High resolution measurements with silicon drift detectors for Compton camera applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Tuba Çonka Nurdan

Conka Nurdan, Tuba

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• Publié par: universitat_siegen
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 60
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

High Resolution Measurements
with Silicon Drift Detectors
for Compton Camera Applications
DISSERTATION
zur Erlangung des Grades eines Doktors
der Naturwissenschaften
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Tuba C¸onka Nurdan
geb. am 18. Mai 1975 in Ankara, Turk¨ ei
eingereicht beim Fachbereich Physik
der Universit¨at Siegen
Siegen 2004Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. A.H. Walenta
Prof. Dr. N.A. Pavel
Datum der Disputation: 24.01.2005
Prufer¨ : Prof. Dr. H.D. Dahmen
Prof. Dr. N.A. Pavel
Prof. Dr. A.H. Walenta
Internetpublikation der Universit¨ atsbibliothek Siegen: urn:nbn:de:hbz:467-892˙To my parents Turel¨ and Ismail C¸onka
and
my husband Kıvan¸c NurdanivZusammenfassung
Vorrangiges Ziel nuklear-medizinischer Untersuchungen ist die genaue und schnelle Ortsbestimmung der
Radionuklidverteilung in radioaktiv markierten Gewebe oder Organen. Gegenub¨ er den heutigen PET
und SPECT-Techniken kann der Einsatz einer Compton-Kamera grunds¨ azlich die Ortsaufl¨ osung und
die Effizienz verbessern. Weil es notwendig ist, ein ganzes Streuungereignis in der Compton-Kamera
zu rekonstrukturieren, ist die Detektortechnologie sehr anspruchsvoll. Brauchbare Detektoren sind in
der Vergangenheit nicht verfug¨ bar gewesen. Deshalb, ein neuer Detektortyp, die Siliziumdriftdetektor
(SDD), entwickelt fur¨ Experimente in der R¨ ontgen-Astrophysik, zeigt erfolgversprechende Eigenschaften.
Der Test eines solches Systems ist das Hauptziel dieser Doktorarbeit.
Die Optimierung eines Compton-Kamera-Systems bezug¨ lich der Effizienz und der Ortsaufl¨ osung stellt
ein komplexes Multiparameterproblem dar, welches von verschiedenartigen Detektoreigenschaften abh¨ angt.
Um die optimalen Detektorparameter zu bestimmen, wird deren Einfluss auf die Leistungsf¨ ahigkeit des
Compton-Kamera-Systems in dieser Arbeit anhand von analytischen Systemmodellen und Monte-Carlo-
Simulationen untersucht.
Ein Comptonkameratestaufbau wurde mit einem 19-kana¨ligen SDD mit direkt implementierten JFETs
als Streudetektor und einer Anger-Kamera ohne Bleikollimator als Absorptionsdetektor realisiert. Das
◦equivalente Ladungsrauschenen der SDD Kana¨le wurde bei 10 C und einer Pulsformzeitkonstant von 100
ns zu 30 - 40 Elektronen rms gemessen. Ein neues Konzept wurde fur¨ die schnelle Detektorauslese, welche
f¨ur diese Anwendung wichtig ist, entwickelt. Das System ist so ausgelegt, dass die Messungen in jeder
Detektororientierung und unter beliebigen kinematischen Bedingungen durchgefuhr¨ t werden ko¨nnen.
Compton-Kamera-Koinzidenzen bei hoher Statistik wurden durch Bestrahlen der SDD-Zellen mit
137einer fein-kollimierten 1 Ci Cs aufgenommen. Mit diesem System gemessene Zeit-, Energie- und
Winkelverteilungen von Koinzidenzen werden in dieser Arbeit vorgestellt. Es wird gezeigt, dass es mit
dem Streudetektor, welcher eine hervorragende Energieaufl¨ osung aufweist, m¨oglich ist, mit der Ortsbes-
timmung in zwei Detektoren die Quellenverteilung genau zu rekonstruieren.
Abstract
The accurate and rapid location of the radionuclide distribution in radioactively labeled tissue or organs
is the goal of nuclear medicine. The Compton camera, in principle, can improve the spatial resolution
and efficiency with respect to today’s PET and SPECT techniques. Since it is necessary to reconstruct a
full scattering event in the Compton camera, the detector technology is very demanding. Useful detectors
have not been available in the past. However, a new detector type, the Silicon Drift Detector (SDD),
developed for experiments in x-ray astrophysics show promising features. The test of such a system is
the main objective of this thesis.
The optimization of a Compton camera system in terms of efficiency and resolution is a complex
multiparameter problem which depends on various detector properties. The influence of these parameters
on the performance of the Compton camera system is investigated in this work using the analytical system
models and Monte Carlo simulations in order to find optimum detector parameters.
Compton camera test setup has been constructed using a 19 channel SDD with on-chip JFET as
the scatter detector and an Anger camera without a lead collimator as the absorption detector. The
oequivalent noise charge of the SDD channels at 10 C with a shaping time of 100 ns was measured to
be between 30-40 electrons rms. New readout scheme has been implemented for the fast readout of the
detector which is crucial for this application. The system is designed such that the measurements can be
done in all detector orientations and kinematical conditions.
Compton camera coincidence events with high statistics have been acquired by irradiating the SDD
137cells with a finely-collimated 1 Ci Cs source. Time, energy and angular distributions of coincidence
events measured with this detector system are presented in this work. It is shown that with the scat-
ter detector having an excellent energy resolution, it is possible to reconstruct the source distribution
accurately using the locations of the interactions measured in two detectors.Contents
1. Introduction ............................................. 1
1.1 LiteratureReviewofComptonCameraSystems........................ 2
1.1.1 Applications in Astrophysics: Compton Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Compton Camera for Industrial Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 ComptonCamerainNuclearMedicine......................... 6
1.2 ObjectivesofthisWork..................................... 8
1.3 OverviewofDisertation..................................... 9
2. Theoretical Considerations for the Compton Camera System Design ......... 11
2.1 PrinciplesofComptonCameraImaging............................ 11
2.2 InteractionofPhotons...................................... 12
2.2.1 PhotonInteractionsintheScaterDetector...................... 13
2.2.2 PhotonInteractionsintheAbsorptionDetector.................... 17
2.3 InteractionsofElectrons..................................... 19
2.3.1 EnergyLosofElectronsintheScaterDetector................... 20
2.3.2 RangeofElectrons.................................... 21
2.3.3 AngularDistributionofRecoilElectrons........................ 24
3. Impact of the Detector Parameters on the Compton Camera Performance ..... 27
3.1 DopplerBroadening....................................... 28
3.1.1 DopplerBroadenedAngularUncertainty........................ 30
3.2 EnergyResolutionoftheElectronDetector.......................... 32
3.2.1 AngularUncertaintyduetoEnergyResolution.................... 33
3.3 GeometricFactorsinAngularUncertainty .......................... 34
3.3.1 EffectoftheDetectorOrientation........................... 36
3.3.2 Optimization of the Thickness of theElectronDetector............... 37
3.4 OveralAngularUncertainty .................................. 40
4. Description and Characterization of the Compton Camera System .......... 43
4.1 Choice of the Radioisotope for Compton Camera Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Scatter Detector: Silicon Drift Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 PrincipleofOperation.................................. 47
4.2.2 SDDwithon-chipElectronics ............................. 48
4.2.3 19-channel Silicon Drift Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 AbsorptionDetector:AngerCamera.............................. 56
4.4 TheComptonCameraSetup.................................. 58
5. Front-End Electronics and Data Acquisition System ................... 61
5.1 Front-End Electronics of the Silicon Drift Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.1 The First Stage of the SDD Front-End Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.2 Preamplifier........................................ 63
5.1.3 Shaper........................................... 66
5.2 DataAcquisitionSystem..................................... 68
5.3 SpectroscopicMeasurementswithaSingleCelSDD..................... 69viii Contents
6. Measurements and Results .................................... 71
6.1 SpectroscopicPerformanceoftheScaterDetector...................... 71
6.2 MeasurementswiththeAbsorptionDetector ......................... 75
6.2.1 TimingCharacteristicsoftheAngerCamera..................... 77
6.3 FirstCoincidenceSignals .................................... 78
6.4 Coincidences with a Finely Collimated Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5 High-StatisticsCoincidenceMeasurements........................... 85
7. Conclusions and Future Work .................................. 91
7.1 Conclusions............................................ 91
7.2 FutureWork ........................................... 93
A.Appendices for Chapter 2 ..................................... 97
A.1DerivationoftheComptonEquation ............................. 97
A.2 Probability of Single Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.3 Angular and Energy Distribution of Recoil Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
B. Appendices for Chapter 3 ..................................... 101
B.1AngularUncertaintyduetoGeometricFactors........................101
B.1.1 TheContributionoftheScatterDetector.......................101
B.1.