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
- 批准号:9809409
- 负责人:
- 金额:$ 22.28万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2019
- 资助国家:美国
- 起止时间:2019-07-01 至 2022-03-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalBismuthBromidesCalibrationCellsCherry - dietaryClinicalCoupledCrystallizationDataDetectionDevelopmentDevicesDimensionsElectronsEvaluationGamma RaysGermanyGoalsImageJapanLeadLegal patentLesionLightMeasuresMentorshipMorphologic artifactsMuslim religionNoisePenetrationPerformancePeriodicityPhotonsPhysiologic pulsePositioning AttributePositronPositron-Emission TomographyPropertyRadiation Dose UnitReaction TimeResolutionSignal TransductionSiliconStructureSystemTechnologyTestingThalliumThickThinnessTimeWidthWorkabsorptionattenuationbasedesigndetectorexperiencehigh rewardhigh riskimprovedinnovationnoveloff-patentoptical communicationphotomultiplierphoton-counting detectorphotonicspreventprototypequantumradiation detectorreconstructionresponsetumorultraviolet
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
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