ПЭТ детектор на основе кремниевых фотоумножителей
Аннотация
Появление кремниевых фотоумножителей (SiФЭУ) позволило создать компактный, эффективный, невосприимчивый к магнитному полю сканер для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Для того чтобы получить все описанные преимущества необходимо продумать конструкцию ПЭТ сканеров с большим полем обзора на основе кремниевых фотоумножителей. В этой статье исследуется возможность объединения двух матриц SiФЭУ для изготовления небольшого ПЭТ сканера для исследования животных. Детекторный модуль состоит из матрицы формата 26х58 сцинтилляционных LYSO элементов с размерами 1.5х1.5 мм2 (размер сцинтилляционной матрицы 41х91 мм2) соединенной с двумя матрицами SiФЭУ производства компании SensL. Для считывания сигналов с SiФЭУ специально для этого проекта была разработана специализированная электроника. Для упрощения вычисления местоположения сцинтилляционного события на матрицах SiФЭУ необходимо распределить свет от сцинтиллятора между несколькими элементами за счет применения небольшого световода. Этот метод позволил получить сигнал с каждого элемента сцинтилляционной матрицы даже на стыке двух матриц SiФЭУ. Т.к производительность SiФЭУ улучшается при охлаждении, детекторный модуль был оснащен охлаждающей системой, что позволило контролировать температуру устройства и электроники. Испытания показали, что при снижении температуры с 28 °С до 16 °С показания коэффициента контрастности максимального и минимального значения света полученного от сцинтилляционной матрицы улучшились примерно на 45%. Энергетическое разрешение для излучения по линии 511 кэВ улучшилось с 18.8% при 28 °С до 17.8% при 16 °С. Наконец, было обнаружено, что временное разрешение устройства недостаточно для время-пролетных применений (примерно 2100 пс при 14 °С). Первое применение таких детекторных модулей будет в производстве небольших ПЭТ сканеров, интегрированных в клинические сканеры магниторезонансной томографии с магнитным полем в 3 Тл.
Введение
Разработке комбинированных медицинских систем ПЭТ-МРТ уделяется большое внимание на протяжении последних 20 лет. Действительно, такой объединенный медицинский комплекс был предложен в середине 1990-х годов. Такую систему не могли реализовать до начала 2000-х годов, но тем не менее как только на рынке появились матрицы лавинных фотодиодов, были разработаны первые опытные образцы. Одной из первых попыток был ПЭТ сканер на основе лавинных фотодиодов, совместимый с магниторезонансной томографией. Это было совместное изобретение Калифорнийского университета в Дэвисе и университета Тюбингена. Это устройство состояло из детекторных модулей, включающих в себя матрицы из 10х10 элементов сцинтиллятора ортосиликата лютеция (LSO) с размерами 2х2х12 мм3, соединенных с матрицей из 3х3 лавинных фотодиодов посредством акрилового световода толщиной 3,5 мм. Активная область детекторного модуля составляла приблизительно 2х2 см2. В состав ПЭТ сканера входила маленькая магнитно-резонансная радиочастотная катушка для использования в МРТ сканере для животных с величиной индукции магнитного поля в 7 Тл. Гразиосо с соавторами из компании Siemens Molecular Imaging Ноксвилл (штат Теннесси, США) также использовали лавинные фотодиоды в производстве МРТ совместимого ПЭТ детекторного модуля разработанного для расположения внутри области формирования изображения клинического МРТ сканера с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это устройство включало в себя матрицы из 8х8 LSO элементов с размерами 2х2х20 мм3, соединенные с матрицей из 2х2 лавинных фотодиодов. Модули успешно прошли испытания в составе МРТ сканера Siemens Symphony с величиной индукции магнитного поля в 1,5 Тл. Это работа привела к созданию первого серийного ПЭТ-МРТ сканера компании Siemens. Но хотя сканеры с такими модулями и имели относительно хорошие характеристики, их производительность была в конечном счете ограничена относительно низким соотношением сигнал-шум из-за низкого коэффициента усиления и температурных шумов лавинных фотодиодов.
Возможно самым значительным этапом в создании высокопроизводительного МРТ совместимого ПЭТ сканера было изобретение матриц кремниевых фотоумножителей. Эти фотоприемники имеют существенно больший коэффициент усиления в сравнении с лавинными фотодиодами и сравнимый с классическими ФЭУ (порядок 1х106), а также невосприимчивы к магнитным полям, как и лавинные фотодиоды. Довольно большое число исследователей разработало МРТ совместимые ПЭТ сканеры. Например, группа ученых из Национального Университета Сеула разработала ПЭТ детекторный модуль на основе SiФЭУ с размерами активной области 32.4х28.7 мм2. Заявленное энергетическое разрешение детектора для излучения по линии 511 кЭв составляло 13,9%. Группа ученых из Голландии разработала ПЭТ детекторный модуль, использующий цельный сцинтиллятор LYSO с размерами 13.2х13.2х10 мм3, установленный на матрицу из 4х4 SiФЭУ. Использование монолитного сцинтиллятора позволило оценить глубину взаимодействия каждого фотона. Наконец, группа исследователей под руководством Шульца разработала ПЭТ детекторный модуль на основе матрицы из 22х22 LYSO элементов с размерами 1.3х1.3х10 мм3, соединенной с матрицей SiФЭУ. Единственным недостатком этих модулей был относительно небольшой размер активной области, что не позволяло получить потенциальную производительность SiФЭУ, не охладив его до низких температур (ниже 22°С).
Материалы и методы
Целью этого проекта было создать ПЭТ детекторный модуль на основе SiФЭУ, который использовался бы в качестве встраиваемого блока в небольшой широкоугольный ПЭТ сканер для животных составе клинического МРТ сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл. Для улучшения стабильности и производительности SiФЭУ была разработана охлаждающая система модуля. Наконец, использование мультиплексной схемы для сокращения общего количества каналов сбора данных, содействовало созданию практичных и экономически эффективных ПЭТ сканеров.
Конструкция детектора
Новые детекторные модули используют матрицу из 26х58 LYSO элементов с размерами 1.5х1.5х10 мм3 (шаг = 1,57 мм), разделенных ESR отражателями (производство компании Proteus, Ноксвилл, США). Таким образом активная область детектора составляет 41,2 х 91,5 мм2, что больше активной области других детекторных модулей на основе SiФЭУ. Матрица LYSO элементов соединяется с двумя фотоприемниками фирмы SensL ArraySL-4p9 (SensL Technologies, Корк, Ирландия). Эти фотоприемники состоят из матриц SiФЭУ ArraySL-4 расположенных в формате 3х3. Каждая матрица ArraySL-4 имеет 16 (4х4) пикселей с размерами 3.05х3.05 мм2 (4774 микроячейки). Их коэффициент усиления при комнатной температуре и нормальных условиях составляет 2,4 х 106. Таким образом, каждый фотоприемник ArraySL-4p9s имеет 3х3х4х4 = 144 независимых каналов данных; общий размер чувствительной области составляет 48х48 мм2. Для оптического соединения двух матриц SiФЭУ с матрицей сцинтилляторов используется акрил толщиной 2 мм. Световод необходим для того, чтобы распространить свет от сцинтилляторов для перекрытия оптического зазора между двумя матрицами SiФЭУ. Таким образом, сцинтилляционный свет, излучаемый элементами, расположенными над стыком двух матриц SiФЭУ, передается в активную область матриц. Световод также распространяет сцинтилляционный свет среди пикселей массивов SiФЭУ, что облегчает вычисление положения события в массиве сцинтиллятора. На рисунке 1 показан законченный детектор.
Рис. 1. Внешний вид детектора
Необходимо отметить, что матрицы SiФЭУ больше по размерам матрицы сцинтилляторов. Такая геометрия была выбрана для того, чтобы элементы сцинтиллятора на краях массива были расположены напротив активной области матрицы SiФЭУ, что упрощает идентификацию всех элементов матрицы сцинтилляторов. Данная конструкция позволяет сократить интервалы чувствительности детектора, в том случае, когда модули сформированы в виде кольца для того чтобы образовать сканер.
Охлаждающая система детектора
Как и в случае большинства твердотельных устройств, производительность SiФЭУ зависит от температуры. Снижение их рабочей температуры сокращает температурные шумы (темновой ток) и увеличивает коэффициент усиления. Коэффициент усиления увеличивается из-за снижения напряжения пробоя при низких температурах, при условии постоянного напряжения смещения. Температура детектора может быть снижена, если его поместить в охлаждающий кожух. В частности, для защиты матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9 и считывающей электроники использовалась прямоугольная медная пластина толщиной 4.75 мм. К внешней части корпуса припаян канал, состоящий из медной трубки с размерами 2.38 мм х 2.38 мм. К каждому концу канала припаяны разъемы с выводами. По каналу циркулирует раствор 50% холодной дистиллированной воды и 50% этиленгликоля, который в свою очередь охлаждает медную оболочку. Медь соединяется с гранями матриц SiФЭУ, тем самым охлаждая их. Жидкость охлаждается мини охладителем производства Peter Huber Kältemaschinenbau GmbH (Оффенбург, Германия). Это устройство может охладить циркулирующую жидкость до температуры -10°С и имеет мощность охлаждения 300 Вт при температуре 14°С. Такой мощности достаточно для одновременного охлаждения до 250 модулей до температуры 14°С (каждый модуль поглощает примерно 1,2 Вт мощности). Для конвекционного охлаждения модуля в устройство подается воздух посредством трубки с внутренним диаметром 3.175 мм, которая имеет охлаждающий кожух. Эта трубка имеет 7 небольших отверстий, которые позволяют воздуху дойти до считывающей электроники. Воздух перемещается по трубке с внутренним диаметром 4.76 мм подсоединенной к медицинскому воздушному рециркулятору в исследовательской зоне. Воздух предварительно охлаждается пропусканием охлаждающей жидкости через теплообменник в контакте с трубкой подачи воздуха. Все материалы используемые для охладителя имеют высокую теплопроводность и немагнитные характеристики. На рисунке 2 показан ПЭТ детектор с охладителем. Система охлаждения способна производить равномерное охлаждение поверхности матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9 (вариативность температуры < ~0.6°C). На рисунке 3 показано инфракрасное изображение передней поверхности охлажденного модуля без сцинтиллятора. Обратите внимание, что видимые нагретые участки в рубашке охлаждения вызваны отражением окружающего света от меди и несоответствием излучательной способности меди и настройки коэффициента излучения в ИК-камере, которая была настроена на излучательную способность кремния.
Рис. 2. Внешний вид законченного ПЭТ модуля
Рис. 3. Инфракрасное изображение передней панели охлажденного ПЭТ детекторного модуля
Считывание SiФЭУ и система сбора данных
Каждая матрица SiФЭУ содержит 144 отдельных элементов, таким образом наш детекторный модуль на двух матрицах ArraySL-4p9s имеет 288 индивидуальных аналоговых выходов. Такое количество данных усложняет считывание сигналов с одного устройства, не говоря уже о большем количество модулей, которые будут составлять сканер. Таким образом, чтобы сделать устройство более подходящим для использования в больших системах, число выходных каналов для каждой матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9 было снижено со 144 до 4, в результате получилось всего восемь аналоговых выходов на модуль. Эта задача была выполнена с помощью мультиплексной системы считывания, разработанной в сотрудничестве с компанией AiT Instruments (Нюпорт-Ньюс, США).
Мультиплексирование выходного сигнала осуществляется в два этапа. Во-первых, симметричная схема деления заряда разделяет 144 канала массива 12х12 матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9 на 12 строк и 12 столбцов. Эти сигналы сводятся к четырем каналам путем применения взвешенного усиления для каждой строки и каждого столбца пропорционально его положению вдоль каждой оси. Такое кодирование амплитуды создает 2 сигнала (Х+, Х-), представляющих столбец местоположения события и 2 сигнала (Y+, Y-), представляющих строку местоположения события. Новая методика деления заряда, разработанная компании AiT Instruments, использует активные диоды вместо резисторов для обработки сигналов SiФЭУ до усиления. В частности, диод помещается между фотодетектором и быстрым трансимпедансным усилителем. Когда сигнал на фотодетекторе имеет положительную полярность, то низкое прямое сопротивление диода позволяет току течь от фотодетектора до усилителя, в тоже время высокое обратное сопротивление диода не дает току протекать от усилителя до фотодетектора. На рисунке 4 показана схема считывающей электроники. Диоды сокращают нежелательные токи утечки SiФЭУ. Снижение токов утечки улучшает пространственную однородность и позиционирование события.
Рис. 4. Схема считывающей электроники матрицы SiФЭУ
Нелинейное прямое сопротивление диодов ослабляет сигналы с небольшой амплитудой, схожей с пороговой амплитудой, что приводит к снижению шума. Диоды изолируют собственную емкость SiФЭУ в группе SiФЭУ, когда каждый фотодетектор соединяется с трансимпедансным усилителем, что снижает воздействие суммарной емкости и потери заряда в больших массивах SiФЭУ. Кроме того время нарастания выходного сигнала с трансимпедансного усилителя меньше чем у непосредственно связанных схем считывания.
Выводы схемы платы считывания соединены с интерфейсным модулем (модель SiPMIM4х4, AiT Instruments), который может считывать сигналы максимум с четырех матриц SiФЭУ ArraySL-4p9 (эквивалентно двум или четырем модулям). Модуль выводит индивидуальные аналоговые сигналы со считывающей электроники на разъем с 34 контактами, расположенный на передней панели устройства. В дополнение модуль суммирует выходные сигналы с каждой матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9. Эти сигналы используются для запуска аналого-цифрового преобразования Х-Y выходов. Кроме того, интерфейсный модуль подает питание и напряжение смещение на считывающую электронику. Наконец, существует возможность отслеживания напряжения смещения, тока, а также температуры на каждом SiФЭУ (за счет датчиков температуры, расположенных на плате) с помощью вывода с 24 контактами на интерфейсном модуле.
Аналоговые сигналы напряжения от интерфейсного модуля проходят через 34-контактный кабель к многоканальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) на основе ПЛИС (АЦП производства AiT Instruments). Каждый канал использует аналоговую задержку для компенсации задержки триггера, за которым следует закрытый интегратор и АЦП для оцифровки интегрированного сигнала. Такие устройства могут обрабатывать сигналы максимально с 64 каналов (каждый блок АЦП может работать максимально с 8 детекторными модулями). Оцифровка аналоговых сигналов отсчитывается логическими импульсами. Логические сигналы создаются путем прохождения суммирующих выходных сигналов с интерфейсного модуля (один с каждой матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9) через усилитель-дискриминатор (модель 751, Philips Scientific) с последующей комбинацией двух выходных сигналов амплитудных дискриминирующих импульсов с помощью логической операции ИЛИ в логическом блоке (модель 755, Philips Scientific). Оцифрованные выходные сигналы передаются на управляющий компьютер через интерфейс USB 2.0. На рис. 5. Показана схема системы сбора данных, используемая для испытаний модуля.
Рис. 5. Схема системы сбора данных детекторного модуля
Определение точки взаимодействия фотона в массиве сцинтилляторов выполняется путем вычисления в системе центра масс оцифрованных сигналов от считывающей электроники совместно с предварительно рассчитанной справочной таблицей (часто упоминается как карта кристалла). Эта карта сопоставляет положение события с номером пикселя сцинтиллятора. Кроме того, для того чтобы рассчитать энергию заряженных частиц, взаимодействующих со сцинтиллятором, с данными сопоставляется предварительно полученная таблица калибровки энергии. Эта таблица содержит информацию для каждого пиксельного элемента матрицы сцинтиллятора, который преобразует номер канала АЦП в энергию. Сбор данных осуществляется с помощью программной среды Kmax производства Sparrow Corp (Порт-Ориндж, США).
Испытания детекторного модуля
Тестирование проводилось с целью определения возможностей и ограничений детекторного модуля. Во-первых, зависимость темнового тока от температуры определялась путем измерения тока потребляемого SiФЭУ (без приложенного сцинтиллятора) при пониженной температуре. Для оценки способности системы идентифицировать элементы сцинтиллятора при пониженной температуре, модуль был облучен шестью источниками излучения 4.5 мкКюри 22Na (производство Eckert & Ziegler, США) в форме дисков, равномерно распределённых по всей поверхности модуля. Данные считывались в течение 300 с. Приложенное напряжение смещения составляло 30,4 В, что является рекомендуемым напряжением для данного SiФЭУ при комнатной температуре. Таким образом была возможность оценить какое влияние оказывает изменение температуры на производительность модуля при постоянном напряжении смещения. Стоит отметить, что коэффициент усиления SiФЭУ напрямую зависит от разницы между напряжением смещения и напряжением пробоя, также известным как перенапряжение. При охлаждении устройства, напряжение пробоя понижается. Т.к. напряжение смещения является постоянным, это приводит к увеличению перенапряжения и, следовательно, повышению коэффициента усиления при понижении температуры. Необходимо отметить, что коэффициент усиления SiФЭУ может быть увеличен за счет увеличения напряжения смещения, но в этом случае увеличиваются показатели темнового тока. Полученные данные были использованы для создания двумерного графика обнаруженных положений события. Карта пикселей создается из одного неповторяющегося события. Эти данные использовались для расчета степени контрастности между максимальным и минимальным значением сигнала для каждого элемента детектора, который рассчитывается путем вычитания отсчетов, находящихся в области между расположением соседних элементов детектора (минимальное значение) из отсчетов, находящихся в области детекторного элемента (максимального значения) и делением на количество отсчетов в области детекторного элемента. Этот параметр является мерой точности вычисления центра масс и используется для обнаружения места попадания фотона на детектор. Для того чтобы избежать неотъемлемую вариативность в использовании профилей интенсивности для определения максимальных и минимальных значений, коэффициент контрастности рассчитывается с использованием программного обеспечения специально созданного для поиска максимальных и минимальных значений на пиксельной карте. Значения коэффициента контрастности для каждого сцинтилляционного элемента были суммированы, чтобы получить среднее значение для модуля при данной температуре. Измерения проводились как без использования охлаждающего кожуха (температура устройства = 28 °С), так и при включенной охлаждающей системе (температура варьировалась от 22 °С до 16 °С с шагом в 2 °С). Данный диапазон был признан достаточным для стандартной работы детектора.
Временное разрешение схемы совпадений
Временное разрешение схемы совпадений детекторного модуля измерялось путем помещения его в режим совпадения с быстрым детектором, включающим в себя LSO сцинтиллятор с размером 1 см3 соединенный со стеклянным фотоэлектронным умножителем Hamamatsu R2496 PMT (Hamamatsu Photonics, Япония). Распространение времени прохождения электронов этого устройства составляет 600 пс - длительность импульса на уровне половины амплитуды. Между детекторным модулем и быстрым детектором (расстояние = 3 см) были помещены 3 дисковых источника 4.5 мкКюри 22Na. Входные сигналы от SiФЭУ и ФЭУ были подсоединены к усилителю- дискриминатору (модель 6951, Philips Scientific). Полученные импульсы были переданы на TDC преобразователь "время-цифровой код" (ATMD-GPX, ACAM Electronics, Германия). Сигнал от быстрого детектора был стартовым сигналом, а сигнал с детекторного модуля был стоп-сигналом. Временное разрешение схемы совпадений было рассчитано путем сопоставления полученного распределения с функцией Гаусса. Усредненная длительность импульса на уровне половины амплитуды (с поправкой на распространение времени прохождения ФЭУ, используемого для получения сигнала запуска) является временным разрешением схемы совпадений модуля.
Результаты
График показанный на рисунке 6(а) демонстрирует уменьшение темнового тока при снижении температуры. Как можно видеть на графике, проведя аппроксимирующую прямую, зависимость темнового тока от температуры линейная в этом температурном диапазоне. На рисунке 6(б) показан график зависимости коэффициента усиления от температуры матрицы SiФЭУ ArraySL-4, рассчитанного из данных SensL.
Рис. 6. Результаты измерения темнового тока (а) и расчета коэффициента усиления (б) в зависимости от температуры
Коэффициент усиления растет при понижении температуры, т.к. он непосредственно связан с перенапряжением, которое увеличивается при снижении температуры (при условии постоянного напряжения смещения). На рисунке 7(а) показана карта пикселей. Важно отметить, что все 26х58 LYSO детекторные элементы матрицы сцинтиллятора различимы, даже на гранях и в месте стыка двух матриц. Этот вывод имеет важное значение, так как идентификация элементов в этих районах может быть сложной задачей. На рисунке 7 (б) показан профиль интенсивности одного ряда пиксельной карты показанной на рисунке 7(а). Коэффициент контрастности и энергетическое разрешение были измерены с пиксельных карт схожих с показанной на рисунке 7. На рисунке 8(а) показан график зависимости коэффициента контрастности от температуры. На рисунке 8(б) показана зависимость энергетического разрешения от температуры. Наконец, на рисунке 9(а) показаны рассчитанные кривые временного разрешения схемы совпадений, на рисунке 9(б) результаты измерений временного разрешения схемы совпадений. Кривая соответствует функции TRes=M1+M2e(M3T), где M1 это независимый от температуры компонент временного разрешения схемы совпадений модуля (TRes), M2 - это амплитуда экспоненциального компонента временного разрешения, М3 – это температурный коэффициент временного отклика и Т – это температура на SiФЭУ. Лучшее временное разрешение полученное на этом детекторе составляет примерно 2112 пс (значение независимого от температуры компонента кривой), что лишь немногим меньше нашего измеренного значения 2115 пс при 16°С. Довольно проблематично привести результаты измерений других групп исследователей ввиду большого количества вариантов устройств и методов измерений. Результаты групп исследователей, занимавшихся измерением временного разрешения SiФЭУ детекторов в паре с LYSO сцинтиллятором, варьируются в пределах от 120 пс до 1500 пс. Необходимо заметить, что ни одно из этих исследований не проводилось на основе матрицы SiФЭУ SensL ArraySL-4p9.
Рис. 7. (а) Карта пикселей детектора при температуре 16 °С. (б) Профиль интенсивности центрального ряда (обозначен белой линией) карты показанной на (а)
Рис. 8 (а) Средняя зависимость степени контрастности максимального и минимального значения сцинтилляционной вспышки от температуры (планки погрешностей показывают стандартное отклонение от среднего значения коэффициента контрастности (б) зависимость энергетического разрешения от температуры.
Рис.9 (а) Рассчитанные кривые временного разрешения схемы совпадений и (б) зависимость временного разрешения схемы совпадений от температуры.
Выводы
После изобретения SiФЭУ стало возможным производство ПЭТ детекторов неподверженных воздействию сильных магнитных полей. Тем не менее коммерчески доступные матрицы SiФЭУ не обладают достаточными размерами для создания ПЭТ сканеров с широким углом обзора. Таким образом, для того чтобы получить крупные блоки, необходимо использовать большое количество соединенных между собой матриц SiФЭУ. В данном исследовании был разработан и протестирован детекторный модуль на основе SiФЭУ, который будет использоваться в качестве встраиваемого блока для планируемого небольшого ПЭТ сканера животных.
На рисунке 1 показан детектор и электронные компоненты устройства. Завершенный ПЭТ детекторный модуль с охлаждающей системой вы можете видеть на рисунке 2. Эта система способна производить практически равномерное охлаждение матриц SiФЭУ, как вы можете видеть из инфракрасного изображения устройства на рисунке 3, что очень важно для поддержания постоянной производительности активной области детектора. Все компоненты детектора, включая электронику, показанную на рисунке 4 и 5 и охлаждающую систему, можно масштабировать для создания больших детекторных модулей. Данные показанные на рисунке 6 демонстрируют, что понижение температуры способствует увеличению коэффициента усиления и уменьшению темнового тока. Темновой ток имеет линейную зависимость от температуры на всем тестируемом диапазоне (вы можете видеть на графике, показанном на рисунке 6(а)) с отклонением 2 мкА/°С. Охлаждение SiФЭУ отводит энергию с устройства, понижая вероятность возникновения спонтанных электронно-дырочных пар, следовательно, темновой ток уменьшается. Увеличение коэффициента усиления с понижением температуры (рисунок 6(б)) происходит из-за уменьшения напряжения пробоя, которое связано с уменьшением вероятности фонон-электронного взаимодействия при низких температурах. Пока напряжение смещения остается постоянным, перенапряжение и, следовательно, коэффициент усиления устройства растут. Следует отметить, что снижение темнового тока немного смещается при увеличении коэффициента усиления (темновой ток усиливается по тому же принципу, что и сигнал). Для компенсирования понижения коэффициента усиления за счет увеличения температуры (из-за рассеиваемой мощности SiФЭУ и считывающей электроники) вместо охлаждения возможно использовать метод увеличения напряжения смещения. Этот метод, однако, не затрагивает увеличение темнового тока из-за высоких температур. Большие матрицы SiФЭУ (288 в случае нашего модуля) с мультиплексной электроникой считывания особенно восприимчивы к эффектам увеличения темнового тока, т.к. сигнал с каждого SiФЭУ делает свой вклад в шумы детектора. Таким образом, охлаждение считается лучшим способом улучшить и стабилизировать работу рассматриваемого детектора.
Карта пикселей изображенная на рисунке 7 показывает, что все элементы детектора различимы, даже те, которые находятся на краях матрицы сцинтилляторов. Невозможность идентификации всех элементов сцинтиллятора часто связана с сокращением эффективности обнаружения на краях фотоприемника. В рассматриваемом детекторе две матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9 приблизительно на 2.5 мм шире и длиннее матрицы сцинтиллятора. Таким образом возможность эффективного считывания крайних элементов сцинтиллятора обуславливается нахождением сцинтилляционной матрицы в пределах активной области SiФЭУ. Такое отсутствие слепых зон детектора сокращает возможное ухудшение чувствительности на стыке двух соседних модулей при реализации их в виде конструкции кольцевого сканера, уменьшая помехи, вызываемые неполной угловой выборкой. Другая важная находка карты пикселей в том, что были обнаружены элементы сцинтиллятора, находящиеся в месте стыка двух матриц SiФЭУ ArraySL-4p9. Из этого следует, что у данного детектора нет слепых зон. Это стало возможным благодаря использованию двухмиллиметрового акрилового световода, который распространяет свет от сцинтиллятора в тех местах где нет SiФЭУ в сторону активной области устройства. Увеличение коэффициента усиления и сокращение темнового тока за счет охлаждения также делает свой вклад в обнаружение фотонов, появляющихся в месте стыка двух матриц SiФЭУ. Успех такой конструкции означает то, что теоретически возможно реализовать конструкцию с большим количеством матриц SiФЭУ для создания крупных детекторных модулей.
Возможно, лучший способ выяснить насколько увеличенный сигнал и пониженный уровень шума влияет на производительность детектора это оценить точность, с которой события локализуются в массиве сцинтиллятора. Чтобы охарактеризовать эту величину мы вычислили средний коэффициент контрастности максимального и минимального значения сцинтилляционной вспышки для модуля. Результаты показанные на рисунке 8(а) демонстрируют, что значение этого коэффициента вырастает примерно на 45% при понижении температуры с 28° С до 16 °С. Как было описано выше охлаждение детектора увеличивает коэффициент усиления и сокращает значение темнового тока, тем самым амплитуда сигнала повышается, а уровень шума снижается. Так как эти сигналы используются для вычисления местоположения события в массиве сцинтиллятора с алгоритмом центром масс, более высокие амплитудные сигналы при низких шумах делают эти расчеты точнее. Хотя увеличение коэффициента контрастности максимального и минимального значения сцинтилляционной вспышки должно привести к улучшению пространственного разрешения, но все же это не является прямым показателем данного параметра. В конечном счете, улучшение пространственного разрешения в результате охлаждения SiФЭУ может быть оценено только после того как будет получен опытный образец сканера.
Увеличенная амплитуда сигнала и пониженный уровень шума полученные за счет охлаждения модуля также улучшают показатель энергетического разрешения, т.к. коэффициент усиления тоже возрастает. Результаты на рисунке 8 (б) подтверждают, что показатель энергетического разрешения изменился с 18.8 % при температуре 28°С до 17.7% при температуре 16°С для излучения 511 кэВ. Это небольшие изменения в исследуемом интервале температур, вероятно, возникают из-за того, что на энергетическое разрешение модуля влияют различия светового выхода из 1508 отдельных сцинтилляционных элементов и небольшие различия в коэффициенте усиления среди 288 отдельных SiФЭУ. Ни один из этих эффектов не имеет сильной зависимости от температуры. Результаты показанные на рисунке 9 демонстрируют то, что охлаждение SiФЭУ улучшает временное разрешение схемы совпадения рассматриваемого детекторного модуля. Временное разрешение схемы совпадения невелико по сравнению с показаниями других исследователей SiФЭУ. Например, группа исследователей под руководством Сейферта докладывает о самом лучшем показателе временного разрешения в 171 пс. В отличие от рассматриваемого в данной статье исследования, они использовали монолитный LYSO сцинтиллятор размером 3х3 мм2, соединенный с единичным SiФЭУ Hamamatsu (в отличие от матрицы SiФЭУ и матричного сцинтиллятора). Действительно, почти все показатели временного разрешения схемы совпадений, о которых рассказывается в научных изданиях, рассчитаны для единичного или небольшого соединения SiФЭУ со сцинтилляционной матрицей, в отличие от наших результатов для массива из 26х58 элементов LYSO сцинтиллятора с размерами 1.5 х 1.5 мм2 каждый (в общей сложности размер сцинтиллятора 41х91 мм2), соединенного с 288-ю SiФЭУ. Этот эффект исследовала группа ученых под руководством Шимицу, они сравнивали временное разрешение схемы совпадения единичного SiФЭУ и матрицы SiФЭУ. В частности, временное разрешение схемы совпадения комбинации для единичного SiФЭУ (MPPC) и сцинтиллятора (кристалл сцинтиллятора с размерами 5х5х20 мм3) составляло 354 пс, а для матрицы с 8х8 элементами SiФЭУ этот показатель увеличивался до 1208 пс. Это увеличение временного разрешения схемы совпадения для больших матриц обусловлено, по крайней мере, частично выбором схемы считывания и отсутствием широкой временной калибровки модуля.
Наши результаты показывают, что временное разрешение схемы совпадений имеет как температурно-независимый компонент, так и компонент экспоненциально зависимый от температуры. Наиболее предпочтительное объяснение температурной зависимости связано с фактом того, что при понижении температуры коэффициент усиления матрицы SiФЭУ увеличивается, что увеличивает эффективность регистрации фотонов (PDE – photon detection efficiency). Эффективность регистрации фотонов оказывает большое влияние на временное разрешение схемы совпадений. Другой эффект, возникающий при понижении температуры — это снижение темнового тока, которое также влияет на временное разрешение. Температурно-независимый компонент оказывает основное влияние на временное разрешение матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9. Поскольку временное разрешение схемы совпадений зависит от длины сцинтилляционного элемента, качества обработки его поверхности и присутствия световода толщиной 2 мм, большая часть независимого от температуры компонента обусловлена взаимодействием внутренней емкости SiФЭУ со схемой мультиплексного считывания. В частности, это взаимодействие влияет на время нарастания выходных импульсов, что ухудшает временное разрешение. Таким образом, как мы уже показали, показатели временного разрешения схемы совпадений нашего детекторного модуля могут быть немного улучшены за счет снижения температуры. Значительное улучшение временного разрешения схемы совпадений потребует изменение конструкции матрицы SiФЭУ ArraySL-4p9, считывающей электроники (возможно, с использованием специализированных СБИС) и временную калибровку модуля.
В итоге, был создан ПЭТ детектор с большим углом обзора на основе матрицы кремниевых фотоумножителей SensL ArraySL-4p9. Модуль имеет как охлаждающую систему, так и специальную электронику для считывания и обработки поступающих с детектора сигналов. Производительность по оценке измерения некоторых соответствующих показателей была многообещающая. Следующий шаг – это объединение 12-ти модулей в форме кольца для небольшого ПЭТ сканера для животных в составе МРТ сканера с величиной индукции магнитного поля в 3 Тл.
