Оценка производительности новых кремниевых фотоумножителей для медицинской визуализации

I Введение

Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей компактны и чувствительны к единичным фотонам. Si-ФЭУ широко используются для медицинской визуализации, например в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), а также в однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). 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 спектры излучений этих сцинтилляторов неудовлетворительно совпадают с кривыми поглощения детекторов на основе Si-ФЭУ типа N на P. Этот факт стал причиной разработок детекторов на основе Si-ФЭУ типа P на N, т.к. в этом случае пик поглощения Si-ФЭУ должен сдвигаться в сторону более коротких длин волн.

Недавно были получены 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.

II Сцинтилляторы для медицинской визуализации

Необходимость получения изображений высокого качества, особенно в медицине, предъявляет высокие требования к сцинтилляторам, а также к сопутствующим детекторам и электронике. Сцинтилляторы должны обладать высоким световыходом, быстрым откликом, малым временем затухания сцинтилляций, высокой эффективностью поглощения ионизирующего излучения, а также хорошей химической стабильностью; кроме того, сцинтиллятор не должен сам быть 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.

А Сцинтиллятор Ce:GAGG

Сцинтилляционные характеристики кристаллов Ce:GAGG, выращенных по методу Чохральского, впервые были изучены в 2011 году. Предварительные исследования энергетического разрешения и временных характеристик GAGG кристаллов были проведены с использованием различных типов детекторов для регистрации фотонов (вакуумные ФЭУ, кремниевые фотоумножители, PIN-фотодиоды). Исследования показали, что кристаллы Ce:GAGG являются очень многообещающими для таких приложений как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация. На рисунке 1 показана фотография сцинтилляционных кристаллов GAGG с габаритами 3x3x30 мм³ компании Furukawa , а также детектор на основе Si-ФЭУ с площадью активной области 3x3 мм² компании SensL. Все грани сцинтилляционных кристаллов были отполированы, а пятая грань каждого кристалла была покрыта белым отражающим покрытием.

Пик излучения использовавшихся сцинтилляторов Ce:GAGG лежал в области 520- 530 нм, а световыход сцинтилляторов составлял 33100 фотонов/МэВ и 46000 фотонов/МэВ. Заявленный компанией Furukawa световыход составляет 60000 фотонов/МэВ. Энергетическое разрешение использовавшихся сцинтилляторов составляло 5.2%. Сравнительные характеристики сцинтилляторов Ce:GAGG, LYSO и BGO (Bismuth Germanate, германат висмута ) представлены в таблице 1.

Таблица 1  Сравнительные характеристики сцинтилляторов

B Детекторы на основе Si-ФЭУ

Детекторы на основе кремниевых фотоумножителей являются подходящей заменой традиционным вакуумным ФЭУ, применяемым для медицинской визуализации с момента их изобретения. Кроме того, детекторные платформы на основе Si-ФЭУ являются ключевыми устройствами в разработках гибридных сканеров ПЭТ/МРТ (магнитно-резонансная томография), т.к. такие детекторы невосприимчивы к сильным магнитным полям, использующимся в МРТ. 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 использовавшихся детектора содержали 4774 микроячеек, площадь каждой из которых составляла 35x35 мкм² при коэффициенте заполнения 64%. Параметры детекторов приведены в таблице 2.

Таблица 2  Сравнительные характеристики детекторов на основе Si- ФЭУ

III Экспериментальная часть

Сцинтилляционные кристаллы и детекторы на основе Si-ФЭУ были прецизионно состыкованы друг с другом при помощи механического держателя, позволяющего осуществлять быструю и надежную замену как сцинтилляционного кристалла, так и Si-ФЭУ. На рисунке 2 показана фотография одного из GAGG кристаллов 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, покрытой белым отражающим покрытием. Детектор на основе Si-ФЭУ в корпусе SMT (Surface Mount Technology) залит сверху эпоксидной смолой для защиты поверхности кремния и проволочных контактов. Сцинтиллятор был оптически состыкован с поверхностью эпоксидной смолы на детекторе с помощью оптической смазки. Однако отражение на местах стыков будет уменьшать число фотонов, достигающих детектор, 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 помещались в климатическую камеру HT 4004 компании Votsch (Германия). Камера позволяла проводить измерения в темноте и контролировать температуру окружающей среды. Все испытания проводились при +20 C. Температура в камере контролировалась при помощи термопары, расположенной в непосредственной близости к детектору на основе Si-ФЭУ.

A Вольт-амперные характеристики

На рисунке 3 показаны 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 С. 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 Si-ФЭУ типа N на P имеет напряжение пробоя равное 27 В.

B Спектральная чувствительность

На рисунке 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 . 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.

C Энергетическое разрешение

На рисунке 5 показано 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 С 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 рисунке 5, равно 12.9%. При построении амплитудного распределения импульсов не были учтены эффекты перекрёстных помех, послесвечения и темнового счета. Из-за этих эффектов вычисленное значение эффективности детектирования фотонов, а следовательно и значение энергетического разрешения, могут быть завышены.

D Зависимость энергетического разрешения от избыточного напряжения смещения

На рисунке 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.

E Линейность отклика

Линейность отклика и динамический диапазон детекторов на основе Si-ФЭУ определяются эффективностью регистрации фотонов (photon detection efficiency (PDE)) и суммарным числом микроячеек. 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 3x3 мм² 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 рисунке 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, M-константы.

Однако в пределах динамического диапазона Si-ФЭУ эта зависимость линейная.

IV Заключение и выводы

Сцинтилляционные характеристики кристаллов GAGG, легированных церием, отвечают требованиям, предъявляемым такими приложениями как гамма-спектроскопия и медицинская визуализация. Высокий световыход, а также положение пика спектра излучения (530 нм) делают этот материал идеально подходящим для использования в детекторе на основе Si-ФЭУ. Высокий световой выход очень важен для уменьшения размера установок ПЭТ. В дополнение к прогрессу в области сцинтилляционных материалов, значительный прогресс был также достигнут 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 3x3 мм² и положениями пиков на спектрах чувствительности на 500 нм (для Si-ФЭУ типа N на P) и 420 нм (для 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. В дополнение, оба типа Si-ФЭУ демонстрируют превосходную линейность зависимости отклика детекторов от энергии гамма-квантов вплоть до энергии 662 кэВ.