Novel ultra-fast photodetectors for near reconstruction-less time-of-flight positron emission tomography

用于近重建飞行时间正电子发射断层扫描的新型超快光电探测器

基本信息

项目摘要

SUMMARY Time-of-Flight Positron Emission Tomography (TOF-PET) scanners provide better signal-to-noise ratio (SNR) and artifact reduction compared to conventional PET systems. The performance of TOF-PET scanners improves with the timing precision of its detectors: the more accuracy in the time detection of gamma photons the better the performance. The ultimate aim of TOF-PET is to reach a 10 ps full width at half maximum (FWHM) coincidence time resolution (CTR) to resolve precisely the positron-electron annihilation point in 3 dimensions. State-of-the-art PET detectors consist of scintillation crystals coupled to silicon photomultipliers (SiPM) and show timing resolutions in the order of 100-200 ps FWHM. In this project, we focus on improving dramatically the timing properties of the SiPMs, as such improvement would have a strong impact on TOF-PET as it would improve the timing performance of most detectors that use scintillation crystals and/or Cerenkov light emitters by several-fold. State-of-the-art SiPMs are optimized for a narrow range of wavelengths (λ) because of the difference in penetration depth at different wavelengths. For photons of λ=450 nm and λ=590 nm, the attenuation depth is 0.4 μm and 2 μm, respectively. The trade-off is to either a) to have a thicker depletion layer to absorb a wider range of wavelengths but to increase the time jitter, or b) to have a thinner depletion layer to reduce the time jitter but absorb only a narrow range of wavelengths. Therefore, there is not a state-of-the-art SiPM that provides, simultaneously, very fast time response, and high photon detection efficiency (PDE) across a wide range of wavelengths. We propose to develop an SiPM prototype with photon-trapping microstructures integrated in the depletion layer that disperses the light laterally and allows one to obtain high-detection efficiency for a wide range of wavelengths within a depletion layer of 1 μm. With such a thin layer, the jitter in the electron drift time decreases to 10 ps and the dark current is expected to decrease as well. This new photosensor could revolutionize TOF-PET. The utilization of periodic microstructures to bend light in a perpendicular orientation and trapping photons for enhanced interaction with materials, high detection efficiency and fast response have been recently shown for wavelengths between 800-900 nm for optical communication. In this proposal, we will develop a new SiPM based on this technology. First, we will simulate the optimum layer structure to integrate the hole-trapping microstructures and an avalanche region to provide a gain of >105. Second, we will do an electronic characterization for the different type of microcells, including a gain calibration and measure quantum efficiency for different λ for each cell. Finally, we will manufacture a wafer with full-size SiPMs (3x3 mm2) and test the SiPMs with scintillation crystals and Cerenkov emitters.
概括 飞行时间正电子发射断层扫描 (TOF-PET) 扫描仪提供更好的信噪比 (SNR) 与传统 PET 系统相比,TOF-PET 扫描仪的性能得到改善。 与其探测器的计时精度有关:伽马光子的时间探测越精确越好 TOF-PET 的最终目标是达到 10 ps 半高宽 (FWHM)。 重合时间分辨率 (CTR) 可精确解析 3 维中的正电子-电子湮灭点。 最先进的 PET 探测器由与硅光电倍增管 (SiPM) 耦合的闪烁晶体组成,并显示 时序分辨率约为 100-200 ps FWHM。 在这个项目中,我们专注于显着提高 SiPM 的定时特性,因为这种改进 将对 TOF-PET 产生重大影响,因为它将提高大多数使用 闪烁晶体和/或切伦科夫光发射器经过数倍优化。 由于不同波长的穿透深度不同,波长(λ)范围较窄。 λ=450 nm 和 λ=590 nm 的光子,衰减深度分别为 0.4 μm 和 2 μm。 a) 具有更厚的耗尽层以吸收更广泛的波长,但会增加时间抖动, 或者 b) 具有更薄的耗尽层以减少时间抖动,但仅吸收窄范围的波长。 因此,目前还没有一种最先进的 SiPM 能够同时提供非常快的时间响应和高 宽范围波长的光子检测效率 (PDE)。 我们建议开发一种 SiPM 原型,其光子捕获微结构集成在耗尽层中 横向色散光,使人们能够在较宽的波长范围内获得高检测效率 在 1 μm 的耗尽层内,电子漂移时间的抖动降低至 10 ps, 这种新的光电传感器预计也会减少暗电流,从而彻底改变 TOF-PET。 利用周期性微结构使光沿垂直方向弯曲并捕获光子 最近显示出与材料的增强相互作用、高检测效率和快速响应 用于光通信的波长在 800-900 nm 之间。在本提案中,我们将开发一种基于 SiPM 的新型器件。 首先,我们将模拟最佳层结构以集成空穴捕获。 微结构和雪崩区域以提供 >105 的增益 其次,我们将制作一个电子器件。 不同类型微电池的表征,包括增益校准和测量量子效率 最后,我们将制造具有全尺寸 SiPM (3x3 mm2) 的晶圆并测试。 具有闪烁晶体和切伦科夫发射器的 SiPM。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Gerard Ariño Estrada其他文献

Gerard Ariño Estrada的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Gerard Ariño Estrada', 18)}}的其他基金

TOF-PET with high-efficiency TlCl crystals
具有高效 TlCl 晶体的 TOF-PET
  • 批准号:
    10660173
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
Real-time in vivo proton range verification in proton therapy with thallium bromide detectors
使用溴化铊探测器进行质子治疗中的实时体内质子范围验证
  • 批准号:
    10390443
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
Real-time in vivo proton range verification in proton therapy with thallium bromide detectors
使用溴化铊探测器进行质子治疗中的实时体内质子范围验证
  • 批准号:
    10559516
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
Potential of Cerenkov Radiation for Fast Timing of TlBr Semiconductor Detectors for PET
切伦科夫辐射在 PET 中 TlBr 半导体探测器快速计时方面的潜力
  • 批准号:
    9437477
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:

相似国自然基金

多层压电驱动器用铌酸钾钠与铁酸铋基无铅陶瓷结构演变与性能协同优化研究
  • 批准号:
    52311530094
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    10 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
铁酸铋/重金属异质结反铁磁自旋结构的全电学调控与探测
  • 批准号:
    12374112
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    52 万元
  • 项目类别:
    面上项目
拓扑化学法制备钯铋碲金属烯用于串联CO2电还原和转移氢化反应的研究
  • 批准号:
    22305201
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    20 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
锡(铋、铟)氧/硫化物在CO2电还原过程中的重构行为与催化机制研究
  • 批准号:
    52372217
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    51 万元
  • 项目类别:
    面上项目
铋基卤化物钙钛矿光催化剂的制备、改性及产氢性能研究
  • 批准号:
    22302111
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

CAREER: Design Strategies for High-Performance Bismuth- and Lanthanide-Based Single-Molecule Magnets
职业:高性能铋基和镧系单分子磁体的设计策略
  • 批准号:
    2339595
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Time-of-flight positron emission tomography using Cerenkov luminescence in bismuth germanate
使用锗酸铋中的切伦科夫发光进行飞行时间正电子发射断层扫描
  • 批准号:
    10766104
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
Unsupervised Deep Photon-Counting Computed Tomography Reconstruction for Human Extremity Imaging
用于人体肢体成像的无监督深度光子计数计算机断层扫描重建
  • 批准号:
    10718303
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
A broad-spectrum antimicrobial ointment containing Bi2O3 NPs for skin and soft tissue infections by multidrug-resistant bacteria
一种含有 Bi2O3 NP 的广谱抗菌软膏,用于治疗多重耐药菌引起的皮肤和软组织感染
  • 批准号:
    10648313
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
TOF-PET with high-efficiency TlCl crystals
具有高效 TlCl 晶体的 TOF-PET
  • 批准号:
    10660173
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 22.28万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了