用于高分辨率 PET探测器的LSO闪烁晶体的研究

LSO晶体具有密度大光输出量强和衰减时间短的特性使其成为在PET探测器领域的应用潜在的闪烁晶体材料.按照辐射成象系统应用的性能要求我们对LSO晶体的闪烁特性进行了评价.为了获取较高的光输出量,研究和验证了许许多多的晶体表面的状况对光输出量的影响.对于单个LSO晶体和R5900-00-C12位敏管相耦合的系统,钠伽马射线源的511keV的能量峰处的能量分辨率为15%,时间分辨率为0.65ns,最后对三个LSO阵列分别成象验证了其空间分辨本领.     

PET用新型深度编码探测器设计

平行性问题或作用深度问题影响着正电子放射层析系统(PET)的成象分辨率。本文提出和评价了一种二阶深度编码探测器,这个探测器是由两层LSO晶体和位置灵敏型光电倍增管(PS-PMT)组成,上层的晶体相对于下层的晶体的位置在X和Y方向上都有半个晶体阵列单元的错位,因为每个晶体的输出光的重心位置分布在PS-PMT上不同的位置,所以通过计算其重心位置就可在象平面上区别开每个晶体。根据PET系统的应用要求,我们验证了探测器的性能。伽马射线垂直入射时,上层晶体阵列的固有空间分辨率为1.15mmFWHM,下层晶体列阵为1.34mm FWHM.钠伽马辐射源的511keV能量峰处的平均能量分辨率对于下层晶体为19.7%,上层为23.6%.通过类似的技术亦可实现3阶、4阶深度编码探测器。     

PET探测器技术的新进展

PET设备中探测器的研发, 一直是很活跃且具有高创新性的领域。 提高现有基于闪烁晶体探测器的性能, 研究适用于多模式成像设备（PET/CT和PET/MRI）的新型探测器, 满足TOF和DOI技术的需求并促进其发展应用, 构成PET探测器的几个主要研究方向。 介绍了PET探测器在闪烁晶体、 光电探测器和半导体探测器等方面的最新进展, 指出未来最有潜力的探测器设计方案。 The research on PET detector is a very active and highly innovative field. The main research interests of PET detector include improving performances of scintillation crystal detectors, investigating new detectors being suitable for multimodality imaging (e.g., PET/CT and PET/MRI), meeting needs of TOF and DOI technologies in order to promote their development and application. In this paper, new developments in PET detector technology about scintillation crystal, photodetector and semiconductor detector are introduced and the most potential detector design scheme in the future is brought forward.     

新型位置灵敏光电倍增管的性能测量

位置灵敏型光电倍增管(PS-PMT)代表了基于单个管子的原理开发新概念γ相机的技术进步.最近,日本滨松公司出品了一种新型紧凑型的PSPMT—R7600-C12.根据正电子放射断层成像系统(PET)的应用特点,我们测试了由该PS-PMT组合成的闪烁晶体阵列探测器的空间分辨率、空间线性度、增益均匀性及时间分辨率LSO与该PS-PMT的组合空间分辨率达到1.4mm,而且显示出良好的空间线性、增益均匀性及优异的时间分辨特性.     

双色量子阱红外探测器顶部光子晶体耦合层的设计优化

采用三维时域有限差分算法(3D-FDTD)对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIP)的顶部光子晶体光输入耦合层结构的电磁场分布进行了仿真分析,得到了多种不同周期、占空比、深度的二维光子晶体结构耦合效率及电磁场分布.探索了一种双色探测器的光子晶体光输入耦合层结构的设计思路,使之可对中波/长波或长波双色8/12 μm同时提供较高的耦合效率. 关键词： 红外探测器 量子阱 光子晶体     

基于光子晶体的一维位置敏感探测器

位置敏感探测器（PSD）是基于半导体的横向光电效应的光电转换器件。根据横向光电效应的原理,增强光生载流子的寿命可提高光生载流子的扩散长度,从而实现横向光电效应的增强。利用缺陷和完整光子晶体设计了一维位置敏感探测器,并用传输矩阵法计算了缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率。从所设计的位置敏感探测器对入射光的响应理论研究表明,提高缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率可提高光生载流子的寿命,从而实现增强位置敏感探测器的横向光电效应。     

基于光子晶体的一维位置敏感探测器

位置敏感探测器（PSD）是基于半导体的横向光电效应的光电转换器件。根据横向光电效应的原理,增强光生载流子的寿命可提高光生载流子的扩散长度,从而实现横向光电效应的增强。利用缺陷和完整光子晶体设计了一维位置敏感探测器,并用传输矩阵法计算了缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率。从所设计的位置敏感探测器对入射光的响应理论研究表明,提高缺陷光子晶体的透射率和完整光子晶体的反射率可提高光生载流子的寿命,从而实现增强位置敏感探测器的横向光电效应。     

基于蛇形光路的PET探测器作用深度提取方法

为实现正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)探测器的作用深度(Depth Of Interaction,DOI)信息获取,本文提出一种基于分光技术的探测器设计方案.探测器采用晶体单元与硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)一对一耦合、蛇形光路的设计和单端Anger加权读出方法进行DOI解码.基于GATE软件进行蒙特卡罗模拟,建立8×1的LSO晶体阵列(单根晶体尺寸3.1×3.1×20mm3);模拟泛场照射获取位置查找表;并进行不同深度的模拟,获得各晶体在各深度的空间分辨率.结果显示所模拟的探测器模块DOI分辨率在1.0~6.7mm之间,平均值为3.2mm.本文提出的基于蛇形光路的PET探测器方案能在维持系统成本和复杂度的前提下实现DOI解码,提升PET系统的成像性能.     

正电子放射层析成象系统设计的计算机模拟

在一个简单实用的数学模型基础上,利用现代计算机技术对正电子放射层析成象系统(PET)进行了模拟,并详细讨论了闪烁晶体材料的物理、几何特性以及探测器环直径的大小对于PET系统的空间分辨率的影响.本文所得的结论对于开发和设计PET系统来说,是非常有用的.     

频谱编码深度成像实验研究

频谱编码显微镜是用衍射光栅和光谱分析装置来获得显微图像.样品上不同的位置被不同的波长照明,通过对反射光光谱进行解码来得到空间信息.搭建了一个基于超连续光源和自制光谱仪的频谱编码显微成像系统,其横向分辨率为1.72±0.13μm(编码线方向)和1.26±0.08μm(垂直于编码线方向),测得不同横向位置处的轴向分辨率有差异.对离体猪肝组织不同部位进行了成像(可见血管、肝窦内皮细胞和肝细胞);对鸡心组织以10μm深度间隔进行成像,测得不同深度处结构信息不一样.结果表明,采用该频谱编码成像的方法能够进行高分辨的深度成像.     

新型太阳中微子闪烁探测器的研制

概述了一种新型太阳中微子闪烁探测器的研制,其中载钆(Gd)液体闪烁体的Gd浓度达到5%、光的衰减长度≥150cm、对60keV的Gamma-ray之能量分辨率为21%(σ);直径1cm、厚3cm的GSO:Ce晶体,其发光产额约为NaI(Tl)晶体的20%、光的衰减时间为60ns、对662keVGamma-ray之能量分辨率为9.2%(σ).文章讨论了由这两种闪烁体构成的复合探测器的特点及作为太阳中微子探测器其本底的降低措施.对直径10cm、厚50cm的这种复合探测器的模拟计算表明其光的收集效率可达20%.     

微悬臂梁探测器的理论模型及优化设计

对基于微悬臂梁的光学和红外探测技术进行了理论分析,并建立了相应的理论模型,在此基础上对该类探测器进行了优化设计,包括：微悬臂梁材料的优化选择、金属镀膜材料及厚度的优化选择以及光辐射吸收层材料的选择。最终给出了一种新型的三层结构微悬臂梁探测器,理论上这种新型结构的探测器比现报道的同类探测器灵敏度高出20多倍,噪声等效功率降低了85％－70％。     

ZnO单晶和BeZnO合金的生长及其紫外探测器研究

用分子束外延(MBE)的方法在c面蓝宝石衬底上生长出了高质量的ZnO单晶薄膜和BexZn1-xO合金薄膜。X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明,合金材料中Be元素的摩尔分数分别为1.8%、4.9%、8.0%和15.3%。在此基础上制备了ZnO基和BexZn1-xO基的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器。ZnO单晶探测器的响应波长为375nm,在1V电压下,350nm处的光响应度高达43A/W,光电流和暗电流之比达到105量级。在BexZn1-xO基紫外探测器中,其截止响应波长随着合金中Be含量的增加逐渐蓝移,其中Be0.153-Zn0.847O合金探测器的截止响应波长为366nm,紫外波段和可见波段的光电流之比达到2~3个数量级,具有良好的信噪比。此外,提出了氧气等离子体表面处理降低探测器暗电流的方法,并使ZnO单晶探测器的暗电流降低了4个数量级。     

暗物质寻找实验中CsI(Tl)晶体反符合探测器实验研究

一个正在建设的位于韩国Y2L地下实验室的低能暗物质探测实验中, 采用了CsI(Tl)晶体反符合探测器作为主动屏蔽体. 本工作对CsI(Tl)晶体反符合探测器的实验性能进行了研究. 通过FADC系统记录的脉冲波形数据, 研究了探测器的能量分辨率和波形甄别的能力; 研究相同能量γ射线入射到反符合探测器不同位置的相对光输出将有助于选择探测器的工作参数; 为了解晶体自身放射性对暗物质测量的影响, 利用低本底HPGe探测器对CsI(Tl)晶体内部的放射性进行了测量, 得到晶体内部Cs同位素的放射性活度. 探测器系统进行了约18d的试运行取数. 实验数据表明, CsI(Tl)晶体探测器的反符合效率约为31% HPGe探测器的本底计数率水平约为133cpd. 为了进行暗物质探测研究, 需要采取有效的方法进一步降低探测器的本底水平.     

高分辨率及高灵敏度小动物PET研究进展

作为一种高灵敏度且具有定量测量能力的功能分子影像技术,小动物PET越来越广泛地用于各种生物医学研究,例如疾病动物模型研究、新药物研发和新治疗方法评估等。首先回顾小动物PET成像系统的发展历史、效率和空间分辨率等性能的改进和产业化;其次,讨论了影响PET空间分辨率和效率的各种因素,包括晶体大小、探测器几何、正电子射程、光子非共线效应、图像重建算法和阻碍PET系统同时达到高空间分辨率和高效率的相互作用深度不确定效应;最后,介绍了小动物PET成像系统在以下几个方面的取得的最新进展:（1）高密度、小的光衰减常数和高光产额的闪烁晶体;（2）体积小、增益大、时间性能好、工作电压低和磁兼容的新型硅光电倍增管光探测器;（3）各种深度测量PET探测器,详细介绍了一个可达到分辨0.43 mm×0.43 mm×20 mm晶格和达到2.4 mm深度分辨率的双端读出探测器;（4）使用深度测量探测器的小动物PET成像系统,详细介绍了一个使用高分辨率双端读出探测器,全视野达到0.55 mm平均位置分辨率的小动物PET原型系统;（5）磁兼容插件式小动物PET成像系统和PET/MRI同时成像的优点;（6）小动物PET图像重建和数据校正的特点、传统的滤波反投影算法和新的迭代算法的优缺点和PET图像重建算法未来的发展方向。As the most sensitive and quantitative molecular imaging technique,small animal positron emission tomography (PET) has become a widely used tool in biomedical research such as in animal model of human disease,development of new drugs and the evaluation of new therapeutics.In this paper,first the history,the efforts to improve the spatial resolution and sensitivity as well as the commercialization process of small animal PET scanner are reviewed.Then the factors that affect the spatial resolution and sensitivity of PET scanner such as crystal size,detector geometry,positron range,photon noncollinearity and imaging reconstruction are discussed in detail.The depth of interaction effect which hinders the simultaneous achievement of PET spatial resolution and sensitivity are also discussed.Finally the recent progress made in the following areas of small animal PET instrumentation are introduced:(1) high density,short light decay constant and bright scintillator,(2) compact,high gain,good timing resolution,low bias voltage and MRI compatible silicon photomultiplier,(3) depth encoding detectors by using different methods,a detector using dual-ended readout,identifying 0.43 mm×0.43 mm×20 mm crystals and achieving a 2.4 mm depth of interaction resolution was introduced in detail,(4) small animal PET scanners using depth encoding detectors,a prototype scanner using high resolution dualended readout detectors and achieving an average of 0.55 mm spatial resolution in the whole field of view was introduced in detail.(5) MRI compatible small animal PET inserts and the advantage of simultaneous PET/MRI imaging,(6) image reconstruction and data correction of small animal PET,the filter back projection and iterative reconstruction algorithms are compared and a few key directions of PET image reconstruction will be presented.     

用于液晶取向的掺偶氮类染料的光诱导取向膜

介绍了一种使用聚酰亚胺和偶氮类染料进行液晶光诱导取向技术,深入研究了代号为SY04包含两个偶氮基团的新偶氮类染料.通过对取向膜偏振吸收光谱的分析,讨论了这种混合材料光诱导取向机理.由于聚酰亚胺良好的成膜性使得这种光诱导取向膜具有很好的稳定性,偶氮类染料的引入使得液晶表面取向更加有序,从而获得了响应快速,电光特性优良的液晶盒.这种取向膜材料同时具有很好的热稳定性及抗紫外稳定性.     

高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展

以目前国际上极为活跃开展的暗物质探测、无中微子双 衰变研究为例,评述了高纯锗探测器的重要性及其广泛的应用前景。介绍了己开展的高纯锗单晶、探测器制备的关键技术研究进展:合作单位已研制出了用于高纯锗单晶材料制备的区熔炉、单晶炉;并制备出直径为20  50 cm、纯度为12N(< 41011  atoms/cm3)、位错< 5000 atoms/cm2 的锗单晶;掌握了高纯锗探测器(平面型、同轴型)制备的关键技术,用进口高纯锗单晶材料制备出的同轴型高纯锗探测器对射线的能量分辨率及探测效率均达到进口产品指标,使用自制的12N 高纯锗单晶材料己制备出平面型高纯锗探测器。呼吁加速高纯锗研制的自主创新步伐,尽早实现其国产化目标。The article reviews importance and wide applications of HPGe detector, especially the application on the dark matter search experiment and double beta decay experiment. The research progress on the Highpurity germanium single crystal and HPGe detector in China has been introduced. The cooperation partner developed new type zone-refining furnace and single crystal furnace. The ultra-purity germanium single crystal with 20~50 cm, purity up to 12N(net impurity concentration is less than 41011 atoms/cm3), and dislocation less than 5 000 /cm3 was prepared. The key technologies for preparing planar and coaxial HPGe detector were mastered. The coaxial detector, which has been made of imported ultra-purity germanium single crystal has excellent energy resolution and efficiency as the imported commercial detector. The planar detector using selfmade germanium single crystal was also successfully manufactured. The research group appeals for speeding up the pace of independent innovation on the high-purity germanium, and achieving the high-purity germanium localization as soon as possible.     

HPGe 探测器晶体尺寸及效率的研究

采用蒙特卡罗方法模拟计算光子的探测效率需对高纯锗( HPGe ) 探测器进行准确的建模。模拟计算研究了HPGe 晶体长度对探测效率的影响,并在空间不同的测量位置对放射源进行测量,将模拟计算与实验测量相结合,对探测器晶体的尺寸进行调整,获得了HPGe 探测器晶体的模拟计算的准确尺寸,并在122s1 332 keV 能量范围内对模拟结果进行了验证。结果表明,在此能量范围内HPGe 探测器的探测效率的模拟计算值与实验测量值的相对偏差大多数在5% 内,并建立点源探测效率与探测器轴向距离的关系。The accurate shape of HPGe detector is needed in order to calculate its detection efficiency with Monte Carlo methods. In our calculation, the influence of the HPGe crystal size on efficiency has been investigated; the final crystal sizes were determined by comparison with experiments and were validated by the experimental efficiency obtained at several source-to-detector positions. The results show that when the crystal dimensions determined are used to calculate the detection efficiency in the energy range 122s1 332 keV, the relative deviations between simulated and most experimental results were within 5%. In addition, the relationship between detection efficiency and axial distance to detector was established.