具有间隙反射膜的稀疏SiPM阵列PET探测器性能评估

正电子发射断层成像仪(positron emission tomography,PET)通常采用模块化闪烁探测器,由闪烁晶体阵列耦合光电传感器阵列构成。近年来硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SiPM)广泛应用于PET。虽然SiPM紧密排列可以获得较好性能,但是稀疏排列可以有效降低成本,获得较高性价比。该文采用SensL公司MicroFB-30035-SMT芯片自主拼接了一款8×8的稀疏SiPM阵列,阵列面积为33.7mm×33.7mm,SiPM芯片尺寸为3.16mm×3.16mm,即阵列间隙面积比例为44%。基于该稀疏SiPM阵列,开发了一款具有作用深度信息的双层错位LYSO晶体PET探测器模块。SiPM间隙为探测死区,将造成光损失。该文评估了在SiPM间隙粘贴增强型镜面反射膜(enhanced specular reflector,ESR)后对探测器性能的影响。在室温下采集了有无间隙反射膜2种情况下的泛场图像。开发了定量评估方法,评估了探测器的光电峰、能量分辨率和晶体响应均方根误差。结果表明:SiPM间隙粘贴反射膜提高光收集量25.5%,将探测器的能量分辨率由13.48%优化到12.80%;泛场图像质量也有了提升,即改善了探测器固有空间分辨率。     

闪烁晶体探测器技术在正电子断层扫描中的应用

分析了晶体探测器的原理、结构和性能及其发展趋势,阐述了它在正电子断层扫描中的重要地位.在分析和比较不同类型的快闪烁晶体在PET探测器领域的发展基础上着重论述了更先进的晶体LYSO.采用通过光导将LYSO晶体耦合在位置灵敏型光电倍增管上的探头组成方式,这是一种新的闪烁晶体探测器技术,提高了探头的探测效率.     

籽晶保护条件下铈掺杂溴化镧晶体生长及其性能

为定向生长出铈掺杂溴化镧（LaBr3:Ce）晶体,改进了坩埚下降法,并在籽晶接种过程引进冷却气体的保护装置。生长出的LaBr3:Ce晶体在137Cs放射源辐照下,其能量分辨率为3.08%,衰减时间为20.1 ns。采用多通道DRS4采集系统,以XP20D0型光电倍增管耦合 Ф 20 mm×5 mm 溴化镧器件作为开始道探测器,H8500型光电倍增管耦合LaBr3:Ce阵列作为被测停止道探测器,放射源为22Na（511 keV）。制备了6×6的LaBr3:Ce阵列,单根晶体条的尺寸为2 mm×2 mm×15 mm。利用数字化波形分析法,获得阵列的清晰二维散点图和一维位置谱,阵列x和y方向的位置分辨率分别为1.01 mm和0.89 mm。制备出的LaBr3:Ce晶体具有优异的能量分辨率和位置分辨率,可以应用于PET等医学成像技术领域。     

基于GATE程序的MicroSPECT成像系统并行化Monte Carlo模拟

MicroSPECT(micro single photon emission computed tomography)是专用于小动物成像的分子核医学设备。为了准确研究复杂放射源分布条件下光子在MicroSPECT成像系统中的输运过程,使用GATE程序模拟了基于H8500位置灵敏光电倍增管和针孔准直器的MicroSPECT系统,并在清华高性能计算集群上实现了GATE程序的并行化模拟。通过并行计算有效地提高了模拟速度,分别获得了点源、线源、Derenzo模型、Moby模型的投影数据及用于迭代断层图像重建的系统点扩展函数(point spread function,PSF)数据。     

光子在LYSO晶体中传输的Monte Carlo模拟

为了获得PET探测器设计中闪烁晶体表面不同处理方式对探测效率的影响,使用DETECT2000对光子在LYSO(Lu1.9Y0.1SiO5∶Ce,硅酸镥)晶体中的光学输运特性进行了蒙特卡罗模拟.探测器由一个4 mm×4 mm×25 mm的LYSO晶体与一个PMT耦合组成.模拟结果显示:入射面为粗糙面(漫反射面),其余均为抛光面并在外层(入射面和与PMT耦合的面除外)包有反射介质。反射介质的反射率越高,则探测效率越高,并且其探测效率是晶体所有表面作抛光处理方式的1.6倍.在探测器设计过程中,需要选取反射率大于0.98的反射介质作为反射层.     

高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势,进而控制NMOS管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD,选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400～700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED作为光源,当输出光功率密度P_(opt)=5 mW/cm~2、漏源偏压V_(DS)=0.4 V时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过10~3A/W.与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.     

能谱探测效率影响的模拟计算

用蒙特卡罗方法模拟计算了闪烁晶体的长度以及源到探测器之间的距离对能谱探测效率的影响，避免了实际测量时的盲目摸索。模拟结果表明：光电峰效率与闪烁晶体的长度有关，但对源到探测器的距离变化不敏感。     

国产 LaBr3：Ce 晶体性能表征

作为近年来发展起来的新晶体,LaBr3:Ce有着很高的发光产额(~60 000p·MeV-1)和较快的发光衰减时间常数(~16ns),因而成为研究热点.国内对LaBr3:Ce晶体的研究生产时间不长,仅有少数几家单位具备生产研究条件.本工作采用北京华凯龙电子有限公司生产的LaBr3:Ce晶体(晶体尺寸为φ30mm×20mm),配合XP20D0光电倍增管,采用单光电子方法测量得到其光电子产额为16 800pe·MeV-1;测量了其发光衰减曲线,计算得到其上升时间为5.6ns,发光衰减时间常数为21ns;其对137 Cs的能量分辨率为3.3%;采用两块φ30 mm×20 mm的LaBr3:Ce晶体与两只XP20D0光电倍增管,测量得到对22 Na的符合时间分辨率为191ps;这些表征为国产LaBr3:Ce晶体的γ谱仪研究提供了重要参考.     

光电倍增管在物理实验中的应用研究

光电倍增管（Photo Multiplier Tube）简称PMT,是灵敏度极高,响应速度极快的光探测器,可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、光栅光谱仪等仪器设备中。在我们的物理实验中就有如下几个实验应用了光电倍增管：如单色仪测玻璃的透射率、单光子计数、原子光谱和激光喇曼。     

2D位敏核探测器检测平台研究

为了确保2D位敏核探测器的成像性能,需要对探测器各个像素通道进行增益标定和刻度匹配,为此对2D位敏核探测器检测平台进行研究,设计开发了基于激光光源的二维平面光学检测平台。实验证明了该检测平台能够准确的刻度光电倍增管(PMT)元件各个通道的增益差异,为组装匹配和电子学调试提供数据支持。