dc.description.abstract
Die Zeitauflösung von Szintillator basierende Detektoren für Anwendungen in der Hochenergie- und Medizinphysik gewinnt an mehr und mehr Bedeutung. Im Bereich der medizinischen Gammastrahlungsdetektion und insbesondere für Positronen-Emissions-Tomographie (PET) werden L(Y)SO Szintillatoren häufig eingesetzt. Das Interesse für Flugzeitbestimmung (TOF) in PET steigt, seitdem Messungen gezeigt haben, dass mit Szintillatoren wie L(Y)SO gekoppelt an kürzlich entwickelten Photodetektoren, z.B. Silicon-Photomultiplikatoren (SiPM), Koinzidenz Zeitauflösungen (CTR) deutlich unter 500ps FWHM erreicht werden können. Desweiteren demonstrierten mehrere kommerzielle Ganzkörper TOF-PET Geräte, dass bereits mit Zeitauflösungen im Bereich von 500ps eine deutliche Verbesserung im Signal-Rauschabstand (SNR) des Bildes sowie im Bildkontrast zu erkennen ist. Jedoch sind Zeitauflösungen unter 100ps nötig um von den Verbesserung im Bild Signal-Rauschabstand derart zu profitieren, dass die Aufnahmezeiten und die Strahlenbelastung des Patienten deutlich verringert werden kann. Um dieses Ziel zu erreichen ist es wichtig den kompletten Detektionsvorgang und die verbundenen Zeitentwicklungen zu studieren und im Detail zu verstehen, das heißt die hochenergetische Teilchenstreuung im Kristall, den Szintillationsprozess, die Lichtausbreitung im Kristall mit der Übertragung zum Photodetektor und die dazugehörende Ausleseelektronik. In dieser Arbeit wird die Zeitauflösung in einer Koinzidenz Anordnung gemessen, welche in ihrem Aufbau dem realen PET System gerecht wird. Als Ausleseelektronik wird der Schwellenwertdiskriminator NINO verwendet. Unsere Messungen haben gezeigt, dass der von NINO generierte Ausgangspuls, welche Länge eine Funktion der Gamma-Energie ist, eine Verschlechterung der Energieauflösung für höhere SiPM Betriebsspannungen aufweist. Das ist eine direkte Konsequenz der höheren Dunkelzählrate (DCR) des SiPMs, wenn dieser mit höheren Vorspannungen betrieben wird, zusammen mit dem exponentiellen Abfall des Signals. Um dieses Problem zu lösen und um den SiPM mit optimalen Betriebsspannungen zu betreiben haben wir eine neue Elektronikplatine entwickelt, welche NINO als rauscharmen Schwellenwertdiskriminator nur dazu verwendet um die Zeitinformation zu ermitteln und einen analogen Verstärker dazu um die Energie Information zu messen. Mit dieser neuen Elektronik verbesserten wir die gemessenen CTR Werte um 15%. Um die Grenzen der Zeitauflösung genauer zu studieren führten wir Messungen mit einem 2x2x3mm3 LSO:Ce kodotierten 0.4%Ca Kristall durch, welcher mit kommerziell erhältlichen SiPMs (Hamamatsu S10931-50P MPPC) gekoppelt wurde. Mit diesem Messaufbau erzielten wir eine CTR von 108±5ps FWHM, für Gamma-Energien von 511keV. Der Einfluss der Elektronik und des Datenerfassungssystems auf die Zeitauflösung wurde zu 27±2ps FWHM ermittelt, und ist deshalb vernachlässigbar. Um die gemessenen Werte auch quantitativ zu verstehen haben wir eine komplette Monte Carlo Simulationsumgebung in MATLAB entwickelt, welche den Photodetektor und die Elektronik sowie die Szintillation und Lichtausbreitung im Kristall mit SLITRANI simuliert. Die Simulationen erlaubten uns die einzelnen Schritte im Detektionsprozess in Hinsicht auf deren Einfluss zur Zeitauflösung zu untersuchen und somit auch die Resultate unserer Messungen vorherzusagen. In einen weiteren Schritt erforschten wir den Einfluss aller Parameter auf die Zeitauflösung des Detektors. In Übereinstimmung mit früheren Arbeiten bestätigten wir, dass die Zeitauflösung invers proportional zu der Wurzel der detektierten Photoelektronen (n-) und proportional zu der Wurzel der Szintillationsabklingzeit (-d) ist, dass heißt CTR--(-d/n-) . Der Einfluss der Szintillationsanstiegszeit (-r ) ist dagegen stark korreliert mit der Einphotonen-Zeitauflösung (SPTR) des SiPMs und der Photonen-Transport-Zeitstreuung (PTS) im Kristall. Wir konnten zeigen, dass die Zeitauflösung nur proportional zu der Wurzel eines dieser Parameter ist, wenn der Einfluss der anderen Parameter vernachlässigbar wird, z.B. CTR--(SPTR) wenn -r=0 und PTS=0 oder CTR--(-r) wenn SPTR=0 und PTS=0. In der Praxis jedoch, aufgrund von der nicht reduzierbaren Photonen-Transport-Zeitstreuung im Kristall, ist die Zeitauflösung nur gering abhängig von -r und der SPTR, wenn diese zwei Parameter bereits klein sind und im Bereich der PTS. Der nächste Schritt war unter gleichbleibenden experimentellen Bedingungen den Einfluss der Kristalllänge auf die Zeitauflösung zu untersuchen. Mit dem 2x2x3mm3 LSO:Ce kodotierten 0.4%Ca Kristall erreichten wir eine CTR von 108±5ps FWHM. Wenn der Kristall auf 5mm verlängert wird verschlechterte sich die CTR auf 123±7ps FWHM, 10mm auf 143±7ps FWHM und 20mm auf 176±7ps FWHM. Die Verschlechterung in der Zeitauflösung wird prinzipiell verursacht durch eine graduelle Abnahme in der Lichtübertragunseffizienz und durch eine Zunahme in der Photonen-Transport-Zeitstreuung. Wir zeigten das die Verschlechterung der Zeitauflösung mit steigender Kristalllänge zum Großteil durch die Abnahme in der Lichtübertragungseffizienz verursacht wird, dass heißt durch das Verhältniss der Photonen welche den Photodetektor erreichen zu der Gesamtheit an Photonen produziert. Die Photonen-Transport-Zeitstreuung ist im Gegensatz teilweise kompensiert durch den Gamma-Absorptions-Zeitverzug im Kristall. Wenngleich unsere Simulationen zeigen das die Photonen-Transport-Zeitstreuung nicht wesentlich zunimmt für längere Kristalle, ist ihr Einfluss dennoch groß. Wenn wir in der Simulation die PTS für den 2x2x3mm3 Kristall -abschalten-, würde sich die CTR von 110ps auf 90ps verbessern. In PET, Kristalllängen von 20mm oder länger sind nötig um eine ausreichende Detektionseffizienz der 511keV Gamma-Photonen zu erreichen. Um die CTR für länger Kristalle zu verbessern haben wir an beiden Enden eines 2x2x20mm3 Kristalls einen SiPM montiert und erreichten nach Interaktionstiefen-Korrekturen (DOI) eine Zeitauflösung von 154±10ps FWHM. Dieses Resultat stellt eine CTR Verbesserung von 22ps oder 14% dar, verglichen mit der einseitigen Messung des Kristalls. Die CTR Verbesserung ist fast ausschließlich erklärbar mit einer höheren Lichtausbeute der Zweiseiten-Messung und bekräftigt unseren zuvor gefundene Zusammenhang, dass die Abnahme in der Lichtübertragungseffizienz die Hauptursache für die CTR Verschlechterung mit längeren Kristallen ist. Mit der Hilfe der entwickelten Monte Carlo Simulation untersuchten wir auch einen neuen Typ von SiPM, den vollständig digitalen SiPM. In dieser Variante von SiPM kann die Zeit jedes einzelne detektierte Photoelektrons gemessen werden. Wir haben gezeigt, dass mit optimierten Zeit-Schätzern dieser digitale Ansatz in der Lage ist das intrinsische Limit der Zeitauflösung zu erreichen, welches mit reinen statistischen Überlegungen, wie dem -Cramér-Rao lower bound-, berechnet werden kann. Darüber hinaus sind wir zu dem Ergebniss gekommen, dass der analoge SiPM, in welchem die Mikrozellen-Signale überlagert werden, auch in der Lage ist das intrinsische CTR Limit zu erreichen. Von unseren Simulationen lernten wir desweiteren, dass die Gleichheit in der erzielten Zeitauflösung für den digitalen und analogen SiPM auch für verschiedene Kristallängen gültig ist, das heißt für 3mm, 5mm, 10mm und 20mm Länge. Folglich kann keine Präferenz zwischen analogen und digitalen SiPM gegeben werden, wenn es nur darum geht beste Zeitauflösung zu erhalten. Jedoch soll bemerkt werden, dass der analoge SiPM die beste Zeitauflösung in einen eher kleinen Schwellenwerte-Bereich liefert, wohingegen der digitale SiPM eine stabile Zeitauflösung nach ungefähr 20 in den Zeit-Schätzer eingebundenen Photoelektronen zeigt. Dieses Merkmal könnte den vollständig digitalen SiPM stabiler gegen elektronisches Rauschen und im SiPM künstlich erzeugte korrelierte und unkorrelierte Photoelektronen machen.
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