Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des hautes énergies 1 LPHE1)

Développement d'un module de détection phoswich LSO/LuYAP pour le prototype de caméra à positrons ClearPET

Mosset, Jean-Baptiste ; Morel, Christian (Dir.) ; Bay, Aurélio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3596.

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    Summary
    The first part of this thesis describes the development of an optimised LSO/LuYAP phoswich detector head for the ClearPET demonstrator positron emission tomograph (PET) dedicated to small animals that is under construction in Lausanne within the Crystal Clear Collaboration. The detector head consists of a dual layer of 8 x 8 LSO and LuYAP crystal arrays coupled to a multi-anode photomultiplier tube (MaPMT). Equalistion of the LSO/LuYAP light collection is obtained through partial attenuation of the LSO scintillation light using a thin aluminium deposit of 20-35 nm on LSO and appropriate temperature regulation of the phoswich head between 30 to 60°C. At 511 keV, typical FWHM energy resolutions of the pixels of a phoswich head amounts to (28±2)% for LSO and (25±2)% for LuYAP. The LSO versus LuYAP crystal identification efficiency is better than 98%. Eighteen detector modules have been mounted on a rotating gantry. Radial and tangential spatial resolutions were measured up to 4 cm from the scanner axis and compared to Monte Carlo simulations using GATE. FWHM spatial resolution ranges from 1.3 mm on axis to 2.6 mm at 4 cm from the axis. Time resolution was measured for several event tagging methods. Pulse shape discrimination methods with an efficiency of 97-99% were developed for LSO/LuAP and LuAP/LuYAP phoswich among these, some are based on neural networks. The second part of this work is devoted to characterisation measurements performed on several recently developed arrays of avalanche photodiodes (APDs) with the perspective of replacing MaPMTs. Their doping profile were estimated from the dependence of capacitance on junction voltage. Quantum efficiency was measured as a function of wavelength in the range of 300-700 nm. Bulk and surface contributions to the dark current were estimated. Gain and excess noise factor were measured as a function of bias voltage. The S8550 APD array produced by Hamamatsu Photonics appears as being the best candidate for an aplication in PET. The last part of this thesis is dedicated to a prospective study performed on S8550 APD arrays coupled to LSO and LuAP crystals. Energy resolution and its contributions as well as time resolution were measured on modules having a single layer of LSO and LuAP crystals. Two staggered LSO/LSO and LSO/LuAP assemblies were evaluated regarding depth of interaction identification efficiency and energy resolution. Finally, a synthesis of the results obtained is presented.
    Résumé
    La première partie de ce travail de thèse porte sur le développement d'un module de détection phoswich LSO/LuYAP pour le prototype démonstrateur ClearPET de tomographe à positrons pour petits animaux construit à Lausanne dans le cadre de la collaboration Crystal Clear. Le module de détection est constitué par deux couches de 8 ◊ 8 scintillateurs LSO et LuYAP couplés à un tube photomultiplicateur multi-anodes (MaPMT). L'égalisation de la collecte de lumière du LSO et du LuYAP est obtenue par l'atténuation partielle de la lumière de scintillation du LSO grâce à la déposition par évaporation d'une fine couche d'aluminium de 20-35 nm sur le LSO et à la régulation de la température des cristaux entre 30 et 60°C. A 511 keV, la résolution en énergie typique des pixels du module de détection s'élève à (28±2)% pour le LSO et à (25±2)% pour le LuYAP. L'efficacité de la reconnaissance des impulsions du LSO et du LuYAP est supérieure à 98%. Dix-huit modules sont montés sur un tambour tournant. Les résolutions spatiales radiale et tangentielle de l'image ont été mesurées jusqu'à 4 cm de l'axe et comparées à une simulation Monte Carlo réalisée avec GATE. La résolution spatiale FWHM s'étend de 1,3 mm sur l'axe du scanner à 2,6 mm à 4 cm de l'axe. La résolution temporelle des modules a été mesurée pour différentes méthodes de marquage temporel des événements. Des méthodes de reconnaissance de la forme des impulsions ayant une efficacité de 97-99% ont été développées pour des assemblages LSO/LuAP et LuAP/LuYAP, en utilisant notamment des réseaux de neurones artificiels. La seconde partie de ce travail présente les mesures de caractérisation réalisées sur plusieurs matrices de photodiodes à avalanche (APD) récemment développées, dans la perspective d'un remplacement des MaPMT. Leur profil de dopage a été estimé d'après la dépendance en tension de leur capacité. Leur efficacité quantique a été mesurée pour des longueurs d'onde d'illumination comprises entre 300 et 700 nm. Les contributions des courants de volume et de surface ont été déterminées. La multiplication et le facteur de bruit de multiplication furent mesurés en fonction de la tension appliquée sur les APD. La matrice APD S8550 produite par Hamamatsu Photonics apparaît comme étant le meilleur candidat en vue d'une application TEP. La dernière partie de ce travail de thèse présente une étude prospective menée sur des matrices APD S8550 couplées à des cristaux de LSO et de LuAP. La résolution en énergie et ses différentes contributions, ainsi que la résolution temporelle ont été mesurées sur des assemblages en couche unique de LSO et de LuAP. Deux assemblages isodomes LSO/LSO et LSO/LuAP ont ensuite été évalués du point de vue de l'efficacité d'identification de la couche d'interaction et de la résolution en énergie. Finalement, une synthèse des résultats obtenus est présentée.