基于硅光电倍增管的正电子发射计算机断层扫描探测器研究

Positron Emission Tomography（PET）,the most advanced nuclear medical imaging technology,has very important and wide applications in clinical diagnose. Silicon Photomultiplier (SiPM) is a novel photodiode with ultra high sensitivity, it is getting to replace photomultiplier (PMT) in various applications of low level light detection in high energy physics and nuclear technology. Recently, SiPM has been attracted much attentions for substituting PMT in PET instrument. This proposal focus investigations on the key problems encounted for SiPM's application in advanced TOF-PET. The research topics include the mechanism of avalenche multiplication for micro APD cells, advanced fabrication technologies for semiconductor detectors and PET detector module, consistency of the breakdown voltage，temperature sensitivity, energy and time resolution of the PET detector based on SiPM array and pixel LYSO crystals.

正电子发射计算机断层扫描（PET，Positron Emission Tomography）是核医学领域最高端、最先进、应用范围极广的临床检查影像技术。硅光电倍增管（SiPM）是一种新型高灵敏半导体光探测器，在高能物理及核技术应用等诸多领域许多弱光探测的应用中正逐渐取代传统的光电倍增管（PMT）。近年来采用SiPM替代常规PET中的PMT作为光信号的读出探测器受到研究人员的高度关注。本项目针对当前硅光电倍增管（SiPM）在高性能飞行时间（TOF）PET前沿应用中存在的主要问题开展研究。主要研究内容包括APD微单元的雪崩倍增过程的机理,高性能半导体探测器的关键工艺,SiPM探测器模块的组装,基于SiPM阵列和像素型LYSO闪烁晶体的PET探测器的一致性、温度敏感性、能量分辨率以及时间分辨率特性等。

正电子发射计算机断层扫描（PET）是核医学领域最高端、最先进、应用范围极广的临床检查影像技术。本项目针对高性能PET的应用及发展趋势，开展了基于我们独有的外延电阻淬灭（EQR）硅光电倍增器（SiPM）的PET探测器的研究。不同于常规SiPM采用位于器件表面的多晶硅或金属条制作雪崩淬灭电阻，我们的EQR SiPM采用外延层固有的体电阻制作雪崩淬灭电阻，其优点是微单元密度高、结构和制作工艺简单、成本低。..本项目研制的SiPM的有效面积为3mm x 3mm，微单元约9万个，暗计数率约每方毫米660 kHz，峰值探测效率（PDE）在420nm大于30%，在380nm约为25%，增益大于20万倍，增益随温度的相对变化系数优于0.5%/摄氏度。对于氟代脱氧葡萄糖（FDG）的 511 keV的伽马光子，一对3 mm×3 mm SiPM与2个2.84 mm ×2.84 mm×6 mm LYSO闪烁晶体按1对1耦合方式构成的PET探测器的能量分辨率为10.1%，符合时间分辨率为197.5 ps（FWHM）。研究结果验证了我们的EQR SiPM应用于高性能飞行时间（TOF）PET的可行性及良好的应用前景。..本项目还研究了将我们独有的二维四边形EQR位置灵敏（PS）SiPM应用于高分辨PET探测器的可行性。有效面积为2.77 mm x 2.77 mm的该种器件与5×5个0.45 mm × 0.45 mm × 6 mm LYSO闪烁晶体阵列耦合而成的PET探测器模块，表现出了优异的位置分辨特性。对于FDG 511 keV的伽马光子，能量分辨率达到11.9%，符合时间分辨率达到555 ps。研究结果验证了我们的二维四边形EQR PS-SiPM应用于高空间分辨PET的可行性和良好的应用前景。