CZT-Compton-PET中基于像素阵列芯片的高分辨率CZT探测器关键技术的研究

For the high spatial resolution and high energy resolution, semiconductor detectors are widely used in nuclear medical imaging. CZT-Compton-PET reconstructs PET images using both the photoelectric effect and Compton scattering effect in the cadmium zinc cadmium detector to improve the PET imaging quality, which improves the detection efficiency of CZT-PET. The high-resolution pixelated CZT detector is the key device for determining the interaction points of 511keV photons in CZT. The Topmetal family of chips is a high sensitivity, low noise (equivalent noise charge of approximately 13e-) CMOS pixel array chip. The CZT pixel array detector based on Topmetal chips have high spatial resolution. The feasibility of using CZT detector based on pixelated array chip which with the similar structure as Topmetal for CZT-Compton-PET was studied by Monte Carlo simulation. The study of the key technologies such as electrode parameters and charge sharing for high resolution pixel CZT detector, will provide important guidance for the future development of CZT-Compton-PET.

半导体探测器因好的位置分辨率、高的能量分辨率等优点，在核医学影像中应用广泛。CZT-Compton-PET利用碲锌镉探测器中光电效应和康普顿散射效应重建PET图像，以提高PET成像质量和克服CZT-PET效率偏低的问题。高分辨率的像素化碲锌镉探测器是测定511keV光子相互反应点的关键设备。Topmetal系列芯片是高灵敏度、低噪声（等效噪声电荷约为13e-）的CMOS像素阵列芯片。基于Topmetal芯片的CZT像素阵列探测器具有高空间分辨率。通过蒙特卡洛仿真研究基于Topmetal芯片结构的像素阵列芯片与CZT半导体体结合用于CZT-Compton-PET的可行性。研究高分辨率像素CZT探测器读出电极相关参数、电荷共享等关键技术问题，对今后研制CZT-Compton-PET有重要的前瞻指导性。

CZT-Compton-PET可利用碲锌镉探测器中光电效应和康普顿散射效应重建PET图像，以提高PET成像质量和克服CZT-PET效率偏低的问题。高分辨率的像素化碲锌镉探测器是测定511keV光子相互反应点的关键设备。Topmetal系列芯片是高灵敏度、低噪声（等效噪声电荷小于20e-）的CMOS 像素阵列芯片。基于Topmetal芯片的CZT像素阵列探测器具有亚像素尺寸的高空间分辨率。而电荷共享是导致阵列芯片上电荷云分布展宽，探测器空间分辨率变差的重要因素。. 本项目对已有Topmetal系列芯片相关尺寸在“小像素效应”和电荷共享间权衡问题进行了研究，给出最佳参数。Topmetal-IIa芯片在绝缘间隔为4um时达到电荷共享与电荷接收效率权衡的最优解。Topmetal-II-芯片时，绝缘间隔减小能有效降低电荷共享。当电极大小与像素间隔成正比时，像素间隔越大，则电荷共享效应约小。综合考虑小像素效应和电荷共享效应，像素尺寸在80um 为最佳。像素尺寸增大可减小电荷共享，但会增大芯片的ENC和漏电流。在小尺寸像素Topmetal芯片与碲锌镉探测器结合时，飞法量级的输入电容和反馈电容能使芯片ENC小于50e-，探测器漏电流在纳安量级。为未来大尺寸像素Topmetal芯片参数设计提供指导。. 石墨烯系列薄膜具有做碲锌镉晶体与Topmetal芯片间连接介质的潜力。氧化石墨烯(GO)在室温条件下对环境湿度具有超高灵敏度（10mV/RH%）和超快（<1s）的电压响应，性能远超传统湿度传感器。基于Topmetal的GO湿度传感器可通过精确测量湿度响应的二维输出信号及随时间的变化，可望深入研究水分子进入GO膜内的运动过程和性能。. 这些关键技术问题的研究，对今后研制CZT-Compton-PET有重要的前瞻指导性。