Tecnologie innovative
Rosa Brancaccio
What Next a Bologna, 14 Maggio 2014
Silicon drift detectors
G. Baldazzi et al.
Rivelatori X e innovativi: SILICON DRIFT DETECTORS di
grande area (77cm2) con ASIC dedicato: position sensitive e
spettrometria
Applicazioni
Spazio (Esp. LOFT)
Imaging medico (multi-energy CT)
Industria (diffrattometria)
Ricerca (luce di sincrotrone e FEL)
Tomografo a fasci quasi-monocromatici
G. Baldazzi et al.
Le immagini sono ottenute utilizzando due o
tre fasci X a diverse energie selezionabili
Possibilità di cancellare un tessuto o di
evidenziarlo cancellando tutti gli altri
Measurement of the hyperfine splitting in the
ground state of muonic hydrogen
G. Baldazzi et al.
Imaging medico
N. Lanconelli et al.
• Sviluppo di prototipi per imaging medico (mammella) sia planari (2D) che
tomografici (3d) basati su:
– raggi X
– raggi : medicina nucleare
– microonde (ultra-wide band)
• Uso di simulazioni Monte Carlo (Geant, EGS) per:
– modelizzazione e ottimizzazione di sistemi per imaging
– valutazioni dosimetriche in sistemi per imaging
– dosimetria in sistemi per terapia (radioterapia o terapia radiometabolica)
• Algoritmi per elaborazione immagini mediche:
– ricostruzione tomografica
– ricerca di particolari di interesse (lesioni)
• Caratterizzazione di sistemi di imaging radiologico
Biofisica
G. Castellani et al.
• Analisi dati e modelli di misure “omiche”
(DNA sequencing)
• Misure di Biofisica per interfacciamento
cellule con substrati nanostrutturati
• Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
MERIDIAN-INFN
(Measuring the Effects of Radiation on Immunity and
DIfferentiAtioN)
Sezioni partecipanti: Bologna, Pavia, Trieste (comprende Verona)
Biophysics lab – in vivo cell imaging
G. Castellani et al.
Systems Biology
G. Castellani et al.
• Network-based approaches to Biological Systems
• Novel algorithms for omics data analysis
• Biochemical reaction dynamical modeling
Laboratorio di biofisica: EU Projects
G. Castellani et al.
Past EU projects
TCIA (T Cell In vitro aging) closed
GEHA Genetics of Healthy Aging closed
MARKAGE Markers of Aging (near to be closed)
NUAGE Nutrition and aging (in progress)
Current EU projects
FibeBiotics
MIMOmics
Mission2D
Nanotecnologie
Attività di ricerca consolidata (2002-2014)
F. Odorici, M. Cuffiani, L. Malferrari,
A. Montanari, R. Rizzoli, G.P. Veronese
Dispositivi studiati:
Rivelatori radiazioni ionizzanti ad alta
risoluzione spaziale (exp.s Nanochant
2002-2005, Nanochant2 2006-2007)
Catodi “freddi” basati su nanotubi di
carbonio come emettitori di elettroni (exp.s
Cantes 2008-2010, Esopo 2011-2013)
Tecnologia 1:
alluminio anodizzato per via elettrochimica;
si ottiene una matrice di allumina porosa
con geometria a “nido d’ape”, altamente
ordinata. Il diametro dei pori è controllabile
tra 15 e 200 nm ed il passo inter-poro tra 40
e 500 nm. Dall’allumina nanoporosa è
inoltre possibile fabbricare dispositivi
nanostrutturati, tra i quali: nanotubi di
carbonio, nanofili e nanoparticelle, composti
da materiali metallici, semi-conduttori o
isolanti.
Allumina
nanoporosa: diam.
pori 40 nm interporo 100 nm
Tipologie di nanofili: Cu, Co, Ag, Ni, Fe e TiO2
Nanotecnologie II
F. Odorici, M. Cuffiani, L. Malferrari,
A. Montanari, R. Rizzoli, G.P. Veronese
Tecnologia 1 (continua):
Applicazioni nel campo di: optoelettronica, materiali fotosensibili a sorgenti di luce, celle solari;
materiali magnetici per storage d’informazioni; dispositivi elettronici come sensori, rivelatori di
radiazione; nuovi materiali antibatterici, catalisi di reazioni chimiche e biologiche, veicolazione di
farmaci, trattamento di superfici e packaging in ambito agro-alimentare.
Vantaggi: gran parte dei materiali prodotti su scala nanometrica mostra differenti proprietà chimicofisiche, rispetto ai materiali bulk su scala macro- e micro-metrica, con prestazioni in genere
superiori.
Tecnologia 2: nanotubi di carbonio con tecniche
CVD, all’interno dei nanopori di allumina e su
substrati. Sotto l’effetto di un campo elettrico, i
nanotubi sono emettitori di elettroni e possono
fungere da “catodo freddo”.
Applicazioni: medicale o industriale,tubi a raggi X ed
e-gun in generale; Vantaggi: a differenza dei
filamenti incandescenti è una sorgente con bassa
dissipazione di potenza, bassa temperatura,
prontezza
(funzionamento
anche
impulsato),
compattezza, dispositivo miniaturizzabile.
200
nm
1 ?m
Experimental study of hard-X ray
emission from laboratory sparks
M.Marisaldi, R.Rizzi, G.Levi, R.Malgesini, A.Villa, P.Mazza, C.Labanti,
F.Fuschino, R.Campana, D.Bianchini, R.Brancaccio, A.Montanari, L.Patrizi
Experimental study of hard-X ray
emission from laboratory sparks
M.Marisaldi, R.Rizzi, G.Levi, R.Malgesini, A.Villa, P.Mazza, C.Labanti,
F.Fuschino, R.Campana, D.Bianchini, R.Brancaccio, A.Montanari, L.Patrizi
Experimental study of hard-X ray
emission from laboratory sparks
M.Marisaldi, R.Rizzi, G.Levi, R.Malgesini, A.Villa, P.Mazza, C.Labanti,
F.Fuschino, R.Campana, D.Bianchini, R.Brancaccio, A.Montanari, L.Patrizi
Fisica per i Beni Culturali
M.P. Morigi, F. Casali, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Peccenini
3D CT of an
Egyptian cat
shaped coffin
sigla nazionale CHNet sigla permanente
Ricerca
Trasferimento Tecnologico
Servizi verso terzi: soggetti pubblici e
privati
Fisica per i Beni Culturali
M.P. Morigi, F. Casali, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Peccenini
IPERION-CH
Integrated Project for the European Research
Infrastructure ON Culture Heritage
nasce dalla rete europea CHARISMA
costruzione infrastruttura cross-disciplinare europea per le
scienze e le tecnologie della conservazione
uno dei suo nodi principali in Italia
IPERION-CH ospiterà attività di accesso, di networking e di ricerca comuni
riguardanti, nello specifico della fisica, le grandi infrastrutture e le strumentazioni
portatili innovative
oggi in fase di aggregazione attraverso un'iniziativa coordinata dal CNR in stretta
collaborazione con il MiBAC e il MIUR
Tomografia 3D
M.P. Morigi, F. Casali, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Peccenini
• microCT
• Ct media energia (up to 320 keV)
3D volume reconstruction 3D volume segmentation:
of the rock sample
mineral crystals extraction
• RITOR
Tomografia 3D
M.P. Morigi, F. Casali, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Peccenini
• Color tomography (photon counting)
rivelatore medipix risolto in energia
• Calcolo parallelo : brevetto / HPC /
CNAF
3D CT of Kongo Rikishi: 25000 radiographs
Dinamic AngioThermoGraphy
(DATG)
M.P. Morigi, F. Casali, M. Bettuzzi, R. Brancaccio, E. Peccenini
• Schermo a cristalli liquidi
• Camera digitale
• Dispositivo di raffreddamento
Radiation-free
Leggera e delicata
Risultato in tempo reale
Basso costo
Deviazioni dalla normale struttura vascolare sono indizio di patologia
(malignità indicate da frecce rosse)
Accelerazione laser di protoni
S. Sinigardi, P. Londrillo, G. Turchetti, P. Bolton et al.
E’ stata simulata l’accelerazione di protoni su bersagli strutturati (foam+Al)
FTE 3.0
il trasporto e la post-accelerazione.
Con impusi laser di 2 1021 W/cm2 , selezione a 30 MeV con solenoide e iniezione in linac
compatto ~107 protoni a 60 MeV (soglia di interesse clinico)
N= 107
E= 60 MeV
DE=0.1 MeV
laser
1m
Fuoco del solenoide per protoni da 30 MeV nel secondo collimatore
3m
NTA-SL-LILIA
Uno schema alternativo basato su quadrupoli a magneti permanenti fornisce
~106 protoni dopo la post-accelerazione.
A Frascati con con impulsi di 5 1019 W/cm2 del laser FLAME osservati
protoni tra 2 e 5 MeV compatibili con le simulazioni PIC di Bologna.
Accelerazione laser di elettroni
S. Sinigardi, P. Londrillo, G. Turchetti, P. Bolton et al.
Accelerazione laser di elettroni a e scattering Thomson con fascio laser di bassa intensità.
Elevata tunabilità
EX(KeV)= 0.024 Ee2(MeV).
Con elettroni da 100 MeV si generano fotoni da 240 KeV FTE 1.1
In figura simulazioni PIC di Bologna
Densità di elettroni
SL-G-RESIST
Spettro di fotoni Thomson
Le simulazioni, condotte tramite grants del CINECA, sono un riferimento
per gli esperimenti con FLAME in corso a Frascati dove sono stati ottenuti
elettroni oltre 200 MeV. Prevista generazione di oltre 1 MeV
Track finding and trigger with
GPU
M. Belgiovine, R. Di Sipio, A. Gabrielli, M. Negrini, L. Rinaldi, F. Semeria,
A. Sidoti, M. Villa
ITEMS:
•
Track fitting in CDF-Silicon Vertex Trigger (SVT)
•
Pattern (track) recognition using Hough Transform
CPU: optimization of serial code and single-threaded processes
GPU: parallel and multi-thread stream
Exploiting technology: Speedup on SIMD (SameInstructionMultipleData) processes, like
operations on multi-dimensional arrays (scalar prod)
Ongoing work now:
• CDF-SVT
• Tracking@LHC
Track finding and trigger with
GPU
M. Belgiovine, R. Di Sipio, A. Gabrielli, M. Negrini, L. Rinaldi, F. Semeria,
A. Sidoti, M. Villa
Track fitting algorithm in CDF-SVT
GPU IMPLEMENTATION
parallelize over events, roads, combination --> each GPU-thread processes 1 candidate track
Hough Transform track detection
Technique used for feature extraction in image processing.
Expected O(10)x speedup using GPU: fast enough to be used for track-triggering
Refs:
“Don't Miss the Displaced Higgs at the LHC Again” (Buckley, Halyo, Lujan et al.)
http://arxiv.org/abs/1405.2082 http://arxiv.org/abs/1310.7556
Conclusioni
• Progetti multidisciplinari, applicativi, di ricerca
• Collaborazioni nazionali e internazionali
• Applicazioni in medicina, industria e beni culturali
Grazie per l’attenzione!
