eng
Выпуск #1/2014
Б.Шейтц, А.Стюарт, К.Онейл, Л.Уолл, К.Джексон
Оценка производительности новых кремниевых фотоумножителей для медицинской визуализации
Оценка производительности новых кремниевых фотоумножителей для медицинской визуализации
Просмотры: 4864
Во всем мире исследователи рассматривают кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ) в качестве подходящей замены традиционным вакуумным фотоумножителям. При этом следует понимать, что в некоторых прикладных задачах использование вакуумных фотоумножителей затруднено. Предложены результаты оценки производительности фотоумножителей в задачах медицинской визуализации.
В последние годы достигнут значительный прогресс в достижении высокого качества работы Si-ФЭУ за счет повышения энергетического и временного разрешения, эффективности регистрации фотонов и увеличения площади активной поверхности. Компания SensL (Ирландия) исследовала производительность гамма-детекторов, созданных на основе конструкции – Si-ФЭУ, состыкованных с новыми сцинтилляторами на основе легированного церием Gd3Al2Ga3O12 (GAGG) производства компании Furukawa (Япония). В работе исследовались Si-ФЭУ типа n-на-p (область с электронной проводимостью находится над областью с дырочной проводимостью), а также типа p-на-n (область с дырочной проводимостью находится над областью с электронной проводимостью) с размерами активной области 3×3 мм. В работе было вычислено энергетическое разрешение по линии 662 кэВ (изотоп 137Cs) для гамма-детектора на основе GAGG, оптически состыкованного с 3×3 мм-Si-ФЭУ типа n-на-p, которое составило 9,4%.
Введение
Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей компактны и обладают высокой чувствительностью к единичным фотонам. Si-ФЭУ широко используются для медицинской визуализации, например в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), а также в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) [1–4]. Современные сцинтилляционные кристаллы [легированный церием оксиортосиликат лютеция (lutetium oxyorthosilate (LSO)), а также легированный церием лютеций-иттриевый оксиортосиликат (lutetium-yttrium oxyorthosilicate (LYSO))], используемые в доступных на рынке ПЭТ-установках, обладают спектрами излучения, хорошо совпадающими со спектрами поглощения бищелочных фотокатодов вакуумных ФЭУ. Однако совпадение спектров излучения этих сцинтилляторов с кривыми поглощения детекторов на основе Si-ФЭУ типа n-на-p неудовлетворительно. Этот факт явился причиной начала разработок детекторов на основе Si-ФЭУ типа p-на-n, так как в этом случае пик поглощения Si-ФЭУ должен быть сдвинут в сторону более коротких длин волн [5, 6].
Недавно были созданы монокристаллы легированного церием GAGG (Ce:GAGG). Оказалось, что эти кристаллы являются быстродействующими сцинтилляторами с высоким световыходом и спектром излучения, хорошо совпадающим с пиком чувствительности Si-ФЭУ типа n-на-p.
Сцинтилляторы для медицинской визуализации
Необходимость получать изображения высокого качества, особенно в медицине, предъявляет высокие требования к сцинтилляторам, а также к сопутствующим детекторам и электронике. Сцинтилляторы должны обладать высоким световым выходом, быстрым откликом, малым временем затухания сцинтилляций, высокой эффективностью поглощения ионизирующего излучения, а также хорошей химической стабильностью. Наряду с этим сцинтиллятор сам не должен являться дополнительным источником высокоэнергетических частиц.
Кроме того, идеальный сцинтиллятор должен обладать спектром излучения, как можно более точно совпадающим со спектральной чувствительностью используемого детектора высокоэнергетических частиц, а также быть негигроскопичным и недорогим.
Сцинтиллятор Ce:GAGG
Сцинтилляционные характеристики кристаллов Ce:GAGG, выращенных по методу Чохральского, впервые были изучены в 2011 году [7]. Предварительные исследования энергетического разрешения и временных характеристик GAGG кристаллов проводили с использованием различных типов детекторов для регистрации фотонов (вакуумными ФЭУ, кремниевыми фотоумножителями, PIN-фотодиодами). Результаты показали, что кристаллы Ce:GAGG очень многообещающи для таких приложений как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация [8, 9]. На рис.1 показаны сцинтилляционные кристаллы GAGG с габаритами 3×3×30 мм производства компании Furukawa, а также детекторы на основе Si-ФЭУ с площадью активной области 3×3 мм компании SensL. Все грани сцинтилляционных кристаллов были отполированы, а пятая грань каждого кристалла белое отражающее покрытие.
Пик излучения использовавшихся сцинтилляторов Ce:GAGG лежал в области 520–530 нм, а световой выход сцинтилляторов составлял 33100 фотонов/МэВ [9] и 46000 фотонов/МэВ [10]. Заявленный компанией Furukawa световой выход составляет 60000 фотонов/МэВ [11]. Энергетическое разрешение использовавшихся сцинтилляторов составляло 5,2% [9]. Сравнительные характеристики сцинтилляторов Ce:GAGG, LYSO и BGO (Bismuth Germanate, германат висмута) представлены в табл.1.
Детекторы на основе Si-ФЭУ
Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей с момента их изобретения превратились в подходящую замену традиционным вакуумным ФЭУ, применяемым для медицинской визуализации. Кроме того, детекторные платформы на основе Si-ФЭУ являются ключевыми устройствами в конструкции гибридных сканеров ПЭТ/МРТ (магнитно-резонансная томография). Вызвано это тем, что такие детекторы невосприимчивы к сильным магнитным полям, используемым в МРТ [12]. В настоящей работе исследуются Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), имеющие номенклатурные коды SensL MicroFM-30035-SMT и SensL MicroFB-30035-SMT соответственно. Оба используемых детектора содержали 4774 микроячеек, площадь каждой из которых составляла 35×35 мкм при коэффициенте заполнения 64%. Параметры детекторов приведены в табл.2.
Экспериментальная часть
Сцинтилляционные кристаллы и детекторы на основе Si-ФЭУ были прецизионно состыкованы друг с другом c помощью механического держателя, позволяющего быстро и надежно заменить как сцинтилляционный кристалл, так и сам Si-ФЭУ. На рис.2 представлен один из GAGG-кристаллов, расположенный внутри механического держателя. Размер корпуса детектора идеально подходит под размеры углубления в механическом держателе и позволяет прецизионно состыковать Si-ФЭУ со сцинтиллятором. Радиоактивные источники размещаются с противоположной стороны цилиндра, вплотную к грани сцинтиллятора с белым отражающим покрытием. Детектор на основе Si-ФЭУ в корпусе SMT (Surface Mount Technology) для защиты поверхности кремния и проволочных контактов залит сверху эпоксидной смолой. Сцинтиллятор был оптически состыкован с поверхностью эпоксидной смолы на детекторе с помощью оптической смазки. Однако независимо от того, как бы хорошо ни было это соединение, отражение на местах стыков будет уменьшать число фотонов, достигающих детектора, и снижать энергетическое разрешение детекторной системы.
Напряжение смещения на Si-ФЭУ подавалось от источника SMU 2400 (Source Measurement Unit) компании Keithley (США). Сигнал с Si-ФЭУ был усилен с помощью широкополосного усилителя Gali 55+ компании MiniCircuits (США). Коэффициент усиления составлял ~19 дБ. Усиленный сигнал был выведен на дисплей 1 ГГц-осциллографа компании LeCroy (США). Данные с осциллографа передавались по протоколу GPIB и записывались с помощью программы, написанной в среде C++, для последующего анализа. Si-ФЭУ, сцинтиллятор, радиоактивный источник, а также усилитель MiniCircuits были помещены в климатическую камеру HT 4004 производства компании Votsch (Германия). Конструкция камеры позволяет проводить измерения в темноте и контролировать температуру окружающей среды. Температура испытаний в камере составляла 20°C и контролировалась при помощи термопары, расположенной в непосредственной близости к детектору на основе Si-ФЭУ.
Вольт-амперные характеристики
На рис.3 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) детектора на основе Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), снятые при температуре 20°C. ВАХ снимались при помощи SMU 2400, управляемого с помощью программы LabView. Из рисунка видно, что Si-ФЭУ типа p-на-n имеет напряжение пробоя, равное 24,5 В, в то время как напряжение пробоя Si-ФЭУ типа n-на-p составляет 27 В.
Спектральная чувствительность
На рис.4 приведены спектральные чувствительности Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), а также спектр излучения сцинтиллятора GAGG. Спектр излучения сцинтиллятора GAGG был взят из [9]. Хотя интегральная спектральная чувствительность Si-ФЭУ типа p-на-n больше, чем интегральная спектральная чувствительность Si-ФЭУ типа n-на-p, спектральная чувствительность последнего лучше совпадает со спектром излучения сцинтиллятора, что позволяет добиться большей эффективности детектирования, а следовательно, лучшего энергетического разрешения.
Энергетическое разрешение
Рис.5 иллюстрирует амплитудное распределение импульсов, измеренное для источника 137Cs (662 кэВ) с помощью детектора на основе Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M), оптически состыкованного со сцинтилляционным кристаллом GAGG. Распределение было записано при 20°C и при напряжении смещения 29 В (при напряжении, на 2 В превышающем соответствующее напряжение пробоя). Энергетическое разрешение ΔE/E, определяемое как полная ширина пика на полувысоте (ПШПВ), отнесенная к среднему значению высоты пика, было вычислено с помощью аппроксимации функцией Гаусса пика 662 кЭв (изотоп 137Cs). Значение энергетического разрешения, полученное из аппроксимационной кривой, показанной на рис.5, равно 12,9%. При построении амплитудного распределения импульсов не были учтены эффекты перекрестных помех, послесвечения и темнового счета. Из-за этих эффектов вычисленное значение эффективности детектирования фотонов, а следовательно, и значение энергетического разрешения, могут быть завышены.
Зависимость энергетического разрешения от избыточного напряжения смещения
На рис.6 показаны зависимости энергетических разрешений Si-ФЭУ типа n-на-p и детектора на основе Si-ФЭУ типа p-на-n от избыточного напряжения смещения. Было получено энергетическое разрешение 9,4% для Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и энергетическое разрешение 11,6% для Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B) при напряжении смещения, превышающем соответствующие напряжения пробоя на 3 В.
Линейность отклика
Линейность отклика и динамический диапазон детекторов на основе Si-ФЭУ определяются эффективностью регистрации фотонов (photon detection efficiency (PDE)) и суммарным числом микроячеек [13]. Когда число падающих фотонов намного меньше общего числа микроячеек, линейность отклика детектора на основе Si-ФЭУ – линейная. Для изучения линейности отклика детекторов на основе Si-ФЭУ с размером 3×3 мм были измерены амплитудные распределения импульсов для линий 81 кэВ и 356 кэВ (изотоп 133Ba), а также для линии 60 кэВ (изотоп 241Am) с помощью Si-ФЭУ типа n-на-p, оптически состыкованного со сцинтилляционным кристаллом GAGG. На рис.7 показана зависимость средней высоты пика при напряжении, на 2 В превышающем соответствующее напряжение пробоя, от энергии квантов излучения трех указанных радиоактивных изотопов. Экспериментальные точки ложатся на кривую, описываемую уравнением
y = M ( 1 – exp ( –Nx )) ,
где y – усредненная высота пика; x – энергия гамма-фотона; N и M – константы. Однако в пределах динамического диапазона Si-ФЭУ эта зависимость линейная.
Заключение и выводы
Сцинтилляционные характеристики кристаллов GAGG, легированных церием, отвечают требованиям, предъявляемым такими приложениями, как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация. Благодаря высокому световому выходу, а также положению пика спектра излучения на длине волны 530 нм, этот материал идеально подходит для использования в детекторе на основе Si-ФЭУ. Высокий световой выход очень важен для уменьшения размера установок ПЭТ [14]. В дополнение к прогрессу в области сцинтилляционных материалов, значительный прогресс достигнут и в области детекторов на основе Si-ФЭУ. В этой работе излучение сцинтиллятора GAGG детектировалось Si-ФЭУ с двумя различными структурами. В работе использовались Si-ФЭУ с площадями активной области 3×3 мм и положениями пиков на спектрах чувствительности на 500 нм (для Si-ФЭУ типа n-на-p) и 420 нм (для Si-ФЭУ типа p-на-n). Как и ожидалось, вследствие хорошего совпадения спектра излучения сцинтилляционного кристалла GAGG и спектра поглощения детектора типа n-на-p, при использовании Si-ФЭУ этого типа достигается большее энергетическое разрешение, чем при использовании Si-ФЭУ типа p-на-n Отмечается, что оба типа Si-ФЭУ демонстрируют превосходную линейность зависимости отклика детекторов от энергии гамма-квантов вплоть до энергии 662 кэВ.
Литература
Stewart A., Saveliev V., Bellis S et al.
Performance of 1-mm2 Silicon Photomultiplier. – IEEE J. Quantum. Electron., Feb 2008 , v. 44, №2, p. 157–164.
Stewart A., Wall L., Jackson J. Properties of silicon photon counting detectors and silicon photomultipliers. – J. Mod. Opt., 2009, v. 56, № 2–3, p. 240–252.
Roncali E. and Cherry S. Application of Silicon Photomultipliers toPositron Emission Tomography. – Ann. Biomed. Eng., Apr. 2011, v. 39, № 4, p.1358 –1377.
D’Ascenzo N., Saveliev V. Study of silicon photomultipliers for the medical imaging systems, Nucl. Instr. Meth. A, Dec 2012,v. 695, p. 265–267.
Mazzillo M., Ronzhin A., Los S. et al. Electro- Optical Performances of p-on-n and n-on-p Silicon Photomultipliers. – IEEE Trans. Electron Devices, Dec. 2012, v. 59, № 12.
Yeom J., Vinke R., Pavlov N. et al. Fast Timing Silicon Photomultipliers for Scintillation Detectors. – IEEE Photon. Technol. Lett., 2013, v. 25, № 14.
Kamada K., Yanagida T., Endo T. et al. 2-inch size single crystal growth and scintillation properties of new Scintillator; Ce:Gd3Al2Ga3O12. – IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2011.
Yeom J., Yamamoto S., Derenzo S. et al. First Performance Results of Ce:GAGG Scintillation Crystals with Silicon Photomultipliers. – IEEE Trans. Nucl. Sci., April 2013, v. 60, № 2, p. 988–992.
Iwanowska J., Swiderski L., Szczesniak T. et al. Performance of cerium-doped Gd3Al2Ga3O12 (GAGG:Ce) scintillator in gamma-ray spectrometry. – Nucl. Instrum. Meth. A, 2013, vol. 712, p. 34-40.
Kamada K., Yanagida T., Pejchal J. et al. Crystal Growth and Scintillation Properties of Ce Doped Gd3(Ga, Al)5O12 Single Crystals. – IEEE, Trans. Nucl. Sci., 2012, v. 59, №5.
www.furukawa.co.jp/english/
McElroy D., Saveliev V., Reznik A., Rowlands J. Evaluation of silicon photomultipliers: A promising new detector for MR compatible PET. –Nucl. Instr. Meth. A, 2007, v. 571, p. 106 –109.
Stewart A., Greene-O’Sullivan E., J. Herbert D. et al. Study of the properties of new SPM detectors. – Proceedings of The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2006, v. 6119, p. A1190-A1190.
Yamamoto S., Watabe H., Kanai Y. et al. Development of a high-resolution Si-PM-based gamma camera system. –Phys. Med. Biol., 2011, v. 56, p. 7555–7567.
Введение
Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей компактны и обладают высокой чувствительностью к единичным фотонам. Si-ФЭУ широко используются для медицинской визуализации, например в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), а также в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) [1–4]. Современные сцинтилляционные кристаллы [легированный церием оксиортосиликат лютеция (lutetium oxyorthosilate (LSO)), а также легированный церием лютеций-иттриевый оксиортосиликат (lutetium-yttrium oxyorthosilicate (LYSO))], используемые в доступных на рынке ПЭТ-установках, обладают спектрами излучения, хорошо совпадающими со спектрами поглощения бищелочных фотокатодов вакуумных ФЭУ. Однако совпадение спектров излучения этих сцинтилляторов с кривыми поглощения детекторов на основе Si-ФЭУ типа n-на-p неудовлетворительно. Этот факт явился причиной начала разработок детекторов на основе Si-ФЭУ типа p-на-n, так как в этом случае пик поглощения Si-ФЭУ должен быть сдвинут в сторону более коротких длин волн [5, 6].
Недавно были созданы монокристаллы легированного церием GAGG (Ce:GAGG). Оказалось, что эти кристаллы являются быстродействующими сцинтилляторами с высоким световыходом и спектром излучения, хорошо совпадающим с пиком чувствительности Si-ФЭУ типа n-на-p.
Сцинтилляторы для медицинской визуализации
Необходимость получать изображения высокого качества, особенно в медицине, предъявляет высокие требования к сцинтилляторам, а также к сопутствующим детекторам и электронике. Сцинтилляторы должны обладать высоким световым выходом, быстрым откликом, малым временем затухания сцинтилляций, высокой эффективностью поглощения ионизирующего излучения, а также хорошей химической стабильностью. Наряду с этим сцинтиллятор сам не должен являться дополнительным источником высокоэнергетических частиц.
Кроме того, идеальный сцинтиллятор должен обладать спектром излучения, как можно более точно совпадающим со спектральной чувствительностью используемого детектора высокоэнергетических частиц, а также быть негигроскопичным и недорогим.
Сцинтиллятор Ce:GAGG
Сцинтилляционные характеристики кристаллов Ce:GAGG, выращенных по методу Чохральского, впервые были изучены в 2011 году [7]. Предварительные исследования энергетического разрешения и временных характеристик GAGG кристаллов проводили с использованием различных типов детекторов для регистрации фотонов (вакуумными ФЭУ, кремниевыми фотоумножителями, PIN-фотодиодами). Результаты показали, что кристаллы Ce:GAGG очень многообещающи для таких приложений как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация [8, 9]. На рис.1 показаны сцинтилляционные кристаллы GAGG с габаритами 3×3×30 мм производства компании Furukawa, а также детекторы на основе Si-ФЭУ с площадью активной области 3×3 мм компании SensL. Все грани сцинтилляционных кристаллов были отполированы, а пятая грань каждого кристалла белое отражающее покрытие.
Пик излучения использовавшихся сцинтилляторов Ce:GAGG лежал в области 520–530 нм, а световой выход сцинтилляторов составлял 33100 фотонов/МэВ [9] и 46000 фотонов/МэВ [10]. Заявленный компанией Furukawa световой выход составляет 60000 фотонов/МэВ [11]. Энергетическое разрешение использовавшихся сцинтилляторов составляло 5,2% [9]. Сравнительные характеристики сцинтилляторов Ce:GAGG, LYSO и BGO (Bismuth Germanate, германат висмута) представлены в табл.1.
Детекторы на основе Si-ФЭУ
Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей с момента их изобретения превратились в подходящую замену традиционным вакуумным ФЭУ, применяемым для медицинской визуализации. Кроме того, детекторные платформы на основе Si-ФЭУ являются ключевыми устройствами в конструкции гибридных сканеров ПЭТ/МРТ (магнитно-резонансная томография). Вызвано это тем, что такие детекторы невосприимчивы к сильным магнитным полям, используемым в МРТ [12]. В настоящей работе исследуются Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), имеющие номенклатурные коды SensL MicroFM-30035-SMT и SensL MicroFB-30035-SMT соответственно. Оба используемых детектора содержали 4774 микроячеек, площадь каждой из которых составляла 35×35 мкм при коэффициенте заполнения 64%. Параметры детекторов приведены в табл.2.
Экспериментальная часть
Сцинтилляционные кристаллы и детекторы на основе Si-ФЭУ были прецизионно состыкованы друг с другом c помощью механического держателя, позволяющего быстро и надежно заменить как сцинтилляционный кристалл, так и сам Si-ФЭУ. На рис.2 представлен один из GAGG-кристаллов, расположенный внутри механического держателя. Размер корпуса детектора идеально подходит под размеры углубления в механическом держателе и позволяет прецизионно состыковать Si-ФЭУ со сцинтиллятором. Радиоактивные источники размещаются с противоположной стороны цилиндра, вплотную к грани сцинтиллятора с белым отражающим покрытием. Детектор на основе Si-ФЭУ в корпусе SMT (Surface Mount Technology) для защиты поверхности кремния и проволочных контактов залит сверху эпоксидной смолой. Сцинтиллятор был оптически состыкован с поверхностью эпоксидной смолы на детекторе с помощью оптической смазки. Однако независимо от того, как бы хорошо ни было это соединение, отражение на местах стыков будет уменьшать число фотонов, достигающих детектора, и снижать энергетическое разрешение детекторной системы.
Напряжение смещения на Si-ФЭУ подавалось от источника SMU 2400 (Source Measurement Unit) компании Keithley (США). Сигнал с Si-ФЭУ был усилен с помощью широкополосного усилителя Gali 55+ компании MiniCircuits (США). Коэффициент усиления составлял ~19 дБ. Усиленный сигнал был выведен на дисплей 1 ГГц-осциллографа компании LeCroy (США). Данные с осциллографа передавались по протоколу GPIB и записывались с помощью программы, написанной в среде C++, для последующего анализа. Si-ФЭУ, сцинтиллятор, радиоактивный источник, а также усилитель MiniCircuits были помещены в климатическую камеру HT 4004 производства компании Votsch (Германия). Конструкция камеры позволяет проводить измерения в темноте и контролировать температуру окружающей среды. Температура испытаний в камере составляла 20°C и контролировалась при помощи термопары, расположенной в непосредственной близости к детектору на основе Si-ФЭУ.
Вольт-амперные характеристики
На рис.3 представлены вольт-амперные характеристики (ВАХ) детектора на основе Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), снятые при температуре 20°C. ВАХ снимались при помощи SMU 2400, управляемого с помощью программы LabView. Из рисунка видно, что Si-ФЭУ типа p-на-n имеет напряжение пробоя, равное 24,5 В, в то время как напряжение пробоя Si-ФЭУ типа n-на-p составляет 27 В.
Спектральная чувствительность
На рис.4 приведены спектральные чувствительности Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B), а также спектр излучения сцинтиллятора GAGG. Спектр излучения сцинтиллятора GAGG был взят из [9]. Хотя интегральная спектральная чувствительность Si-ФЭУ типа p-на-n больше, чем интегральная спектральная чувствительность Si-ФЭУ типа n-на-p, спектральная чувствительность последнего лучше совпадает со спектром излучения сцинтиллятора, что позволяет добиться большей эффективности детектирования, а следовательно, лучшего энергетического разрешения.
Энергетическое разрешение
Рис.5 иллюстрирует амплитудное распределение импульсов, измеренное для источника 137Cs (662 кэВ) с помощью детектора на основе Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M), оптически состыкованного со сцинтилляционным кристаллом GAGG. Распределение было записано при 20°C и при напряжении смещения 29 В (при напряжении, на 2 В превышающем соответствующее напряжение пробоя). Энергетическое разрешение ΔE/E, определяемое как полная ширина пика на полувысоте (ПШПВ), отнесенная к среднему значению высоты пика, было вычислено с помощью аппроксимации функцией Гаусса пика 662 кЭв (изотоп 137Cs). Значение энергетического разрешения, полученное из аппроксимационной кривой, показанной на рис.5, равно 12,9%. При построении амплитудного распределения импульсов не были учтены эффекты перекрестных помех, послесвечения и темнового счета. Из-за этих эффектов вычисленное значение эффективности детектирования фотонов, а следовательно, и значение энергетического разрешения, могут быть завышены.
Зависимость энергетического разрешения от избыточного напряжения смещения
На рис.6 показаны зависимости энергетических разрешений Si-ФЭУ типа n-на-p и детектора на основе Si-ФЭУ типа p-на-n от избыточного напряжения смещения. Было получено энергетическое разрешение 9,4% для Si-ФЭУ типа n-на-p (серия M) и энергетическое разрешение 11,6% для Si-ФЭУ типа p-на-n (серия B) при напряжении смещения, превышающем соответствующие напряжения пробоя на 3 В.
Линейность отклика
Линейность отклика и динамический диапазон детекторов на основе Si-ФЭУ определяются эффективностью регистрации фотонов (photon detection efficiency (PDE)) и суммарным числом микроячеек [13]. Когда число падающих фотонов намного меньше общего числа микроячеек, линейность отклика детектора на основе Si-ФЭУ – линейная. Для изучения линейности отклика детекторов на основе Si-ФЭУ с размером 3×3 мм были измерены амплитудные распределения импульсов для линий 81 кэВ и 356 кэВ (изотоп 133Ba), а также для линии 60 кэВ (изотоп 241Am) с помощью Si-ФЭУ типа n-на-p, оптически состыкованного со сцинтилляционным кристаллом GAGG. На рис.7 показана зависимость средней высоты пика при напряжении, на 2 В превышающем соответствующее напряжение пробоя, от энергии квантов излучения трех указанных радиоактивных изотопов. Экспериментальные точки ложатся на кривую, описываемую уравнением
y = M ( 1 – exp ( –Nx )) ,
где y – усредненная высота пика; x – энергия гамма-фотона; N и M – константы. Однако в пределах динамического диапазона Si-ФЭУ эта зависимость линейная.
Заключение и выводы
Сцинтилляционные характеристики кристаллов GAGG, легированных церием, отвечают требованиям, предъявляемым такими приложениями, как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация. Благодаря высокому световому выходу, а также положению пика спектра излучения на длине волны 530 нм, этот материал идеально подходит для использования в детекторе на основе Si-ФЭУ. Высокий световой выход очень важен для уменьшения размера установок ПЭТ [14]. В дополнение к прогрессу в области сцинтилляционных материалов, значительный прогресс достигнут и в области детекторов на основе Si-ФЭУ. В этой работе излучение сцинтиллятора GAGG детектировалось Si-ФЭУ с двумя различными структурами. В работе использовались Si-ФЭУ с площадями активной области 3×3 мм и положениями пиков на спектрах чувствительности на 500 нм (для Si-ФЭУ типа n-на-p) и 420 нм (для Si-ФЭУ типа p-на-n). Как и ожидалось, вследствие хорошего совпадения спектра излучения сцинтилляционного кристалла GAGG и спектра поглощения детектора типа n-на-p, при использовании Si-ФЭУ этого типа достигается большее энергетическое разрешение, чем при использовании Si-ФЭУ типа p-на-n Отмечается, что оба типа Si-ФЭУ демонстрируют превосходную линейность зависимости отклика детекторов от энергии гамма-квантов вплоть до энергии 662 кэВ.
Литература
Stewart A., Saveliev V., Bellis S et al.
Performance of 1-mm2 Silicon Photomultiplier. – IEEE J. Quantum. Electron., Feb 2008 , v. 44, №2, p. 157–164.
Stewart A., Wall L., Jackson J. Properties of silicon photon counting detectors and silicon photomultipliers. – J. Mod. Opt., 2009, v. 56, № 2–3, p. 240–252.
Roncali E. and Cherry S. Application of Silicon Photomultipliers toPositron Emission Tomography. – Ann. Biomed. Eng., Apr. 2011, v. 39, № 4, p.1358 –1377.
D’Ascenzo N., Saveliev V. Study of silicon photomultipliers for the medical imaging systems, Nucl. Instr. Meth. A, Dec 2012,v. 695, p. 265–267.
Mazzillo M., Ronzhin A., Los S. et al. Electro- Optical Performances of p-on-n and n-on-p Silicon Photomultipliers. – IEEE Trans. Electron Devices, Dec. 2012, v. 59, № 12.
Yeom J., Vinke R., Pavlov N. et al. Fast Timing Silicon Photomultipliers for Scintillation Detectors. – IEEE Photon. Technol. Lett., 2013, v. 25, № 14.
Kamada K., Yanagida T., Endo T. et al. 2-inch size single crystal growth and scintillation properties of new Scintillator; Ce:Gd3Al2Ga3O12. – IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, 2011.
Yeom J., Yamamoto S., Derenzo S. et al. First Performance Results of Ce:GAGG Scintillation Crystals with Silicon Photomultipliers. – IEEE Trans. Nucl. Sci., April 2013, v. 60, № 2, p. 988–992.
Iwanowska J., Swiderski L., Szczesniak T. et al. Performance of cerium-doped Gd3Al2Ga3O12 (GAGG:Ce) scintillator in gamma-ray spectrometry. – Nucl. Instrum. Meth. A, 2013, vol. 712, p. 34-40.
Kamada K., Yanagida T., Pejchal J. et al. Crystal Growth and Scintillation Properties of Ce Doped Gd3(Ga, Al)5O12 Single Crystals. – IEEE, Trans. Nucl. Sci., 2012, v. 59, №5.
www.furukawa.co.jp/english/
McElroy D., Saveliev V., Reznik A., Rowlands J. Evaluation of silicon photomultipliers: A promising new detector for MR compatible PET. –Nucl. Instr. Meth. A, 2007, v. 571, p. 106 –109.
Stewart A., Greene-O’Sullivan E., J. Herbert D. et al. Study of the properties of new SPM detectors. – Proceedings of The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2006, v. 6119, p. A1190-A1190.
Yamamoto S., Watabe H., Kanai Y. et al. Development of a high-resolution Si-PM-based gamma camera system. –Phys. Med. Biol., 2011, v. 56, p. 7555–7567.
Отзывы читателей
