Acquisition systems and state-of-art radiation detectors for basic nuclear physics and medical imaging

Résumé

El objetivo principal de esta tesis radica en la exploración de alternativas puramente digitales para la electrónica de adquisición (DAQ). Para ello hemos trabajado con técnicas basadas en la digitalización de la señal proporcionada por los distintos detectores analizados en este trabajo. La principal ventaja de digitalizar estas señales es que nos proporciona un control completo sobre el procesado y análisis de la misma, con gran versatilidad, sin necesidad de una electrónica específica para cada necesidad y que puede ser mucho más compleja. En el trabajo realizado en esta tesis, la digitalización de las señales se ha estudiado en dos vertientes distintas: Primero digitalizando las señales del detector con una alta precisión, es decir, un muestreo que cumple el criterio de Nyquist para representar todas las frecuencias de la señal, y con alta resolución ( > 12 bits) en la discretización de los valores de las muestras. Haciendo esto obtenemos una réplica digital de la señal analógica sin perder ni un ápice de información: Sobre los datos digitalizados se pueden probar formas de procesado de una alta complejidad que difícilmente son reproducibles con electrónica analógica convencional. Con esta metodología, demostráremos que con un digitalizador suficientemente potente, el estado del arte del análisis analógico de pulsos puede ser fácilmente igualado o incluso superado por el procesamiento digital. Y segundo, hemos desarrollado DAQ digitales baratos, flexibles y compactos y que están basados en osciloscopios digitales con prestaciones básicas, tanto por número de muestras como por capacidad de muestreo. Hemos podido demostrar que con el procesado de señal adecuado, pueden ser una alternativa económica a sistemas de adquisición mucho más complejos, con un rendimiento que cumple perfectamente con los requisitos de los experimentos donde han sido probados. De acuerdo con la anterior división, hemos dividido los capítulos de esta tesis de la siguiente forma: En el capítulo 1, se presenta una breve explicación del funcionamiento de los detectores utilizados, además de una introducción al procesado digital y de las distintas alternativas disponibles a la hora de realizar este procesado. A continuación entraríamos en la parte de la tesis destinada al procesado con digitalizadores de alta resolución, para ello, en el capítulo 2 se propone y valida un sistema de procesado basado en el uso de algoritmos inteligentes, o de aprendizaje automático, que determinan el procesado de señal óptimo para realizar medidas de tiempo y energía. Además, para avanzar sobre las mejoras que ofrece este sistema, en el capítulo 3 se ha utilizado para caracterizar dos nuevos tipos de detectores. El segundo bloque de esta tesis presenta sistemas de digitalización más sencillos que han sido diseñados para tres experimentos distintos. Con ellos hemos demostrado que perfectamente pueden satisfacer las necesidades requeridas por cada experimento. En el capítulo 4 se ha probado un sistema para medir la sección eficaz de activación de distintos materiales tras ser irradiados con un haz de protones, con el objetivo de determinar su viabilidad como posibles contrastes para validaciones de rango en protonterapia. En el capítulo 5 se ha desarrollado un sistema para la determinación de la estructura temporal de un haz clínico tipo LINAC. Esta información es necesaria para el desarrollo de modelos que puedan reproducir la ondas acústicas generada tras la deposición de dosis en un tejido, y que pueden ser utilizadas para su monitorización. Y finalmente, en el capítulo 6 se ha propuesto un sistema para la medición de un nuevo tipo de imagen médica llamada Imagen Nuclear Polarizada (PNI), o también gamma-MRI. Esta técnica está basada en la detección de la emisión asimétrica de radiación de elementos radioactivos, los cuales han sido previamente hiperpolarizados.