transport ŚwiatŁa w scyntylatorach (wykład dla zkf)
DESCRIPTION
TRANSPORT ŚWIATŁA W SCYNTYLATORACH (wykład dla ZKF) ZAKŁAD OPTOELEKTRONIKI Instytut Fizyki UMK, TORUŃ-BYDGOSZCZ Andrzej J. Wojtowicz. PLAN WYKŁADU Scyntylatory do kamer PET; wstęp - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 1
TRANSPORT ŚWIATŁAW
SCYNTYLATORACH(wykład dla ZKF)
ZAKŁAD OPTOELEKTRONIKI
Instytut Fizyki UMK, TORUŃ-BYDGOSZCZ
Andrzej J. Wojtowicz
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 2
PLAN WYKŁADU
Scyntylatory do kamer PET; wstęp
Wydajność scyntylacji pixeli; eksperyment
Interpretacja wyników, prosty model
Poprawki do prostego modelu
Potrzeba (możliwość) bardziej zaawansowanych obliczeń
PODSUMOWANIE
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 3
Wybrane kryształy scyntylacyjne; podstawowe własności
CRYSTAL DENSITY(g/ccm)
EMISSIONWAVELENGT
H (nm)
DECAYTIME (ns)
LIGHTYIELD
(relative toBGO)
BGO(Bi4Ge3O12)
7.13 480 300 1
LSO(Lu2SiO5:Ce)
7.4 420 36-42 4 - 7
YAP(YAlO3:Ce)
5.37 360 25-30 3
LuAP(LuAlO3:Ce)
8.34 360 17 1.5 - 2.5
Kryształy: Photonic Materials Ltd, CTI Inc, ITME - Warszawa
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 4
LuAP: 8.34 g/cm3, 0.3 fotoułamek,
emisja 365 nm, czas zaniku 17-18 ns,
LY ponad 2xBGO
trudny w produkcji, stąd LuYAP
PROJEKT ClearPetTM:
pixele 2x2x8 i 2x2x10mm
LuAP, LuYAP i LYSO
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 5
Najważniejszy dla PET parametr
charakteryzujący scyntylator (pixel)
to wydajność scyntylacji.
Wydajność scyntylacji mierzymy w
dwóch geometriach (dlaczego; patrz
dalej):
ver (pixel prostopadły do okienka
PMT)
hor (pixel leżący na okienku PMTr)
Geometrią roboczą w PET jest ver
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 6
PROBLEM z LuAP:
niska wydajność ver (duże straty)
stosunek V2H (LYver/LYhor) zaledwie 0.3
(niezła wydajność ale duże straty)
Inne kryształy; najwyższe zmierzone
wartości V2H:
BGO 0.6
LSO, LYSO 0.63
LuAP 0.43
LuYAP 0.56
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 7
BADANE PRÓBKI
Photonic Materials Ltd, PML
pixele 2x2x10 mm i płytki 5x5x1
blisko 60 próbek LuAP, YAP i LuYAP,
dostarczone w latach 2003-2005
Kryształ z produkcji (Czochralski):
średnica do 53 mm,
długość cylindra do 130 mm
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 8
LuAP (PML)
V2H=1) 900/2104 = 0.432) 909/2247 = 0.403) 856/2068 = 0.414) 909/2122 = 0.435) 740/1837 = 0.406) 873/2110 = 0.417) 855/1982 = 0.43
PODSUMOWANIE POMIARÓW WYDAJNOŚCI SCYNTYLACJI
LuYAP (PML)
V2H =1) 999/1774 = 0.562) 793/1614 = 0.493) 856/1712 = 0.50
4) 1186/2533 = 0.47
5) 1061/2555 = 0.42
6) 945/2271 = 0.42
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 9
Model – 2R (dwóch promieni)
Uzasadnienie eksperymentalne:
Wczesne prace Lempicki et al, ostatnio Dujardin et al:
LY zależy przede wszystkim od wysokości kryształu a
nie od jego szerokości czy długości
dx xL2expxexp2
1LYdLY 0
L
0
dLYLY
L2
L2exp1LYLY 0
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 10
Model – 2R (dwóch promieni)
W geometrii hor mniejsze straty (krótsza droga fotonu); LY(hor) bliższy
„prawdziwej” wydajności scyntylacji
W geometrii ver duże straty (dłuższa droga fotonu); LY(ver) zależy zarówno od „prawdziwej” wydajności scyntylacji
jak i od strat
Metoda pozwala z dwóch pomiarów ver i hor wyliczyć „prawdziwą” wydajność scyntylacji (bez strat) i współczynnik
strat
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 11
Model - 2R
Punkty eksperymentalne, Balcerzyk et al., 2005Linia ciągła model – 2R
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 12
LuAP (PML)
1) 1.46 / 27802) 1.61 / 30503) 1.55 / 27804) 1.46 / 28005) 1.62 / 25006) 1.55 / 28307) 1.44 / 2610
ZESTAWIENIE WYNIKÓW Z MODELU 2R
LuYAP (PML)
1) 0.86 / 21002) 1.14 / 20103) 1.10 / 21204) 1.24 / 32105) 1.54 / 3420 6) 1.53 / 3040
Współczynnik strat (cm-1) / LY(0) (phel/MeV)
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 13
MODEL-2R, wybrane pixele LuAP
Wsp. strat 1.4-1.6 cm-1, LY(0) =2800-3600 phel/MeV
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 14
MODEL-2R, wybrane pixele LuYAP
Wsp. strat 0.8-1.5 cm-1, LY(0) =2200-3200 phel/MeV
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 15
MODEL-2R, podsumowanie
Bez modelu podanie pełnej charakterystyki wydajności scyntylacyjnej pixela wymaga
podania trzech liczb; LY(ver), LY(hor) i
LY(ver)/LY(hor)
Model 2R pozwala na zastąpienie trzech liczb dwoma;
LY(0) – wewn. (intrinsic) wydajność scyntylacji
μ – współczynnik strat
Model pozwala na prawidłową ocenę fizycznych przyczyn dobrej lub złej
charakterystyki pixela
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 16
LICZNIK SCYNTYLACYJNY
Warunek zarejestrowania
fotonu:
gr
nn
arcsin 1gr
n1: okienko fotopowielacza (1.5)
4
LYLY 0
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 17
2nn
arcsinn1
arcsin
n1
arcsin2
90
1
Całkowite wewnętrzne odbicie na powierzchniach bocznych
Warunek na n:
8.1n
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 18
xL2mexprxmexp4
LY)x(LY 0
2
21
gr0
0
n
n112
cos12cos2ddsingr
gr
Dla n1 = 1.5 i n = 1.95 czynnik wynosi: 0.18
dla n1 = 1.5 i n = 1.6 czynnik wynosi: 0.32
4
Czynnik związany z kątem granicznym:
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 19
1cos
cosln
dsin
dsincos
1
mgr
gr
0
0gr
gr
Dla n1 = 1.5 i n = 1.95 kąt αgr = 50° i m = 1.24
Czynnik m (efektywna droga fotonu):
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 20
Lm
Lmexp1Lmexpr14
dx)x(LYL1
LYL
0
Dla m = 1 i r = 1, wzór ten przechodzi w model 2R
Wydajność scyntylacji pixela o długości L:
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 21
DLACZEGO MODEL 2R (nawet z poprawkami) nie jest
zadowalający
CO MOŻNA POLICZYĆ?
Jakie są możliwości numeryczne?
Czy istnieją zaawansowane programy dostępne na świecie?
Czy to się da zrobić?
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 22
Geant4, CERN, program typu Monte Carlo
Symulacja przechodzenia cząstek przez ośrodki materialne
(fizyka wysokich energii, fizyka jądrowa, fizyka medyczna, badania z
wykorzystaniem akceleratorów i w przestrzeni kosmicznej)
http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant4
/
WADY: rozbudowany, trudny w użyciu
ZALETY: pozwala na rozwiązanie bardzo różnorodnych problemów, duże
możliwości
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 23
LITRANI: program typu Monte-Carlo, symuluje rozchodzenie się fotonów scyntylacyjnych w ośrodkach izo- i
anizotropowych
AUTOR: F.X. Gentit
Strona www:http://gentit.home.cern.ch/gentit/litrani/
LITRANI 3.3, napisany w C++, w środowisku ROOT. Pracuje w Windows NT/2000/XP i Linuxie. Wszystkie kody źródłowe są
dostępne.
W Windows XP, wersja LITRANI skompilowana (VC++7.1), z wersjami "Pro" i "Win32gdk" ROOTa : 5.08/00.
można ściągnąć (bez opłat) wszystkie potrzebne pliki, instrukcje, jest forum użytkowników, FAQs.
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 24
LITRANI, charakterystyka ogólna:
każdy foton jest śledzony od generacji do zarejestrowania przez detektor
różne kształty scyntylatora (także pixele PET), różne materiały (stała dielektryczna,
współczynnik absorpcji i długość dyfuzji zależne od długości fali), anizotropowość
powierzchnie graniczne; odbicie lustrzane i dyfuzyjne, różne współczynniki odbicia, reflektor
z warstwą przejściową
fotony; emisja spontaniczna, generacja przez kaskadę e-m, włókna optyczne
detektor: APD, PMT
9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF 25
PODSUMOWANIE I WNIOSKI:
Numeryczne rozwiązanie problemu transportu światła w oparciu o
metodę Monte Carlo i bezpłatne programy z CERNu, w pixelach LuAP i
LuYAP dla kamer PET to może być sensowna i pożyteczna praca
magisterska
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!!