Использование кремниевых фотоумножителей B- и С-серии компании SensL для времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии
Аннотация
Кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ) компании SensL обладают превосходными рабочими характеристиками с минимальным разбросом параметров от изделия к изделию, а также имеют низкую стоимость. Кремниевые фотоумножители SensL серийно изготавливаются на основе КМОП технологии, а для создания детекторных матриц с большими площадями на основе Si-ФЭУ SensL были разработаны корпуса для автоматизированного поверхностного монтажа (англ. surface-mount technology (SMT)). Компания SensL провела оптимизацию процессов серийного производства, сформировав процедуры тестирования своих изделий на технологические отказы, для изготовления высококачественных детекторов для рынка в больших количествах. Si-ФЭУ SensL имеют эффективность регистрации фотонов до 47 % на длине волны 420 нм, которая совпадает со спектром излучения сцинтиллятора ортосиликата лютеция легированного церием (LYSO(Ce)). Измеренное в работе временное разрешение схемы совпадений составило менее 220 пс. Совершенствование процесса производства Si-ФЭУ позволило компании SensL разработать новую С-серию детекторов, которые обладают темновым шумом на порядок меньшим, чем шум для предыдущей В-серии Si-ФЭУ. В настоящей статье представлен сравнительный анализ результатов измерений параметров детекторов B- и С-серии SensL, таких как эффективность регистрации фотонов, скорость темнового счета, вероятность перекрёстных помех и остаточных импульсов, а также временное разрешение схемы совпадений. Кроме того в статье будут рассмотрены эффекты влияния размера микроячейки Si-ФЭУ на временное разрешение схемы совпадений, что позволит выбрать оптимальный размер микроячейки Si-ФЭУ для использования их во времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии.
1 Кремниевые фотоумножители B- и С-серий компании SensL
Кремниевые фотоумножители SensL представляют собой детекторы чувствительные к единичным фотонам, которые могут использоваться в различных применениях, требующих регистрации слабых световых сигналов и/или в прикладных задачах, в которых ключевым параметром является временное разрешение. В этой статье мы рассматриваем детекторы B- и С-серий SensL применительно к применениям связанным с времяпролетной (англ. Time-of-Flight (TOF)) позитронно-эмиссионной томографией (англ. Positron-Emission-Tomography (PET)) [ПЭТ], включая основные эксплуатационные испытания для определения степени соответствия параметров Si-ФЭУ требованиям времяпролетной ПЭТ. Обе серии Si-ФЭУ обладают высокой эффективностью регистрации фотонов (англ. Photon Detection Efficiency (PDE)) с пиковым значением на длине волны 420 нм, совпадающей с пиком спектра излучения ортосиликата лютеция легированного церием (LYSO(Ce)). Детекторы Si-ФЭУ B-серии SensL являются серийно изготавливаемыми изделиями, и результаты измерений всех параметров Si-ФЭУ этой серии могут быть найдены в статье [1]. В то же время Si-ФЭУ С-серии SensL являются новыми детекторами с ультранизкими шумами, полностью совместимыми с электроникой, которая проектировалась для детекторов B-серии SensL. Кроме того Si-ФЭУ новой С-серии SensL обладают значительно более низким шумом по сравнению с детекторами B-серии, типовое значение которого составляет 30 кГц/мм2 при перенапряжении 2.5 В, при этом PDE детекторов С-серии не уступает значениям PDE для Si-ФЭУ В-серии. Кремниевые фотоумножители С-серии производятся на основе серийного КМОП процесса с применением уникальной технологии уменьшения количества дефектов, что позволяет значительно снизить скорость темнового счета этих детекторов. Детекторы В- и С-серии SensL являются высокоскоростными и обладают низкой собственной емкостью. Запатентованный быстрый выход детекторов SensL, добавляемый к стандартным выводам анода и катода, описан в работе [2].
2 Исследование эксплуатационных характеристик Si-ФЭУ
В подразделах ниже представлены результаты измерений эксплуатационных характеристик детекторов В- и С-серии кремниевых фотоумножителей SensL, таких как эффективность регистрации фотонов, скорость темнового счета, вероятность возникновения перекрестных помех (англ. crosstalk) и остаточных импульсов (англ. afterpulse). Образцы детекторов изученные в данной работе не отбирались специально из партии, поэтому предполагается что исследуемые образцы характеризуют серийные изделия в целом.
2.1 Эффективность регистрации фотонов
На рисунке 1 показаны графики зависимости PDE от длины волны для Si-ФЭУ В- и С-серии SensL при значении напряжения смещения на 5В выше напряжения пробоя (перенапряжение). В работе изучались кремниевые фотоумножители типа MicroFB-30035-SMT (B-серия SensL) и MicroFC-30035-SMT (C-серия SensL), которые представляют собой Si-ФЭУ с размером активной области 3x3 мм2 и микроячейкой 35 мкм.
Рис.1 Эффективность регистрации фотонов PDE Si-ФЭУ B- и С-серии SensL
Представленные на рисунке 1 кривые представляют собой истинные кривые PDE, т.е. они не искажены эффектами перекрёстных помех и остаточных импульсов. Зависимость PDE от длины волны определялась по методу чувствительности, и была подтверждена посредством прямых измерений PDE на одной длине волны с целью убедиться, что при измерениях принимались во внимание эффекты перекрёстных помех и остаточных импульсов. Подробное описание методики измерения PDE использованное в данной работе может быть найдено в статье [1]. Эта методика основывается на методе измерения коэффициента усиления одноэлектронных импульсов, разработанном Долинским[3], а также на методе прямого измерения PDE на определенной длине волны, разработанного Отте [4] и Эккертом [5]. Пик кривых PDE Si-ФЭУ обеих серий соответствовал длине волны около 420 нм. Si-ФЭУ С-серии продемонстрировали существенно более высокую PDE на длинах волн менее 400 нм. Такое увеличение PDE в сторону более коротких длин волн, как считается, является следствием замены материала, располагающегося выше активной области Si-ФЭУ, что уменьшает количество дефектов, возникающих на этапе производства.
2.2 Скорость темнового счета
На рисунке 2 сравниваются скорости темнового счета (англ. Dark Count Rate (DCR)) Si-ФЭУ MicroFB-30035-SMT и MicroFC-30035-SMT.
Рис. 2 Скорость темнового счета (англ. Dark Count Rate(DCR)) Si-ФЭУ B- и С-серии SensL
В данной работе скорость темнового счета определяется скоростью появления электрических импульсов с амплитудой, превышающей половину сигнала электрического импульса, соответствующего одному фотоэлектрону в отсутствии оптического возбуждения. Для определения скорости темнового счета использовались быстрые выходы Si-ФЭУ. Стоит отметить значительное снижение скорости темнового счета детекторов С-серии, примерно на один порядок величины, относительно предыдущей В-серии Si-ФЭУ. Предположительно снижение скорости темнового счета достигается за счет уменьшения количества дефектов, возникающих на этапе производства.
2.3 Вероятность возникновения перекрестных помех
На рисунке 3 представлена зависимость вероятности возникновения перекрестных помех от перенапряжения. В работе регистрация события перекрестных помех принималась за электрический импульс на выходе Si-ФЭУ, превышающий амплитуду сигнала электрического импульса, соответствующего одному фотоэлектрону, в 1.5 раза при отсутствии оптического возбуждения при нормировании на скорость темнового счета.
Рис. 3 Вероятность возникновения перекрестных помех Si-ФЭУ B- и С-серии SensL
Для определения вероятности возникновения перекрестных помех использовались быстрые выходы Si-ФЭУ. Данные были получены с применением триггера, срабатывающего по фронту импульса, путем измерения скорости темнового счета на установленном уровне срабатывания триггера (величина в 1.5 раза превышающая амплитуду сигнала электрического импульса, соответствующего одному фотоэлектрону). Измеренное значение вероятности возникновения перекрестных помех детектора С-серии составило ту же величину, что и для детектора В-серии. В дальнейшем планируются испытания образцов Si-ФЭУ с более крупным размером активной области.
2.4 Вероятность возникновения остаточных импульсов
В данной работе регистрация события остаточного импульса определяется статистическим распределением следующих друг за другом пар импульсов при выставлении уровня срабатывания триггера на половину сигнала, соответствующего одному фотоэлектрону. Для определения вероятности возникновения остаточных импульсов использовались быстрые выходы Si-ФЭУ. Процедура детально описана в работе [5], а результаты измерений вероятности возникновения остаточных импульсов для детекторов В- и С-серии представлены на рисунке 4.
Рис. 4 Вероятность возникновения остаточных импульсов Si-ФЭУ B- и С-серии SensL
Из графиков видно, что события остаточных импульсов регистрируются при значении перенапряжения выше 4В. Кроме того стоит отметить, что детекторы С-серии SensL обладают намного более низкой вероятностью возникновения остаточных импульсов по сравнению с детекторами предыдущей В-серии. Предположительно снижение вероятности возникновения остаточных импульсов, также как и в случае снижения скорости темнового счета, достигается за счет уменьшения количества дефектов, возникающих на этапе производства.
3 Временное разрешение схемы совпадений детектора на основе Si-ФЭУ SensL и сцинтиллятора LYSO
Пространственное изображение во времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии получается за счет точного определения положения позитронно-излучающего радионуклида с помощью триангуляции распада пары квантов с энергией 511 кэВ (пер. при аннигиляции электрон-позитронной пары). Временное разрешение схемы совпадений (англ. Coincidence Resolving Time (CRT)) характеризуется временным откликом двух расположенных напротив друг друга детекторов направленных на источник позитронов; CRT определяется полной шириной на полувысоте (ПШПВ) распределения временных интервалов регистрации событий аннигиляции электрон-позитронных пар детекторами. Si-ФЭУ состыкованные со сцинтилляционными кристаллами могут использоваться в качестве детекторов пар гамма-квантов с энергией 511 кэВ, рожденных при участии позитронно-излучающих радионуклидов, и поэтому могут использоваться для оценки CRT.
В данном эксперименте использовалась пара из двух Si-ФЭУ SensL в корпусах для поверхностного монтажа с размером активной области 3х3 мм2, расположенных напротив друг друга. Каждый Si-ФЭУ был состыкован со сцинтиллятором LYSO с размером 3x3x20 мм3; детекторы располагались на противоположных сторонах источника позитронов 22Na. Временные дорожки событий с быстрых выходов каждого Si-ФЭУ усиливались при помощи усилителей напряжения Minicircuits ZX-60 [6]. Пары временных дорожек событий записывались при помощи высокоскоростного двухканального аналого-цифрового преобразователя [7]; каждая пара дорожек отбиралась с применением триггера, срабатывающего по фронту импульса (обычно установленном на уровне срабатывания по амплитуде 10 и 15 единичных фотоэлектронов). Длительность каждой временной дорожки составляла 320 нс, и CRT составляло 312.5 пс для 50 000 пар дорожек. Пики соответствующие 511 кэВ отбирались при помощи энергетического фильтра с шириной 100 кэВ вокруг пика. Для определения временных меток событий из диапазона срабатывания триггера использовался метод интерполяции [пер.- имеется в виду различие амплитуд пиков 511 кэВ для разных событий]. Коррекция ухода показаний моментов времени была применена для устранения эффекта корреляции разницы в величине зарядов частиц/разницы во временных метках событий. Значение CRT определялось исходя из ПШПВ гауссовой кривой на гистограмме распределения временных меток событий. Как правило, наименьшее CRT отвечает самому оптимальному значению порога срабатывания триггера.
Временное разрешение схемы совпадений зависит от порогового уровня триггера и от выбора схемы численной интерполяции, используемой для определения пересечения временных меток событий зарегистрированных двумя детекторами. На рисунке 5 показан эффект выбора схемы численной интерполяции, а также эффект коррекции ухода показаний моментов времени на вычисление CRT для детекторов В-серии (подобная зависимость наблюдается для детекторов С-серии).
Рис.5 Зависимость значения временного разрешения схемы совпадений от выбора схемы численной интерполяции
Как видно из рисунка оптимальное (минимальное) значение CRT наблюдается при уровне срабатывания триггера по амплитуде равной двум единичным фотоэлектронам. При высоких уровнях срабатывания триггера, благодаря устранению корреляции между разницей во времени и разницей в величине зарядов частиц, также известной как «уход показаний моментов времени», достигается уменьшение значения CRT. Использование линейной, экспоненциальной и кубической схем сплайн-интерполяций положительно сказывается на значениях разницы во временных метках событий, представленных на рисунке. Наибольший эффект был получен при переходе от линейной сплайн-интерполяции к экспоненциальной, при этом достигалось уменьшение CRT с 240 пс до 225 пс; дальнейшее уменьшение CRT до 222 пс может быть достигнуто с использованием кубической сплайн-интерполяции. При значениях порога срабатывания триггера, превышающего в 3 раза амплитуду сигнала соответствующего одному фотоэлектрону, кривые полученные с использованием экспоненциальной и кубической сплайн-интерполяций пересекаются.
3.1 Влияние размеров микроячейки
Измерения CRT использовались для определения оптимального размера микроячейки Si-ФЭУ для применения во времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии. На рисунке 6 показана зависимость оптимальных значений CRT и рабочего тока (при использовании экспоненциальной интерполяции и коррекции ухода показаний моментов времени при перенапряжении 5В) двух Si-ФЭУ B-серии SensL с размером активной области 3х3 мм2, расположенных напротив друг друга; на рисунке приведены показания для Si-ФЭУ с размерами микроячеек 20 мкм, 35 мкм и 50 мкм.
Рис. 6 Зависимость значения временного разрешения схемы совпадений и рабочего тока от размера микроячейки Si-ФЭУ B-серии SensL
Значение CRT сначала уменьшилось с 284 пс до 225 пс при увеличении размера микроячейки с 20 мкм до 35 мкм, однако при переходе к микроячейке размером 50 мкм значение CRT уменьшилось незначительно. Рабочий ток, включающий в себя вклад темнового тока и фототока в измерение сцинтилляций, увеличивался более чем в 3 раза при каждом последующем увеличении размера микроячейки. Уменьшение значения CRT при увеличении размера микроячейки с 20 мкм до 35 мкм обусловлено разницей PDE этих детекторов, которая связана с увеличением коэффициента заполнения (англ. fill factor) при переходе от детектора с микроячейкой 20 мкм с коэффициентом заполнения 48% к Si-ФЭУ с микроячейкой 35 мкм с коэффициентом заполнения 64%. Увеличение коэффициента заполнения до 72% для Si-ФЭУ с микроячейкой 50 мкм не повлияло на значение CRT по всей вероятности из-за того, что дальнейшее уменьшение ограничивали параметры сцинтиллятора LYSO, такие как время высвечивания и разброс задержек срабатывания (джиттер, англ. jitter). Повышение рабочего тока с увеличением размера микроячейки связано с увеличением коэффициента усиления Si-ФЭУ, что приводит к росту как темнового тока, так и фототока. Авторы настоящей работы считают, что оптимальные значения рабочего тока и CRT достигаются для Si-ФЭУ с размером микроячейки 35 мкм.
3.2 Влияние перенапряжения
Зависимость значений CRT и рабочего тока от перенапряжения для Si-ФЭУ В- и С-серии представлена на рисунке 7.
Рис. 7 Зависимость значения временного разрешения схемы совпадений и рабочего тока от величины перенапряжения для Si-ФЭУ B- и С-серии SensL
Результаты получены для Si-ФЭУ с оптимальным размером микроячейки 35 мкм для обеих серий детекторов. Детекторы В- и С-серии продемонстрировали сравнимые значения CRT, которые уменьшались при увеличении перенапряжения. Это уменьшение связано с увеличением PDE при росте перенапряжения. Уменьшение рабочего тока детекторов C-серии по сравнению с детекторами B-серии связано с уменьшением вклада темнового тока, что подтверждается результатами измерений скорости темнового счета, представленными на рисунке 2. Детектор С-серии MicroFC-30035-SMT продемонстрировал идеальную комбинацию низкого значения CRT и значительно более низкого рабочего тока. Для позитронно-эмиссионных томографов, использующих времяпролетную методику, в которых будут применяться детекторные матрицы с большими площадями на основе Si-ФЭУ, эти параметры являются критичными, и поэтому переход от детекторов В-серии к детекторам С-серии SensL позволит значительно повысить характеристики времяпролетных ПЭТ.
4 Выводы
В работе рассматривались основные эксплуатационные характеристики Si-ФЭУ С-серии SensL в сравнении с эксплуатационными характеристиками детекторов предыдущего поколения Si-ФЭУ В-серии SensL. Детекторы С-серии продемонстрировали значительное уменьшение скорости темнового тока и вероятности возникновения остаточных импульсов. Кроме того было обнаружено увеличение PDE Si-ФЭУ С-серии SensL в сторону более коротких длин волн, а также сохранение значения вероятности возникновения перекрестных помех по сравнению с детекторами В-серии. Было определено, что оптимальным Si-ФЭУ для времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии является Si-ФЭУ с размером микроячейки 35 мкм. Кроме того выяснилось, что значение CRT детекторов С-серии SensL аналогично значению CRT детекторов B-серии SensL, однако рабочий ток детекторов С-серии был значительно меньше. Улучшение характеристик Si-ФЭУ С-серии SensL связано с уменьшением количества дефектов, возникающих на этапе производства.
