Exploring the possibility of radiography in emission mode at higher energies: Improving the visualization of the internal structure of paintings / Explorando las posibilidades de la radiografía en modo de emisión a altas energías: Cómo optimizar la visualización de la estructura interna en pinturas

Summary We demonstrated in previous investigations that the internal structure of paintings can be visualized with conventional radiography in transmission mode when paintings have the proper stratigraphy. Unfortunately, there are many paintings that do not result in useful images. This problem can be solved by using radiography in emission mode. With this technique, the painting is irradiated with high energetic X-rays originating from an X-ray tube operating at 100 keV - 320 keV while inside the painting low energetic signals such as photoelectrons or characteristic photons are being generated. These signals escape from the top 10 µm of the painting and are able to illuminate the imaging plate. However, this technique has also some disadvantages. One of them is that it is not able to visualize underlying paintings. In this study, we explored the possibility to enhance the information depth by increasing the energy of the photon source from 100 keV up to 1.3325 MeV (i.e., 60Co source). At the same time, we also studied how the contrast between pigments is generated in emission mode. For this, we used mathematical simulation of particle transport in matter to understand the relation between input particle (particle type such as photon, electron or positron and the energy of the particle), the material being irradiated (element from which it is composed, thickness and density) and the output signal (generated particle types and energy). Finally, we will show that it is possible to image paintings using a 192Ir and even a 60Co source.

Resumen En investigaciones previas se ha demostrado que la estructura interna de las pinturas se puede visualizar satisfactoriamente con la radiografía convencional en modo de transmisión, siempre y cuando dichas pinturas tengan la estratigrafía adecuada. Desafortunadamente, hay muchos casos en los que la aplicación de este método no resultan en imágenes útiles. Este problema puede ser resuelto usando la radiografía en modo de emisión. Con esta técnica, la pintura se irradia con rayos X de alta energía originados en un tubo de rayos X trabajando entre 100 keV y 320 keV. Esto genera señales de baja energía (fotoelectrones o fotones característicos) en el interior de la pintura que, al escapar de las 10 μm superiores, pueden iluminar una placa de imágenes. No obstante, su aplicación también implica ciertas desventajas. Una de ellas es la incapacidad de visualizar las pinturas subyacentes. En este estudio, exploramos la posibilidad de incrementar la información obtenida a mayores profundidades aumentando la energía de la fuente de fotones desde 100 keV hasta 1.3325 MeV (fuente de 60Co). También estudiamos el impacto de esta energía en el contraste obtenido entre los pigmentos. Para esto, utilizamos la simulación matemática del transporte de partículas en la materia para comprender la relación entre partículas de entrada (fotones, electrones o positrones y la energía de las partículas), el material que se irradia (elemento del que está compuesto, espesor) y la señal de salida (tipos de partículas generados y energía). Finalmente, mostraremos que es posible crear imágenes de pinturas usando una fuente 60Co.

Electron and positron contributions to the displacement per atom profile in bulk multi-walled carbon nanotube material irradiated with gamma rays / Aporte de electrones y positrones al perfil de desplazamientos atómicos en materiales masivos de nanotubos de carbono de paredes múltiples irradiados con rayos gamma.

The electron and positron contributions to the effective atom displacement cross-section in multi-walled carbon nanotube bulk materials exposed to the gamma rays were calculated. The physical properties and the displacement threshold energy value reported in literature for this material were taken into account. Then, using the mathematical simulation of photon and particle transport in matter, the electron and positron energy flux distributions within the irradiated object were also calculated. Finally, considering both results, the atom displacement damage profiles inside the analyzed bulk carbon nanotube material were determined. The individual contribution from each type of secondary particles generated by the photon interactions was specified. An increasing behavior of the displacement cross-sections for all the studied particles energy range was observed. The particles minimum kinetic energy values that make probabilistically possible the single and multiple atom displacement processes were determined. The positrons contribution importance to the total number of point defects generated during the interaction of gamma rays with the studied materials was confirmed.

Se presentan los resultados del cálculo de las contribuciones de los electrones y los positrones a la sección eficaz de desplazamiento de los átomos de carbono en materiales masivos constituidos por nanotubos de paredes múltiples. Para ello se tomaron en consideración las propiedades físicas y la energía umbral de desplazamiento del carbono reportadas en la literatura para este material. Se calculó también la distribución espacial de los flujos energéticos de los electrones y positrones dentro del blanco irradiado utilizando la simulación matemática del transporte de los fotones y las partículas en la materia. Considerando ambos resultados, se determinaron los perfiles de daño por desplazamientos atómicos dentro del material masivo analizado, particularizando el aporte de cada tipo de partícula secundaria generada por la interacción de los fotones. Los resultados mostraron el comportamiento creciente de las secciones eficaces de desplazamiento en todo el rango de energía cinética evaluado. Se determinaron los valores de energías cinéticas de electrones y positrones a partir de los cuales son probabilísticamente posible los procesos de desplazamientos atómicos simples y múltiples. Se confirmó la importancia del aporte de los positrones al número total de defectos puntuales generados durante la interacción de los rayos gamma con el material estudiado.

Análisis comparativo de la sensibilidad del escáner rSPECT usando GAMOS: nueva interfaz de Geant4 / Comparative analysis of the scanner rSPECT sensitivity: using GAMOS a newGeant4-based framework

La obtención de imágenes moleculares de procesos celulares in vivo mediante estudios preclínicos con animales y técnica SPECT constituye una de las razones fundamentales para el diseño de nuevos dispositivos con resolución espacial mínima. Como herramienta auxiliar, la simulación vía Monte Carlo ha permitido la caracterización y optimización de dichos sistemas de imagen médica de manera efectiva. Actualmente, se cuenta con una nueva plataforma de simulación llamada GAMOS (GEANT4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations); herramienta, cuyo código, librerías y método de transporte de partículas corresponden a los desarrollados por GEANT4, la cual contiene aplicaciones específicas de medicina nuclear. Esta herramienta ha sido validada mediante comparación con datos experimentales para la técnica PET, no siendo así con la técnica SPECT. El presente trabajo demuestra las potencialidades de GAMOS para generar datos simulados realistas con este tipo de técnica de imagen nuclear. Para ello se realizó la simulación de una instalación novedosa, "rSPECT", dedicada al estudio con roedores que fue previamente validada experimentalmente. El estudio comprendió las geometrías de colimación y detección, así como las características fundamentales de las mediciones experimentales publicadas para la instalación rSPECT: estudios con 99mTc y una ventana energética del 20%. Los valores de sensibilidad obtenidos mediante simulación mostraron coincidencia aceptable con los valores experimentales. Se concluye que la simulación muestra buena concordancia con los datos reales lo que permite estimar el comportamiento de la nueva plataforma de simulación de GEANT4 "GAMOS" en aplicaciones SPECT y demuestra, que es factible la reproducción de sus datos experimentales.

The molecular imaging of in vivo cellular processes using preclinical animal studies and SPECT technique is one of the main reasons for the design of new devices with high spatial resolution. As an auxiliary tool, Monte Carlo simulation has allowed the effective characterization and optimization of those medical imaging systems. At present there is a new simulation framework called GAMOS (GEANT4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations); which code, libraries and particle transport method correspond to those developed by GEANT4 and contains specific applications for nuclear medicine. This tool has been already validated for PET technique by comparison with experimental data, while not yet been done the correct evaluation of GAMOS for SPECT systems. Present work have demonstrated the potential of GAMOS in obtaining simulated realistic data using this nuclear imaging technique. For this purpose, simulation of a novel installation "rSPECT", devote to study rodents, has been done. The study comprises the collimation and detection geometries and the fundamental characteristics of the previuos published experimental measurements for rSPECT installation. Studies have been done using 99mTc and 20% energy window. Sensitivity values obtained by simulation revealed an acceptable agreement with experimental values. Therefore we can conclude that simulation results have shown good agreement with the real data. This fact allowed us to estimate the behavior of the new GEANT4 simulation platform "GAMOS" in SPECT applications and have demonstrated the feasibility of reproducing experimental data.

Monte Carlo calculation of carbon atom displacement damage in C60 fullerene bulk materials irradiated with gamma rays / Cálculo por Monte Carlo del daño por desplazamientos de los átomos de carbono en materiales masivos basados en fullerenos C60 irradiados con rayos gamma

The displacement per carbon atom cross-sections behaviors with the secondary electron and positron kinetic energy for spherical fullerene C60 molecules are calculated. To accomplish this, the McKinley-Feshbach approach and the Kinchin-Pease approximation were taking into account, using two different displacement threshold energies. The total displacements per atom number generated indirectly by the photons in bulk samples composed of C60 fullerenes is also calculated. Besides, the behaviors of secondary particles contributions with the used displacement threshold energies and incident photon energies are determined. The in-depth distribution of electron and positron contributions and their relationship with the total displacements number are presented and debated. It was found that the positrons contribution to the total atom displacements number is very significant in processes involving the interaction of gamma quanta with energy up to 100 MeV in C60 fullerenes bulk samples.

Teniendo en cuenta las aproximaciones de McKinley-Feshbach y Kinchin-Pease se calcularon los comportamientos de las secciones eficaces de desplazamientos de los átomos de carbono en moléculas esféricas de fullereno C60, en función de la energía cinética de los electrones y positrones secundarios para dos valores de energía umbral de desplazamiento. También se calcularon el número total de desplazamientos atómicos generados de manera indirecta por los fotones en las muestras masivas de fullerenos C60 estudiadas. Además, se estudió el comportamiento de las contribuciones electrónicas y positrónicas, determinando sus dependencias con las energías de desplazamientoutilizadas y la energía de los fotones incidentes. Se presentan y debaten la distribución en profundidad de las contribuciones de los electrones y positrones, así como la relación entre ellos y el número total de desplazamientos. El aporte de la contribución de los positrones al número total de desplazamientos atómicos generados durante el proceso de interacción de los cuantos gamma de energías hasta 100 MeV con muestras masivas de fullerenos C60 se discutió lo que este resulta muy significativo.

Simulation and evaluation of the absorption edge subtraction technique in energy-resolved X-ray radiography applied to the cultural heritage studies / Simulación y evaluación de la técnica de sustracción del borde de absorción en un sistema radiográfico espectrométrico destinado al estudio del patrimonio cultural

ABSTRACT In this work the mathematical simulation of photon transport in the matter was used to evaluate the potentials of a new energy-resolved X-ray radiography system. The system is intended for investigations of cultural heritage object, mainly painting. The radiographic system uses polychromatic radiation from an X-ray tube and measures the spectrum transmitted through the object with an energy-dispersive X-ray detector on a pixel-by-pixel basis. Manipulation of the data-set obtained allows constructing images with enhanced contrast for certain elements. Here the use of the absorption edge subtraction technique was emphasized. The simulated results were in good agreement with the experimental data.

RESUMEN En este trabajo se utilizó la simulación matemática del transporte de los fotones en la materia para evaluar las potencialidades de un nuevo sistema radiográfico destinado al estudio de obras del patrimonio cultural. Este sistema emplea una fuente de rayos X no monocromática y mide a nivel de píxel el espectro transmitido a través del objeto en estudio con un detector espectrométrico. El procesamiento del conjunto de datos obtenidos permite la construcción de imágenes con contraste realzado para ciertos elementos. En el presente trabajo se enfatizó en el uso de la técnica de sustracción del borde de absorción para el procesamiento de las imágenes. Los resultados de las simulaciones resultaron consistentes con las mediciones experimentales.

Estudio de la eficiencia cuántica de un detector de microbandas de silicio mediante la modelación matemática / Study of silicon microstrips detector quantum efficiency using mathematical simulation

RESUMEN Se presentan los resultados en la aplicación de la simulación matemática para el estudio de la eficiencia cuántica de un detector de silicio cristalino del tipo microbandas, destinado a imagenología médica y al desarrollo de otras aplicaciones como la autenticación y fechado de obras de arte. Se evaluó el efecto de la geometría fuente-detector, de la energía de los rayos X y del grosor de la zona muerta del detector en la eficiencia cuántica de este dispositivo. Los resultados de la simulación se compararon con el pronóstico teórico y con los datos experimentales disponibles, verificándose una adecuada correspondencia. Se concluyó que la configuración frontal es más eficiente para energías incidentes menores a los 17 keV, y que la configuración de borde es la recomendada para aplicaciones que requieran la detección de energías superiores a este valor. También se determinó que la disminución de la zona muerta del detector conduce a un considerable aumento de la eficiencia para cualquier valor de energía en el intervalo de 5 a 100 keV.

ABSTRACT The paper shows the results from the application of mathematical simulation to study the quantum efficiency of a microstrips crystalline silicon detector, intended for medical imaging and the development of other applications such as authentication and dating of cultural heritage. The effects on the quantum efficiency of some parameters of the system, such as the detector-source geometry, X rays energy and detector dead zone thickness, were evaluated. The simulation results were compared with the theoretical prediction and experimental available data, resulting in a proper correspondence. It was concluded that the use of frontal configuration for incident energies lower than 17 keV is more efficient, however the use of the edge-on configuration for applications requiring the detection of energy above this value is recommended. It was also found that the reduction of the detector dead zone led to a considerable increase in quantum efficiency for any energy value in the interval from 5 to 100 keV.