TÝDEN VĚDY A TECHNIKY 2004 EVROPSKÁ SPOLUPRÁCE VE VĚDĚ A VÝZKUMU   ČEŠTÍ VĚDCI V CERN – ZKUŠENOSTI A APLIKACE http://server3.streaming.cesnet.cz/av

CERN

CERN

CERN

CERN 2003 2004

na výrobu a testování detektorů RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Počítače v CERN RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Aplikace fyziky částic v lékařství Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR Nobelovská neutrina Představitelé ministerstev ČR: Ing. Petr Martínek, Ministerstvo zahraničních věcí ČR RNDr. Miloš Chvojka, CSc. , Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR Mgr. Jaroslav Kolín, Ministerstvo financí ČR

1997 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem

1998 1999 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem

2000 2003 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem 1998

2003 2003 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem 1998

2004 2004 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem

2004 RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem

Experiment ATLAS

Instrumentace modulů kalorimetru Tilecal

Testování kalorimetru ve svazku částic ‘96

Od výsledku ze svazku až k předpovědím pro ATLAS

Test fyzikálních zákonů v praxi ….

1990 1990 RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Počítače v CERN

2000 1999 RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Počítače v CERN

Jiří Chudoba Fyzikální ústav AV ČR Zpracování dat pro LHC Jiří Chudoba Fyzikální ústav AV ČR

Případy na LHC Z mnoha případů během jedné srážky… Výběr: 1 z 1013 Jako hledání 1 člověka mezi 1000 násobkem populace Země. ... chceme rozpoznat tento případ 8.11.2004 chudoba@fzu.cz

LHC data 40 miliónů srážek za sekundu 1 Megabyte (1MB) Digitální fotografie 1 Gigabyte (1GB) = 1000MB Film na DVD 1 Terabyte (1TB) = 1000GB Celosvětová produkce knih 1 Petabyte (1PB) = 1000TB Data za 1 rok z 1 LHC experimentu 1 Exabyte (1EB) = 1000 PB Množství informací vyprodukovaných na světě za celý rok LHC data 40 miliónů srážek za sekundu Po hrubém výběru se zaznamená 100 zajímavých srážek za sekundu 1 srážka ~ 1 Megabyte zápis 0.1 Gigabyte/sec 1010 zaznamenaných srážek za rok = 10 Petabyte/rok CMS LHCb ATLAS ALICE 8.11.2004

LHC data Kde budou data skladována a jak budou zpracovávána? Balón (30 Km) LHC data CD s daty z LHC za 1 rok! (~ 20 Km) Data z LHC experimentů za 1 rok by bylo možné uložit na 20 milionech CD! Concorde (15 Km) Kde budou data skladována a jak budou zpracovávána? Mt. Blanc (4.8 Km) 8.11.2004 chudoba@fzu.cz

GRID počítačová střediska propojena chytrým software (middleware) systém sám dokáže určit optimální místo pro zpracování úlohy Projekty: LHC Computing Grid European DataGrid EGEE 8.11.2004 chudoba@fzu.cz

Vybavení na FZÚ 1.11. 2004 slavnostně otevřena nová hala pro servery 180 kW zálohované elektrické zdroje klimatizace, UPS, Diesel agregát síťové spojení 1 Gbps spojení do výzkumné sítě CESNET přímé optické spojení 1 Gbps přes CzechLight (CESNET- Amsterdam- Geneva) 2 x 9 skříní (racks) místnost pro obsluhu 8.11.2004 chudoba@fzu.cz

Vybavení na FZÚ Regionální výpočetní centrum pro fyziku částic: farma GOLIÁŠ 32x dual PIII 1.13 GHz 49x dual Intel Xeon 3.06 GHz 2x dual Intel Xeon 2.8 GHz frontend 3x dual AMD Opteron 1.6 GHz 1 file server (64 bits) 2 testovací pracovní uzly Disková pole 30 TB a 10TB, ATA disky, 1TB SCSI disky 3x HP ProCurve Networking Switch 2848 Switch HP4108gl 8.11.2004 chudoba@fzu.cz

výrobu a testování detektorů 1991 1998 RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů

výrobu a testování detektorů 2001 RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů

výrobu a testování detektorů 2001 RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů

výrobu a testování detektorů 2003 2004 RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů

Nadnárodní ,,firma“ na výrobu a testování detektorů Z. Doležal Univerzita Karlova MFF

ATLAS 46m 22m

ATLAS - vnitřní detektor

Kinematické požadavky ID - vnitřní detektor Funkce určení dráhy (track) - 6 přesných bodů určení hybnosti a náboje pomocí zakřivení v magnetickém poli 2 T určení polohy vrcholu (primárního, sekundárního) identifikace některých částic Kinematické požadavky Pokrytá oblast pseudorapidity ||<2.5  | |>15

Stripový detektor (SCT) 4 přesné body 4000 modulů, 6,2 mil. kanálů rozteč stripů ca 80 mikrometrů (strip 23 um) rozlišení 16 x 580 mikrometrů rozčlenění na válcovou (barrel) část a dopřednou (disk) 4 válce (stripy 80 mikronů x 12 cm) 9 disků (vějíř, stripy ca 80 mikronů x 12 cm) 1,2 m 5,6 m

Polovodičový stripový detektor křemík, 280 mm, VD < 100 V, max. 500 V 768 hliníkových stripů IL < 6 mA@150 V 99% účinnost typický signál 25000 elektronů

Komponenty SCT napájecí kabely chlazení optická vlákna detekční modul

Modul

Stavba modulu strip direction

Skládání modulů

Testy modulů

Testy modulů, Praha

Účastníci Amsterdam ČVUT UK Freiburg Mnichov Ženeva

Detektory Amsterdam ČVUT UK Freiburg Mnichov Ženeva

Hybridy Amsterdam ČVUT UK Freiburg Mnichov Ženeva

Moduly Amsterdam ČVUT UK Freiburg Mnichov Ženeva

Disky Amsterdam ČVUT UK Freiburg Mnichov Ženeva

Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Aplikace fyziky částic v lékařství

2003 2004 Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Aplikace fyziky částic v lékařství

Aplikace fyziky částic v medicíně - Mohou částice léčit? Mgr. Pavel Kundrát, PhD. Fyzikální ústav AV ČR

Fyzika jádra a částic v medicíně (1) výzkum a možné aplikace: již přes 100 let 1895 W.C.Röntgen – RTG záření fyzikální vlastnosti, možné využití v medicíně aplikace: diagnostika – 6 týdnů, terapie – 12 měsíců po objevu 1896 H.Becquerel – přirozená radioaktivita 1898 M.Curie – radium léčba nádorových onemocnění 1923 G.de Hevesy – radioaktivní značení přesná detekce → vysoká citlivost, neovlivní fyziologické podmínky 131I + štítná žláza: kurativní (1938 Hertz, Roberts, Evans) další izotopy: paliativní léčba; diagnostika 1931 E.O.Lawrence – cyklotron izotopy s krátkou dobou života (1939 J.Lawrence – terapie) 1946 R.Wilson – hadronová radioterapie 1954 J.Lawrence – protonové svazky 1974 C.A.Tobias, J.Lawrence – ionty 1997 PSI, GSI – aktivní skenování 1951 Wrenn, Brownell, Sweet – pozitronová emisní tomografie (PET) 70. léta G.Hounsfield, A.Cormack – počítačová tomografie (CT) 1972 Damadian – jaderná magnetická rezonance detektory (filmy, ionizační komory, Geiger-Müllerovy čítače, scintilátory) prostorové rozlišení, nižší zátěž pacienta výpočetní metody

Fyzika jádra a částic v medicíně (2) diagnostické metody: 3D zobrazovací techniky počítačová tomografie (CT) – RTG – elektronová hustota magnetická rezonance (MR, NMR, MRI) polarizace jádra ve vnějším mag. poli měkké tkáně (+ informace o typu tkáně) pozitronová emisní tomografie (PET) nosič + izotop (18F-deoxyglukosa (FDG), 11C-methionin) β+ rozpad, koincidence 2γ (511 keV) kinetika farmak, výzkum mozku – nádory, Alzheimerova choroba terapie nádorových onemocnění biologická účinnost ionizujícího záření: 300 Gy letální … ohřátí o 0.001°C fotonová radioterapie fyzikální omezení (exponenciální pokles dávky s hloubkou průniku) brachyterapie radioaktivní izotop vázaný na selektivně vychytávané látky (štítná žláza + jód) – kurativní, paliativní neutronová záchytová terapie (BNCT) neutronová terapie (externí svazek) svazky pionů π- hadronová radioterapie (protony, ionty)

Radioterapie nádorových onemocnění lokální léčebná metoda přizpůsobit oblast předávané dávky podle tvaru ložiska konvenční radioterapie: fotony, elektrony (60Co, linac) exponenciálně klesající hloubkové dávky ozařování z více polí frakcionace radioterapie s modulovanou intenzitou (IMRT) nehomogenní intenzitní profil pokrytí cílové oblasti vysokou dávkou

Hadronová radioterapie protony, ionty (60-250 MeV, 100-400 MeV/u) Braggův pík → vysoká konformace vyšší biologická účinnost (RBEion=Dx/Dion) nepříznivý kyslíkový efekt potlačen (OER=Dhypoxic/Doxic) frakcionace online monitoring PET nádory v blízkosti kritických zdravých struktur radioresistentní nádory úspěšnost léčby: zlepšení o 5-10% ČR: cca 1000-2000 pacientů ročně

Modulace svazku: Pasivní rozptyl

Modulace svazku: Aktivní skenování

Hadronová radioterapie vs. IMRT cílová oblast: nosohltan + lymfatické uzliny (žlutě) kritické orgány: mozkový kmen, příušní žlázy (červeně) fotony - IMRT protony – IMPT (aktivní skenování, 4 pole) E.Pedroni, Europhysics News 31, 2000

Hadronová terapie ve světě cca 40 000 pacientů (protony + ionty) cca 25 center, dalších 20 plánováno (USA, Evropa, Japonsko) fyzikální centra → medicínská střediska Loma Linda (USA) – 1991, HIMAC Chiba (Japonsko) – 1994 Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG) projekt ENLIGHT

ENLIGHT http://www.estro.be/estro/Index.html European Network for LIGht Ion Hadron Therapy (grant EC, 2002-2005) využití iontových svazků v radioterapii – fyzikálně technické aspekty, indikace, výběr pacientů, ekonomické otázky European Society for Therapeutic Radiology and Oncology (ESTRO) European Organization for Nuclear Research (CERN) European Organisation for Research and Treatment of Cancer (EORTC) Gesellschaft für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt (GSI) German Cancer Research Center (DKFZ Heidelberg), German Heavy Ion Project (GHIP) Fondazione per Adroterapia Oncologica (TERA) Karolinska Institutet ETOILE Project, Université Claude Bernard Lyon 1 Med-Austron, Wien FZR - Project Forschungszentrum Rossendorf Linköping University Hospital Virgen de la Macarena Univerzita Karlova v Praze, Fyzikální ústav, Ústav jaderné fyziky AV ČR

Technické požadavky HT dosah ve tkáni nádory očí 2-3,5 cm oblast hlavy a krku 2-10 cm uvnitř těla 2-25 cm potřebná maximální energie protony 220-250 MeV ionty až 400 MeV/u posun Braggova maxima (1-3 mm) → kroky změny energie (0,5-1 MeV) velikost ozařovacího pole dávková rychlost → tok částic urychlovače cyklotron (IBA, Accel) synchrotron (PIMMS, PRAMES, Optivus, Hitachi, Siemens) gantry aktivní skenování

Cyklotron kompaktní (průměr 6m) pouze protony IBA NPTC Boston, 2001 230 MeV fixní energie, nutnost brzdit částice zhoršené parametry svazku pasivní modulace

Synchrotron větší prostorová náročnost (PIMMS:průměr 23m) variabilní energie lepší kvalita svazku aktivní skenování protony (PRAMES, Optivus) i ionty (PIMMS, HICAT) PIMMS (CERN): protony 60-250 MeV uhlík 120-400 MeV/u evropské projekty

HICAT Heidelberg Heavy Ion Cancer Therapy Centre p 48-220 MeV He 72-330 MeV/u C 88-430 MeV/u O 102-430 MeV/u linac: 5m, 7 MeV/u synchrotron, průměr 20m gantry 20m x 13m průměr (120t), aktivní skenování financování zajištěno - 75 mil. € preklinický provoz 2006, klinický od 2007

Další evropská centra TERA, Itálie ETOILE Lyon MedAustron, Rakousko finální design, 50% prostředků zajištěno ETOILE Lyon MedAustron, Rakousko Karolinska, Stockholm technologie GSI → Siemens

Aktivity v rámci ČR interdisciplinární pracovní skupina „Využití ionizujících částic v lékařství a biologii“ 1.LF UK, FZÚ, ÚJF AVČR, ÚJV neutronová záchytová terapie (BNCT) klinické testy - ÚJV Řež , ÚJF AV ČR, Nemocnice Na Homolce, Onkologická klinika 1.LF UK a VFN hadronová radioterapie PRAMES (1996-2000) Onkologie 2000 – PIMMS (gantry) studie „Onkologické centrum s hadronovou radioterapií“, FZÚ AVČR, květen 2002 http://weber.fzu.cz/projekty/medicine/studie.pdf od r.2002 ENLIGHT modelování mechanismu biologického účinku ionizujících částic detailní pravděpodobnostní model přesné zachycení podílu přežívajících buněk identifikace rozdílů mezi protony a těžšími ionty v inaktivačním účinku jednotlivých částic

Ing. Otokar Dragoun, DrSc Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR Nobelovská neutrina

Ing. Otokar Dragoun, DrSc Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR Nobelovská neutrina

Areál výzkumných ústavů v Řeži u Prahy Ústav jaderné fyziky Akademie věd ČR

Elektronový spektrometr Ústavu jaderné fyziky AV ČR v Reži Část spektra elektronů radioaktivního zdroje 99mTc změřeného s rekordním energetickým rozlišením

na výrobu a testování detektorů RNDr. Tomáš Davídek, PhD., Matematicko-fyzikální fakulta UK Jak se člověk stává fyzikem RNDr. Jiří Chudoba, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Počítače v CERN RNDr. Zdeněk Doležal, Dr., Matematicko-fyzikální fakulta UK Nadnárodní "firma" na výrobu a testování detektorů Mgr. Pavel Kundrát, PhD., Fyzikální ústav AV ČR Aplikace fyziky částic v lékařství Ing. Otokar Dragoun, DrSc., Ústav jaderné fyziky AV ČR Nobelovská neutrina Představitelé ministerstev ČR: Ing. Petr Martínek, Ministerstvo zahraničních věcí ČR RNDr. Miloš Chvojka, CSc. , Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR Mgr. Jaroslav Kolín, Ministerstvo financí ČR