Study of the Silicon Photomultipliers and Their Applications in Positron Emission Tomography

Author: 
Chen Xu
Date: 
May 2014

Thesis Type:

This thesis deals with silicon photomultipliers (SiPM) used in scintillation detectors and their applications in positron emission tomography (PET).
The study of the SiPM is mainly focused on the application to the proposed EndoTOFPET-US detector, which is a multi-modality PET detector facilitating the development of new biomarkers for pancreas and prostate cancers.

A Monte Carlo simulation tool is developed for the optimization of the detector's single channel design. In order to obtain a 200\,ps system coincidence time resolution and maximize the detector sensitivity, the requirements for the crystal geometry, light yield and SiPM photon detection efficiency are specified based on the simulation study. In addition, the nonlinear response of the SiPM can be corrected by the simulation tool and the energy resolution of the detector is extracted.

A series of measurements are established to characterize SiPMs in a fast and reliable way with high precision. The static characterization measures the value of different components in the derived electrical model of the SiPM, whereas the dynamic characterization extracts parameters that is crucial for the operation of the SiPM. Several SiPM samples are tested and their characteristics are compared. The developed setup and the precision of the measurement fulfill the requirements of the quality assurance test for the commissioning of the EndoTOFPET-US detector. The test foresees large quantities of SiPMs to be characterized. In addition, the developed measuring procedure has contributed to the study of X-ray induced surface damage of a SiPM from Hamamatsu. Characteristics of the device are measured before and after irradiating the SiPM with different X-ray doses, the results are compared and discussed.

A comparative study of a digital and an analog SiPM in gamma spectroscopy with the inorganic scintillator is presented. The characteristics of a prototype digital SiPM that is developed for the EndoTOFPET-US detector is measured and compared to an analog SiPM with similar form factor. Its non linear response to scintillation light is corrected by the simulation tool and the energy resolution is extracted. The work validates the digital SiPM to be a viable solution for the EndoTOFPET-US detector.

Diese Arbeit befasst sich mit Silizium Photomultipliern (SiPM), die in Szintillationsdetektoren verwendet werden und behandelt ihre Anwendung in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET).
Die vorliegende Studie der SiPMs konzentriert sich hauptsächlich auf ihre Anwendung in dem EndoTOFPET-US Detektor, einem multimodalen PET-Detektor, der die Entwicklung von Biomarkern für Bauchspeicheldrüsen- und Prostata-Krebs ermöglicht.

Zur Optimierung der einzelnen Kanäle des Detektors wurde ein Monte-Carlo-Simulationswerkzeug entwickelt.
Mit Hilfe solcher Simulationsstudien werden die Anforderungen an die Kristallgröße, Lichtausbeute und Photon-Detektions-Effizienz des SiPMs festgelegt, um die geplante Koinzidenz-Zeitauflösung von 200 ps zu erhalten und damit die Sensitivität des Detektorsystems zu maximieren. Außerdem können daraus Nichtlinearitäten des SiPMs korrigiert, und somit die Energieauflösung ermittelt werden.
Die nichtlineare Reaktion von SiPM mit dem Simulationswerkzeug korrigieren, daher Energieauflösung zu ermitteln.

Zur schnellen und genauen Charakterisierung der SiPM wurde eine Reihe von Messverfahren genutzt.
Die statische Charakterisierung misst verschiedene Komponenten in dem abgeleiteten elektrischen Modell des SiPM.
Die dynamische Charakterisierung untersucht weitere Eigenschaften des SiPM, die von dem Betrieb des SiPM abhägig sind.
Unterschiedliche SiPM-Typen wurden getestet und ihre Eigenschaften verglichen.
Die vorgestellten Messungen erfüllen die Anforderungen des Qualitätssicherungstests, der große Menge von SiPMs, die im EndoTOFPET-US-Detektor in Betrieb genommen werden, charakterisiert.
Die entwickelten Messverfahren haben zur Untersuchung von Beschädigungen durch Röntgenstrahlen an der Oberfläche eines Hamamatsu SiPMs beigetragen.
Eigenschaften des SiPMs wurden gemessen, bevor und nachdem sie mit unterschiedlichen Röntgendosen bestrahlt wurden. Die Ergebnisse werden in der vorliegende Arbeit verglichen und diskutiert.

Zusätzlich wird eine vergleichende Studie von digitalen und analogen SiPM in der Gammaspektroskopie mit anorganischen Szintillatoren vorgestellt.
Die Eigenschaften eines digitalen SiPM-Prototypen, der für den EndoTOFPET-US Detektor entwickelt wurde, werden gemessen und mit einem analogen SiPM mit ähnlichem Formfaktor verglichen.
Die Nichtlinearität der SiPM auf Szintillationslicht wird durch das Simulationswerkzeug korrigiert, um die Energieauflösung zu ermitteln.
Die Arbeit bestätigt, dass die digitalen SiPMs eine praktikable Lösung für den EndoTOFPET-US Detektor sind.

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