A Monte Carlo simulation of the Neutron Wall detector system has been performed using Geant4, in order to define optimum conditions for the detection and identification of multiple neutrons. Emphasis was put on studying the scattering of neutrons between different detectors, which is the main source of the apparent increase of the number of detected neutrons. The simulation has been compared with experimental data. The quality of neutron gated γ-ray spectra was improved for both two- and three-neutron evaporation channels. The influence of small amounts of γ rays mis-interpreted as neutrons was investigated. It was found that such γ rays dramatically reduce the quality of neutron gated γ-ray spectra. The interaction properties of fast neutrons in a closed-end coaxial and a planar high-purity germanium detector (HPGe) were studied. Digitised waveforms of HPGe preamplifier signals were recorded for time-of-flight separated neutrons and γ rays, emitted by a 252Cf source. The experimental waveforms from the detectors were compared to simulated pulse shapes. In the analysis, special emphasis was given to the detection of elastically scattered neutrons, which may be an important effect to take into account in future spectrometers based on γ-ray tracking. No differences between neutron and γ-ray induced pulse shapes were found in this work. A Monte Carlo simulation of the interactions of fast neutrons in the future 4π γ-ray spectrometer AGATA was also performed, in order to study the influence of neutrons on γ-ray tracking. It was shown that although there is a large probability of detecting neutrons in AGATA, the neutrons decrease the photo-peak efficiency of AGATA by only about 1% for each neutron emitted in coincidence with γ rays. The peak-to-background ratios in γ-ray spectra are, however, reduced to a much larger extent. The possibility of using AGATA as a neutron detector system was also investigated.

El Laboratori d'Altes Energies de La Salle és un membre d'un grup acreditat per la Generalitat. Aquest grup està format per part del Departament d'Estructura i Constituents de la Matèria de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona, part del departament d'Electrònica de la mateixa Facultat i pel grup de La Salle. Tots ells estan involucrats en el disseny d'un subdetector en l'experiment de LHCb del CERN: el SPD (Scintillator Pad Detector). El SPD és part del Calorímetre de LHCb. Aquest sistema proporciona possibles hadrons d'alta energia, electrons i fotons pel primer nivell de trigger. El SPD està format per una làmina centellejeadora de plàstic, dividida en 600 cel.les de diferent tamany per obtenir una millor granularitat aprop del feix. Les partícules carregades que travessin el centellejador generaran una ionització del mateix, a diferència dels fotons que no la ionitzaran. Aquesta ionització, generarà un pols de llum que serà recollit per una WLS que està enrotllada dins de les cel.les centellejadores. La llum serà transmesa al sistema de lectura mitjançant fibres clares. Per reducció de costos, aquestes 6000 cel.les estan dividides en grups, usant MAPMT (fotomultiplicadors multiànode) de 64 canals per rebre la informació en el sistema de lectura. El senyal de sortida dels fotomultilplicadors és irregular degut al baix nivell de fotoestadística, uns 20-30 fotoelectrons per MIP, i degut també a la resposta de la fibra WLS, que té un temps de baixada lent. Degut a tot això, el processat del senyal, es realitza primer durant la integració de la càrrega total i finalment per la correcció de la cua que conté el senyal provinent del PMT. Aquesta Tesi està enfocada en el sistema de lectura de l'electrònica del VFE del SPD. Aquest, està format per un ASIC (dissenyat pel grup de la UB) encarregat d'integrar el senyal, compensar el senyal restant i comparar el nivell d'energia obtingut amb un llindar programable (fa la distinció entre electrons i fotons), una FPGA que programa aquests llindars i compensacions de cada ASIC i fa el mapeig de cada canal rebut en el detector i finalment usa serialitzadors LVDS per enviar la informació de sortida al trigger de primer nivell. En el disseny d'aquest tipus d'electrònica s'haurà de tenir en compte, per un costat, restriccions de tipus mecànic: l'espai disponible per l'electrònica és limitat i escàs, i per un altre costat, el nivell de radiació que deurà suportar és considerable i s'haurà de comprobar que tots els components superin un cert test de radiació, i finalment, també s'haurà de tenir en compte la distància que separa els VFE dels racks on la informació és enviada i el tipus de senyal amb el que es treballa en aquest tipus d'experiments: mixta i de poc rang. / El Laboratorio de Altas Energías de la Salle es un miembro de un grupo acreditado por La Generalitat. Este grupo está formado por parte del departamento de Estructura i Constituents de la Matèria de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona, parte del departamento de Electrónica de la misma Facultad y el grupo de La Salle. Todos ellos están involucrados en el diseño de un subdetector en el experimento de LHCb del CERN: El SPD (Scintillator Pad Detector). El SPD es parte del Calorímetro de LHCb. Este sistema proporciona posibles hadrones de alta energía, electrones y fotones para el primer nivel de trigger.El SPD está diseñado para distinguir entre electrones y fotones para el trigger de primer nivel. Este detector está formado por una lámina centelleadora de plástico, dividida en 6000 celdas de diferente tamaño para obtener una mejor granularidad cerca del haz. Las partículas cargadas que atraviesen el centelleador generarán una ionización del mismo, a diferencia de los fotones que no la generarán. Esta ionización generará, a su vez, un pulso de luz que será recogido por una WLS que está enrollada dentro de las celdas centelleadoras. La luz será transmitida al sistema de lectura mediante fibras claras. Para reducción de costes, estas 6000 celdas están divididas en grupos, utilizando un MAPMT (fotomultiplicadores multiánodo) de 64 canales para recibir la información en el sistema de lectura. La señal de salida de los fotomultiplicadores es irregular debido al bajo nivel de fotoestadística, unos 20-30 fotoelectrones por MIP, y debido también a la respuesta de la fibra WLS, que tiene un tiempo de bajada lento. Debido a todo esto, el procesado de la señal, se realiza primero mediante la integración de la carga total y finalmente por la substracción de la señal restante fuera del período de integración. Esta Tesis está enfocada en el sistema de lectura de la electrónica del VFE del SPD. Éste, está formado por un ASIC (diseñado por el grupo de la UB) encargado de integrar la señal, compensar la señal restante y comparar el nivel de energía obtenido con un umbral programable (que distingue entre electrones y fotones), y una FPGA que programa estos umbrales y compensaciones de cada ASIC, y mapea cada uno de los canales recibidos en el detector y finalmente usa serializadores LVDS para enviar la información de salida al trigger de primer nivel. En el diseño de este tipo de electrónica se deberá tener en cuenta, por un lado, restricciones del tipo mecánico: el espacio disponible para la electrónica en sí, es limitado y escaso, por otro lado, el nivel de radiación que deberá soportar es considerable y se tendrá que comprobar que todos los componentes usado superen un cierto test de radiación, y finalmente, también se deberá tener en cuenta la distancia que separa los VFE de los racks dónde la información es enviada y el tipo de señal con el que se trabaja en este tipo de experimentos: mixta y de poco rango. / Laboratory in La Salle is a member of a Credited Research Group by La Generatitat. This group is formed by a part of the ECM department, a part of the Electronics department at UB (University of Barcelona) and La Salle's group. Together, they are involved in the design of a subdetector at LHCb Experiment at CERN: the SPD (Scintillator Pad Detector). The SPD is a part of LHCb Calorimeter. That system provides high energy hadrons, electron and photons candidates for the first level trigger. The SPD is designed to distinguish electrons and photons for this first level trigger. This detector is a plastic scintillator layer, divided in about 6000 cells of different size to obtain better granularity near the beam. Charged particles will produce, and photons will not, ionisation on the scintillator. This ionisation generates a light pulse that is collected by a Wavelength Shifting (WLS) fibre that is twisted inside the scintillator cell. The light is transmitted through a clear fibre to the readout system. For cost reduction, these 6000 cells are divided in groups using a MAPMT of 64 channels for receiving information in the readout system. The signal outing the SPD PMTs is rather unpredictable as a result of the low number of photostatistics, 20-30 photoelectrons per MIP, and the due to the response of the WLS fibre, which has low decay time. Then, the signal processing must be performed by first integrating the total charge and later subtracting to avoid pile-up. This PhD is focused on the VFE (Very Front End) of SPD Readout system. It is performed by a specific ASIC (designed by the UB group) which integrates the signal, makes the pile-up compensation, and compares the level obtained to a programmable threshold (distinguishing electrons and photons), an FPGA which programs the ASIC thresholds, pile-up subtraction and mapping the channels in the detector and finally LVDS serializers, in order to send information to the first level trigger system. Not only mechanical constraints had to be taken into account in the design of the card as a result of the little space for the readout electronics but also, on one hand, the radiation quote expected in the environment and on the other hand, the distance between the VFE electronics and the racks were information is sent and the signal range that this kind of experiments usually have.

Failed fuel refers to the breach in the fuel-clad of an irradiated fuel assembly in a nuclear reactor. Neutron detection or gamma detection is commonly used in Failed Fuel Detection and Locating (FFDL) system to monitor the activity of the coolant. Though these methods offer specific advantages under different conditions of the coolant, providing both types of detectors in FFDL system is impractical. This limitation is the motivation for the detector system developed in the present work. In the present work, effort has been made for realising a detector system for simultaneous measurement of neutron and gamma activity of the coolant, thus offering a two-parameter basis for failed fuel detection. NE213 liquid scintillator was chosen for this work as it has good detection capability for both neutrons and gammas. Additionally, the neutrons and gammas interacting with NE213 detector can be separated based on pulse shape discrimination. The work reported in this thesis includes fabrication details and different steps followed in assembling the NE213 detector. Details of experimental set-up developed for pulse height analysis and pulse shape analysis are covered. Results of experiments carried out to study the response of the NE213 detector to gamma and neutron sources using pulse height analyser are presented. The absolute gamma efficiency and relative gamma efficiency of NE213 detector are calculated. Neutron–gamma separation capability of NE213 detector based pulse shape analysis system is reported. Application of the developed detector system to analyse the coolant activity in FFDL system in a reactor is described. Response of the detector is compared with the existing FFDL system at different power levels of the reactor. Since failed fuel is a rare event, it was simulated using neutron and gamma sources. Pulse shape analysis spectra obtained under simulated failed fuel condition are presented.

Medidas da radiação gama ambiental foram feitas em algumas regiões da cidade de Ribeirão Preto-SP, de forma a contribuir para o conhecimento acerca dos níveis desse tipo de radiação no estado de São Paulo e no território brasileiro. Escolheu-se determinar as médias anuais de dose efetiva e dose efetiva coletiva, uma vez que estas grandezas levam em conta o risco de possíveis efeitos biológicos associados a exposição à radiação ionizante. Para determinar os valores dessas grandezas, os diversos setores censitários das regiões selecionadas foram mapeados e avaliados individualmente, de acordo com a taxa de dose média absorvida no ar e número de habitantes de cada setor. Utilizou-se um sistema de detecção da radiação gama baseado em cintilador plástico e GPS, que possibilitaram a medida da taxa de dose absorvida no ar a cada segundo, para as coordenadas geográficas selecionadas. Embora este sistema tenha sido desenvolvido para a detecção de fontes artificiais perdidas, ou seja, não tem o objetivo principal de fazer medidas dosimétricas da radiação gama natural, teve seus modos de leitura calibrados e comparados com resultados da literatura (com uma incerteza média de 8,7 %). Dos resultados obtidos, dos mapeamentos realizados nas regiões consideradas, as médias anuais da dose efetiva e dose efetiva coletiva para ambientes ao ar livre foram encontradas com os valores 0,034 ± 0,004 mSv/ano e 25,62 ± 9,25 homem.mSv/ano respectivamente, sendo a primeira cerca da metade da média mundial da dose efetiva recomendada pela UNSCEAR. As médias obtidas são baixas quando comparadas às encontradas em outros estudos sobre dose de radiação gama ao ar livre no estado de São Paulo e em outras regiões do território brasileiro (sendo, de 1,7 até 5,6 vezes menor). / Gamma environmental radiation measurements were done for some urban regions in the city of Ribeirão Preto-SP, in order to contribute with this knowledge on the annual ambiental values of this type of radiation in the São Paulo state and in the Brazilian territory. The quantities chosen were effective dose and effective collective dose, once they take into account the possible biologic damage related to the ionizing radiation energy absorbed. For the assessments of these quantities, selected census sectors were initially mapped out, regarding their average absorbed dose in air and the number of inhabitants living in each one of the sectors. The detector system used is based on an organic plastic scintillator and a GPS, that allows to obtain the absorbed dose rate for each second and their respective geographic coordinates. Even though this system was developed to detect missing artificial gamma sources, in other words, its main function is not for dosimetric measurements, both display modes were calibrated in exposure rate (R/h) and absorbed dose rate (Gy/h) and their readings were compared to results from the literature (with an average uncertainty of 8.7%). From the mapping results of the selected regions, the annual average effective dose and effective collective dose for outdoor environments were obtained, respectively as 0.034 ± 0.004 mSv/year and 25.62 ± 9.25 man.mSv/year. The value for the first average dose is lower (about half) than the worldwide average value published by the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (UNSCEAR), also lower than the values from other regions in the national territory, regarding the gamma dose rate in outdoor environments (from 1.7 up to 5.6 times lower).

The dissertation thesis deals with optimization of the scintillation detector for efficient detection of low energy signal electrons in a specimen chamber of a scanning electron microscope. The solution was based on the study of signal electron energy loss mechanisms during their interaction with a conductive layer and a scintillator that can be studied using simulations based on the stochastics Monte Carlo methods. Based on test simulations and their comparison with experimental data, the ideal Monte Carlo software was chosen and used for the study of signal electron energy losses during their transport through the conductive layer as well as following interaction with scintillator, in dependency on the signal electron energy. Simulation results allowed to define criteria for the optimization of the conductive layer. According to these parameters, the optimized layers were deposited on the surface of different scintillators and experimentally tested in the scintillation detector of the scanning electron microscope. Experimental measurements allowed to verify accomplished simulations and provide new information about impact of materials and thicknesses of conductive layers in combination with materials of scintillators and light guides. The increase of the detection efficiency of the scintillation detector equipped with optimised conductive layers and its capability to detect low energy signal electrons were experimentally proved.

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[pt] Neste trabalho de tese investigaremos um novo método para medir a fase leptóonica de violação CP, CP , com um set up experimental chamado LiquidO e, estudaremos a possibilidade do futuro experimento Hyper-Kamiokande de pôr um limite sobre o tempo de vida do neutrino. Ambos são experimentos que detectam neutrinos de acelerador que performarão as próprias medições através do estudo do bem conhecido fenómeno da oscilação de sabor de neutrinos. O primeiro experimento considerado possui duas novas características: primeiramente utiliza como fonte de neutrino um fluxo de Vμ e Vμ produzidos por pions (pi+) em repouso a uma distância de 16 km e secondariamente vai usar uma nova forma de detecção. Essa detecção é feita utilizando cintilador liquido opaco com fibras ópticas que permitem distinguir entre e+ e e-. Nós explicaremos as principais propriedades fenomenológicas desta configuração e calcularemos a significância estatística de exclusão da hipótese CP = (0, pi), a precisão de medição de CP com 1δ de confiança estatística e também as regões permitidas no espaço dos parámetros sin2 023 - δ CP . Na segunda parte do nosso trabalho, nos concentraremos no experimento Hyper-Kamiokande, versão melhorada do experimento Super-Kamiokande que se adjudicou o prémio Nobel em 2015. Este é um detector de luz Cherenkov que utiliza um fluxo de Vμ (Vμ) com energias < 10GeV produzido no acelerador JPARC e colocado a uma distância de 295 km. Neste trabalho identificaremos este experimento como T2HK enquanto para a sua estensão na Korea, que utilizará a mesma fonte mas será colocada a 1100 km de distância, utilizaremos a sigla T2HKK. Nós introduziremos brevemente as modalidades de decaimento do neutrino que podem ser classificadas em dois tipos: um é chamado decaimento invisível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um estado estéril mais uma partícula escalar, e o outro e chamdo de decaimento visível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um autoestado de massa ativo mais uma partícula escalar. Em fim calcularemos as sensitividades no limite da vida média do autoestado V3 para os casos de decaimento visível e invisível para as configurações de T2HK e T2HKK. / [en] In this thesis we will study a novel method to measure the leptonic CP violation phase, CP , in an experimental set up called LiquidO, and the possibility by the future experiment Hyper-Kamiokande to put a limit on the neutrino lifetime. Both experiment are accelerator based ones that will use the well established neutrino flavour oscillation phenomenon to perform their measurement. The first experimental set up uses two new features: firstly it uses as a source a flux of Vμ and Vμ coming from pions (pi+) decay at rest with a baseline of 16 km and secondly it uses a new detection method. This new detection is performed using opaque Liquid Scintillator (LS) with optical fibers that allows e+ e- identification. We will discuss the phenomenological main characteristics of this set up and we will calculate the expected significance to exclude the δ CP = (0, pi) hypothesis, the 1δ precision of the CP measurement and also the expected allowed regions in the sin2 023 - δ CP plane. For what it concerns the second part of our work, we will focus on the Hyper-Kamiokande experiment, upgrade of the 2015 Nobel prize awarded Super-Kamiokande. This is a water Cherenkov detector that will use a Vμ (Vμ) flux with a typical neutrino energy < 10 GeV coming from the JPARC facility with a baseline of 295 km. We will call this source-detector configuration T2HK to distinguish T2HKK, the possible extension of this experiment in Korea that will use the same beam but it will be located at 1100 km from the source. We will briefly introduce the neutrino decay mode that can be classified in two types: one is what is called invisible decay , i.e. when neutrino decays into a sterile neutrino state plus a scalar particle, and the other is called visible decay, i.e. when neutrino decays into an active mass eigenstate plus a scalar particle. We will calculate the limit on the V3 lifetime for the invisible and the visible case for both configurations T2HK and T2HKK.

[ES] La tomografía por emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography) es una técnica de medicina nuclear en la que se genera una imagen a partir de la detección de rayos gamma en coincidencia. Estos rayos son producidos dentro de un paciente al que se le inyecta una radiotrazador emisor de positrones, los cuales se aniquilan con electrones del medio circundante. El proceso de adquisición de eventos de interacción, tiene como unidad central el detector del escáner PET, el cual se compone a su vez de un cristal de centelleo, encargado de transformar los rayos gamma incidentes en fotones ópticos dentro del cristal. La finalidad es entonces, determinar las coordenadas de impacto dentro del cristal de centelleo con la mayor precisión posible, para que, a partir de dichos puntos, se pueda reconstruir una imagen. A lo largo de la historia, los detectores basados en cristales pixelados han representado la elección por excelencia para la la fabricación de escáneres PET. En está tesis se evalúa el impacto en la resolución espacial del escáner PET MINDView, desarrollado dentro del séptimo programa Marco de la Unión Europea No 603002, el cual se basa en el uso de cristales monolíticos. El uso de cristales monolíticos, facilita la determinación de la profundidad de interacción (DOI - del inglés Depth Of Interaction) de los rayos gamma incidentes, aumenta la precisión en las coordenadas de impacto determinadas, y disminuye el error de paralaje que se induce en cristales pixelados, debido a la dificultad para determinar la DOI. En esta tesis, hemos logrado dos objetivos principales relacionados con la medición de la resolución espacial del escáner MINDView: la adaptación del un algoritmo de STIR de Retroproyección Filtrada en 3D (FBP3DRP - del inglés Filtered BackProjection 3D Reproyected) a un escáner basado en cristales monolíticos y la implementación de un algoritmo de Retroproyección y filtrado a posteriori (BPF - BackProjection then Filtered). Respecto a la adaptación del algoritmo FBP, las resoluciones espaciales obtenidas varían en los intervalos [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] y [2,2 mm, 2,3 mm] para las direcciones radial, tangencial y axial, respectivamente, en el primer prototipo del escáner MINDView dedicado a cerebro. Por otra parte, en la implementación del algoritmo de tipo BPF, se realizó una adquisición de un maniquí de derenzo y se comparó la resolución obtenida con el algoritmo de FBP y una implementación del algoritmo de subconjuntos ordenados en modo lista (LMOS - del inglés List Mode Ordered Subset). Mediante el algoritmo de tipo BPF se obtuvieron valores pico-valle de 2.4 a lo largo de los cilindros del maniquí de 1.6 mm de diámetro, en contraste con las medidas obtenidas de 1.34 y 1.44 para los algoritmos de FBP3DRP y LMOS, respectivamente. Lo anterior se traduce en que, mediante el algoritmo de tipo BPF, se logra mejorar la resolución para obtenerse un valor promedio 1.6 mm. / [CAT] La tomografia per emissió de positrons és una tècnica de medicina nuclear en la qual es genera una imatge a partir de la detecció de raigs gamma en coincidència. Aquests raigs són produïts dins d'un pacient a què se li injecta una radiotraçador emissor de positrons, els quals s'aniquilen amb electrons de l'medi circumdant. El procés de adquición d'esdeveniments d'interacció, té com a unitat central el detector de l'escàner PET, el qual es compon al seu torn d'un vidre de centelleig, encarregat de transformar els raigs gamma incidents en fotons òptics dins el vidre. La finalitat és llavors, determinar les coordenades d'impacte dins el vidre de centelleig amb la major precisió possible, perquè, a partir d'aquests punts, es pugui reconstruir una imatge. Al llarg de la història, els detectors basats en cristalls pixelats han representat l'elecció per excellència per a la la fabricació d'escàners PET. En aquesta tesi s'avalua l'impacte en la resolució espacial de l'escàner PET MINDView, desenvolupat dins el setè programa Marc de la Unió Europea No 603.002, el qual es basa en l'ús de vidres monolítics. L'ús de vidres monolítics, facilita la determinació de la profunditat d'interacció dels raigs gamma incidents, augmenta la precisió en les coordenades d'impacte determinades, i disminueix l'error de parallaxi que s'indueix en cristalls pixelats, a causa de la dificultat per determinar la DOI. En aquesta tesi, hem aconseguit dos objectius principals relacionats amb el mesurament de la resolució espacial de l'escàner MINDView: l'adaptació de l'un algoritme de STIR de Retroprojecció Filtrada en 3D a un escàner basat en cristalls monolítics i la implementació d'un algoritme de Retroprojecció i filtrat a posteriori. Pel que fa a l'adaptació de l'algoritme FBP3DRP, les resolucions espacials obtingudes varien en els intervals [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] i [2,2 mm, 2,3 mm] per les direccions radial, tangencial i axial, respectivament, en el primer prototip de l'escàner MINDView dedicat a cervell. D'altra banda, en la implementació de l'algoritme de tipus BPF, es va realitzar una adquisició d'un maniquí de derenzo i es va comparar la resolució obtinguda amb l'algorisme de FBP3DRP i una implementació de l'algoritme de subconjunts ordenats en mode llista (LMOS - de l'anglès List Mode Ordered Subset). Mitjançant l'algoritme de tipus BPF es van obtenir valors pic-vall de 2.4 al llarg dels cilindres de l'maniquí de 1.6 mm de diàmetre, en contrast amb les mesures obtingudes de 1.34 i 1.44 per als algoritmes de FBP3DRP i LMOS, respectivament. L'anterior es tradueix en que, mitjançant l'algoritme de tipus BPF, s'aconsegueix millorar la resolució per obtenir-se un valor mitjà 1.6 mm. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a medical imaging technique, in which an image is generated from the detection of gamma rays in coincidence. These rays are produced within a patient, who is injected with a positron emmiter radiotracer, from which positrons are annihilated with electrons in the media. The event acquisition process is focused on the scanner detector. The detector is in turn composed of a scintillation crystal, which transform the incident ray gamma into optical photons within the crystal. The purpose is then to determine the impact coordinates within the scintillation crystal with the greatest possible precision, so that, from these points, an image can be reconstructed. Throughout history, detectors based on pixelated crystals have represented the quintessential choice for PET scanners manufacture. This thesis evaluates the impact on the spatial resolution of the MINDView PET scanner, developed in the seventh Framework program of the European Union No. 603002, which detectors are based on monolithic crystals. The use of monolithic crystals facilitates the determination of the depth of interaction (DOI - Depth Of Interaction) of the incident gamma rays, increases the precision in the determined impact coordinates, and reduces the parallax error induces in pixelated crystals, due to the difficulties in determining DOI. In this thesis, we have achieved two main goals related to the measurement of the spatial resolution of the MINDView PET scanner: the adaptation of an STIR algorithm for Filtered BackProjection 3D Reproyected (FBP3DRP) to a scanner based on monolithic crystals, and the implementation of a BackProjection then Filtered algorithm (BPF). Regarding the FBP algorithm adaptation, we achieved resolutions ranging in the intervals [2 mm, 3.4 mm], [2.3 mm, 3.3 mm] and [2.2 mm, 2.3 mm] for the radial, tangential and axial directions, respectively. On the an acquisition of a derenzo phantom was performed to measure the spacial resolution, which was obtained using three reconstruction algorithms: the BPF-type algorithm, the FBP3DRP algorithm and an implementation of the list-mode ordered subsets algorithm (LMOS). Regarding the BPF-type algorithm, a peak-to-valley value of 2.4 were obtain along rod of 1.6 mm, in contrast to the measurements of 1.34 and 1.44 obtained for the FBP3DRP and LMOS algorithms, respectively. This means that, by means of the BPF-type algorithm, it is possible to improve the resolution to obtain an average value of 1.6 mm. / Sánchez Góez, S. (2020). Algoritmo de reconstrucción analítico para el escáner basado en cristales monolíticos MINDView [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159259

Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una potente técnica de imagen que proporciona mediante el uso de radiofármacos específicos medidas cuantitativas de los procesos biológicos y fisiológicos que tienen lugar en el organismo a nivel molecular. Las imágenes PET proporcionan información funcional que permite el diagnóstico precoz y el seguimiento personalizado del tratamiento terapéutico. La PET tiene aplicaciones en diversas áreas clínicas y de investigación, como la oncología, la neurología o la cardiología, entre otras. Los esfuerzos por mejorar las prestaciones de los sistemas PET se centran en aumentar su sensibilidad y calidad de imagen, lo que permite una evaluación clínica más precisa. En las imágenes PET, se inyecta al paciente un radiotrazador marcado con un radionúclido emisor de positrones que se distribuye por todo el cuerpo. Durante la desintegración radiactiva del trazador, el isótopo emite un positrón que se aniquila con un electrón del tejido circundante, generando dos rayos gamma de 511 keV emitidos a aproximadamente 180º. La técnica PET se basa por tanto en la detección simultánea de estos dos rayos gamma, denominados fotones de aniquilación, empleando habitualmente un anillo de detectores alrededor del paciente. Mejorando el diseño y el rendimiento de estos detectores, se mejoran las capacidades diagnósticas que ofrece la imagen PET. Para aumentar el rendimiento, se ha sugerido utilizar detectores basados en diseños de cristales monolíticos, debido a sus ventajas en comparación con los detectores pixelados. Sin embargo, su implementación en escáneres comerciales requiere superar algunos retos relacionados principalmente con los métodos de posicionamiento y los procedimientos de calibración necesarios para proporcionar las coordenadas de impacto del fotón de aniquilación y el tiempo de llegada de los fotones. Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo y validación experimental de metodologías para la determinación precisa de esta información en detectores monolíticos, haciendo hincapié en su aplicación práctica también a sistemas PET completos. Durante esta tesis se han estudiado los principios fundamentales de los detectores PET monolíticos para comprender su comportamiento y limitaciones. En primer lugar, se han considerado las configuraciones típicas de detectores monolíticos basadas en bloques de centelleo continuo acoplados a matrices de SiPMs planas; además, también se han evaluado y validado otros enfoques novedosos. Se han desarrollado dos metodologías principales, una basada en técnicas analíticas y otra en algoritmos de Aprendizaje Profundo, para el posicionamiento 3D de la interacción del fotón con el fin de aumentar el rendimiento global del detector. Finalmente, los métodos propuestos han sido validados a nivel de detector, pero también en diferentes escáneres PET desarrollados en i3M. La presente tesis se basa en un compendio de los artículos más relevantes publicados en revistas revisadas por pares por el doctorando y está organizada de la siguiente manera. El Capítulo I presenta una introducción al trabajo de la tesis, compuesto por tres secciones: Imagen Médica, principios de la Tomografía por Emisión de Positrones y, Estimación de posición y calibración en detectores monolíticos. El Capítulo II contiene los objetivos específicos de esta tesis y las principales contribuciones del candidato a este campo. Este capítulo también incluye algunas metodologías y resultados recientes que aún no han sido publicados. El Capítulo III colecciona una copia de los cuatro artículos publicados seleccionados para el compendio, en los que el candidato es el primer autor [1]-[4]. En el Capítulo IV se discuten los principales resultados y conclusiones alcanzados durante la tesis. Por último, el Capítulo V presenta la discusión de esta tesis, resumiendo las principales contribuciones y destacando los logros científicos. / [CAT] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una potent tècnica d'imatge que proporciona mitjançant l'ús de radiofàrmacs específics mesures quantitatives dels processos biològics i fisiològics que tenen lloc en l'organisme a nivell molecular. Les imatges PET proporcionen informació funcional que permet el diagnòstic precoç i el seguiment personalitzat del tractament terapèutic. La PET té aplicacions en diverses àrees cliniques y d¿investigació, com l'oncologia, la neurologia o la cardiologia, entre altres. Els esforços per millorar les prestacions dels sistemes PET se centren en millorar la seua sensibilitat i qualitat d'imatge, la qual cosa permet una avaluació clínica més precisa més precís. En les imatges PET, s'injecta al pacient un radiotraçador marcat amb un radionúclid emissor de positrons que es distribueix per tot el cos. Durant la desintegració radioactiva del traçador, l'isòtop emet un positró que s'aniquila amb un electró del teixit circumdant, generant dos raigs gamma de 511 keV emesos a aproximadament 180º. La tècnica PET es basa per tant en la detecció simultània d'aquests dos raigs gamma, denominats fotons d'anihilació, emprant habitualment un anell de detectors al voltant del pacient. Millorant el disseny i el rendiment d'aquests detectors, es millora les capacitats diagnòstiques que ofereix la imatge PET. Per a augmentar el rendiment, s'ha suggerit utilitzar detectors basats en dissenys de cristalls monolítics, a causa dels seus avantatges en comparació amb els detectors pixelats. No obstant això, la seua implementació en escàners comercials requereix superar alguns reptes relacionats principalment amb els mètodes de posicionament i els procediments de calibració necessaris per a proporcionar les coordenades d'impacte del fotó d'anihilació i el temps d'arribada dels fotons. Aquesta tesi doctoral se centra en el desenvolupament i validació experimental de metodologies per a la determinació precisa d'aquesta informació en detectors monolítics, posant l'accent en la seua aplicació pràctica també a sistemes PET complets. Durant aquesta tesi s'han estudiat els principis fonamentals dels detectors PET monolítics per a comprendre el seu comportament i limitacions. En primer lloc, s'han considerat les configuracions típiques de detectors monolítics basats en blocs de centellege continu acoblats a matrius SiPM planes; a més, també s'han evaluat i validat altres enfocaments nous. S'han desenvolupat dues metodologies principals, una basada en tècniques analítiques i una altra en algoritmes d'Aprenentatge Profund, pel posicionament 3D de la interacció del fotó amb la finalitat d'augmentar el rendiment global del detector. Finalment, els mètodes proposats han sigut validats a nivell de detector però també en diferents escàners PET desenvolupats en i3M. La present tesi es basa en un compendi dels articles més rellevants publicats en revistes revisades per parells pel doctorand i està organitzada de la següent manera. El Capítol I presenta una introducció al treball de tesi, compost per tres seccions: Imatge Mèdica, principis de la Tomografia per Emissió de Positrons i, Estimació de posició i calibració en detectors monolítics. El Capítol II conté els objectius específics d'aquesta tesi i les principals contribucions del candidat a aquest camp. Aquest capítol també inclou algunes metodologies i resultats recents que encara no han sigut publicats. El Capítol III col·lecciona una còpia dels quatre articles publicats seleccionats pel compendi, en els quals el candidat és el primer autor [1]-[4]. En el Capítol IV es discuteixen els principals resultats i conclusions aconseguits durant la tesi. Finalment, el Capítol V presenta la discussió d'aquesta tesi, resumint les principals contribucions i destacant els assoliments científics. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a powerful imaging technique that provides quantitative measurements of biological and physiological processes occurring within the body at the molecular level by using specific radiopharmaceuticals. PET imaging returns functional information that allows for early diagnosis and personalized therapy treatment follow up. It has applications in several research and clinical areas, such as oncology, neurology or cardiology, among others. Efforts to improve PET systems performance are focused on increasing their sensitivity and image quality, allowing for more accurate clinical assessments. In PET imaging, a radiotracer labeled with a positron-emitting radionuclide is injected to the patient and consequently, distributed throughout the body. During the radiotracer decay, the isotope emits a positron that annihilates with an electron of the surrounding tissues, generating two 511 keV gamma-rays emitted at approximately 180º. The PET technique is based therefore on the simultaneous detection of these two gamma-rays, called annihilation photons, by usually employing a ring of detectors around the patient. Improving the design and performance of these detectors, increases the diagnostic capabilities of PET imaging. To boost PET performance, it has been suggested to use detectors based on monolithic crystals designs, due to their advantages compared to pixelated detectors. However, their implementation in commercial scanners requires overcoming some challenges mostly related to photon impact positioning methods and calibration procedures to provide the impact coordinates and time of arrival of the annihilation photons. This PhD thesis focuses on the development and experimental validation of methodologies for an accurate determination of this information in monolithic detectors, emphasizing in their practical application to full PET systems. During this thesis, the main principles of monolithic-based PET detectors have been studied to understand their behavior and limitations. Typical monolithic detector configurations based on continuous scintillation blocks coupled to flat SiPM arrays have been first considered; additionally, other novel approaches have been also validated. Two main methodologies for 3D photon interaction positioning, one based on analytical methods and another based on Deep Learning algorithms, have been developed to increase the overall detector performance. The proposed methods have been validated at the detector level but also in different PET scanners developed by our group. The present thesis is based on a compendium of the most relevant papers published in peer-reviewed journals by the PhD candidate and is organized as follows. Chapter I presents an introduction to the thesis work, composed by three sections: Medical Imaging, principles of Positron Emission Tomography and, Position estimation and calibration in monolithic-based detectors. Chapter II contains the specific objectives of this thesis and the main contributions of the candidate to the field. This chapter also includes some recent methodologies and results that have not yet been published. Chapter III collects an author copy of the four published articles selected for the compendium, in which the candidate is the first author [1]-[4]. In Chapter IV the main results and conclusion achieved during the thesis are discussed. Finally, Chapter V presents the discussion of this thesis, summarizing the main contributions and highlighting the scientific achievements. / Freire López-Fando, M. (2023). Implementation of New Algorithms for an Accurate Gamma-Ray Impact Determination in Scintillation Monolithic Blocks for PET Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196084 / Compendio

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B)(2) 課題番号:07455036 研究代表者:日比野 倫夫 研究期間:1995-1996年度