Development of a single photon counting computed tomography system using MPGDs

The development of computed tomography systems with energy resolving detectors is a current challenge in medical physics and biomedical engineering. A computed tomography system of this kind allows getting complementary informations relatively to conventional systems, that can help the medical diagnosis, being of great interest in medicine. The work described in this thesis is related to the development of a computed tomography system using micropattern gaseous detectors, which allow storing, simultaneously, information about the interaction position and the energy of each single photon that interacts with the detector. This kind of detectors has other advantages concerning the cost and characteristics of operation when compared with solid state detectors. Tomographic acquisitions were performed using a MicroHole & Strip Plate based detector, which allowed reconstructing cross-sectional images using energy windows, applying the energy weighting technique and performing multi-slice and tri-dimensional reconstructions. The contrast-to-noise ratio was improved by 31% by applying the energy weighting technique, comparing with the corresponding image obtained with the current medical systems. A prototype of a computed tomography with flexibility to change the detector was developed, making it possible to apply different detectors based on Thick-COBRA. Several images acquired with these detectors are presented and demonstrate their applicability in X-ray imaging. When operating in NeCH4, the detector allowed a charge gain of 8 104, an energy resolution of 20% (full width at half maximum at 8 keV), a count rate of 1 106 Hz/mm2, a very stable operation (gain fluctuations below 5%) and a spacial resolution of 1.2 mm for an energy photon of 3.6 keV. Operating the detector in pure Kr allowed increasing the detection efficiency and achieving a charge gain of 2 104, an energy resolution of 32% (full width at half maximum at 22 keV), a count rate of 1 105 Hz/mm2, very stable operation and a spatial resolution of 500 m. The software already existing in the group was improved and tools to correct geometric misalignments of the system were also developed. The reconstructions obtained after geometrical correction are free of artefacts due to the referred misalignments.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

MPGDs based radiation imaging devices and applications

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.

Thick-microstructures for MPGDs: simulations and experimental studies

Cherenkov Imaging counters require large photosensitive areas, capable of single photon detection, operating at stable high gains under radioactive backgrounds while standing high rates, providing a fast response and a good time resolution, and being insensitive to magnetic fields. The development of photon detectors based in Micro Pattern Gaseous detectors (MPGDs), represent a new generation of gaseous photon detectors. In particular, gaseous detectors based on stacked Thick-Gaseous Electron Multipliers (THGEMs), or THGEM based structures, coupled to a CsI photoconverter coating, seem to fulfil the requirements imposed by Cherenkov imaging counters. This work focus on the study of the THGEM-based detectors response as function of its geometrical parameters and applied voltages and electric fields, aiming a future upgrade of the Cherenkov Imaging counter RICH-1 of the COMPASS experiment at CERN SPS. Further studies to decrease the fraction of ions that reach the photocathode (Ion Back Flow – IBF) to minimize the ageing and maximize the photoelectron extraction are performed. Experimental studies are complemented with simulation results, also perfomed in this work.

The influence of photon excitation and proton irradiation on the luminescence properties of yttria stabilized zirconia doped with praseodymium ions

Lanthanide doped zirconia based materials are promising phosphors for lighting applications. Transparent yttria stabilized zirconia fibres, in situ doped with Pr3+ ions, were grown by the laser floating zone method. The single crystalline doped fibres were found to be homogeneous in composition and provide an intense red luminescence at room temperature. The stability of this luminescence due to transitions between the 1D2 → 3H4 multiplets of the Pr3+ ions (intra-4f2 configuration) was studied by photo- and iono-luminescence. The evolution of the red integrated photoluminescence intensity with temperature indicates that the overall luminescence decreases to ca. 40% of the initial intensity at 14 K when heated to room temperature (RT). RT analysis of the iono-luminescence dependence on irradiation fluence reveals a decrease of the intensity (to slightly more than ∼60% of the initial intensity after 25 min of proton irradiation exposure). Nevertheless the luminescence intensity saturates at non-zero values for higher irradiation fluences revealing good potential for the use of this material in radiation environments.