número de contagens do fundo devidas a dispersão no corpo e a coincidências fortuitas. No entanto, a dependência angular da secção eficaz para a dispersão Compton pode tornar-se menos acentuada se o fotão interagir com um electrão ligado, como acontece num meio real. Portanto, é a nossa intenção estudar este efeito, para o xénon em particular, utilizando os métodos de simulação Monte Carlo e pacotes de software adequado.
A reconstrução das sequências de interacções resultantes da dispersão Compton faz-se numa base estatística e depende fortemente das propriedades do detector. Num detector de xénon líquido com leitura em carga, a forma do sinal é sensível, em princípio, à orientação do traço do electrão de recuo em relação aos eléctrodos. Por outro lado, a conservação do momento exige que o electrão seja emitido no plano definido pelo fotão incidente e pelo espalhado e, ainda, com certo ângulo em relação destes. Portanto, se o detector puder fornecer alguma informação adicional acerca da orientação, tal deve ser útil para validar a verdadeira sequência das interacções e, eventualmente, conhecer a polarização do fotão. Pretendemos, fazer uma experiência que tentará medir a orientação do traço do electrão libertado, construindo para tal uma câmara de xénon (ou árgon) em que isso seja viável.

As atividades que se pretende realizar estão relacionadas com o desenvolvimento de Câmaras Resistivas de Placas Paralelas com espaçamentos inferiores a 1200 #956;m (thin gaps RPCs) com a colaboração do Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) do Departamento de Física da Universidade de Coimbra, Portugal.Em particular, estaremos interessados em estudar a influência da carga espacial gerada em condições de campos elétricos elevados na resolução temporal obtida com esses detectores empregando diferentes misturas gasosas. Para tanto, o projeto proposto contempla medidas dos sinais gerados pela incidência da radiação de um feixe de laser de nitrogênio na RPC em função da distância entre as placas e da tensão de polarização. A partir desses dados pretende-se determinar parâmetros fundamentais relacionados ao funcionamento dos detectores resistivos em regime de avalanche, nomeadamente: o coeficiente efetivo de multiplicação em carga (#945;*), a velocidade de arrastamento dos elétrons (v) em função do campo elétrico reduzido (campo elétrico por unidade de pressão), a extração de sinais rápidos de carga, a carga total desenvolvida nas avalanches e ainda a forma do sinal iônico associado a esses processos. A determinação experimental destes parâmetros fornecerá dados básicos para a melhor compreensão dos processos físicos envolvidos na operação de RPCs, bem como das limitações impostas pelos efeitos de carga espacial na aplicação desses detectores em medidas de tempo de vôo (TOF).

O projeto proposto contempla medidas dos parâmetros de transporte de elétrons em misturas gasosas adequadas à operação de detectores gasosos de partículas elementares em regime de avalanche para campos elétricos muito elevados, até agora experimentalmente inacessíveis. A determinação experimental destes parâmetros, nomeadamente a velocidade de deriva e o coeficiente efetivo de multiplicação, em função do campo elétrico reduzido (campo elétrico por unidade de pressão), fornecerá dados básicos para a melhor compreensão dos processos físicos envolvidos na operação de detectores gasosos e subsídios para a otimização do projeto e construção destes detectores através de simulações, frequentemente baseadas no método de Monte Carlo, de suas respostas às radiações. Este projeto será realizdo em colaboração com o Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) do Departamento de Física da Universidade de Coimbra, Portugal.