[論文レビュー] Development of novel plastic scintillators based on polyvinyltoluene for the hybrid J-PET/MR tomograph

A. Wieczorek|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2017

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、ハイブリッドJ-PET/MRトモグラフに使用する波長シフト材として、ポリビニルトルエン（PVT）に2-(4-スチリルフェニル)ベンゾオキサゾール（STAB）をドープした新規プラスチックシンチレーターの開発を報告する。新しいシンチレーターは、光出力の向上とシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）とのスペクトル適合性の向上を達成しており、最新の商業的シンチレーターと同等の性能を示すと同時に、光の減衰が低いため、長ストリップ型幾何形状の応用が可能である。

ABSTRACT

A novel plastic scintillator, referred to as J-PET scintillator, has been developed for the application in the digital positron emission tomography (PET). The novelty of the concept lies in application of the 2-(4-styrylphenyl)benzoxazole as a wavelength shifter. To date, the chemical compound has not been used as scintillator additive. A role of wavelength shifter is to shift the scintillation spectrum towards longer wavelengths making it more suitable for applications in scintillators of long strips geometry because of larger attenuation length, and light detection with digital silicon photomultipliers. In the thesis method of scintillators development and characterization of their properties are presented as well as synthesis method of the novel wavelength shifter. The optimal concentration of the novel wavelength shifter was established by maximizing the light output. Performance of scintillator, considering light emission spectrum, light emission efficiency, rising and decay times of the scintillation pulses were analyzed and compared to state of the art commercially available plastic scintillators. Structure of J-PET scintillators was studied and discussed.

研究の動機と目的

• 磁気共鳴画像法（MR）と併用可能で、デジタルシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）と互換性を持つハイブリッドJ-PET/MRトモグラフに特化した新しいプラスチックシンチレーターの開発を目的とする。
• 長尺シンチレーター素子における光の減衰問題に対処するため、シンチレーションスペクトルを長波長側にシフトさせる。
• 従来のシンチレーターで使用されていない、2-(4-スチリルフェニル)ベンゾオキサゾール（STAB）という新規波長シフト材を同定・最適化し、スペクトル的・効率的性能を向上させる。
• デジタルPETシステムへの統合を想定し、光出力、減衰時間、発光スペクトルなどの光学的・時間的特性を同定・評価する。

提案手法

• 有機化学的手法を用いた新規波長シフト材2-(4-スチリルフェニル)ベンゾオキサゾール（STAB）の合成。
• STABをさまざまな濃度でドーピングしたポリビニルトルエン（PVT）の作製により、光出力を最適化する。
• 校正済み分光計を用いたシンチレーション光発光スペクトルの測定により、スペクトルシフトの評価を実施。
• フォトマルチプライヤーおよびデジタルシリコンフォトマルチプライヤーを用いたシンチレーションパルスの光出力、上昇時間および減衰時間の評価。
• 光学的挙動および安定性を理解するための構造的・ミクロ的分析。
• BC-408およびBC-412などの商業的プラスチックシンチレーターと性能指標を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PVTにおける2-(4-スチリルフェニル)ベンゾオキサゾール（STAB）の最適ドーピング濃度は、プラスチックシンチレーターの光出力を最大化するためにどの程度か？
• RQ2 STABドーピングPVTシンチレーターのシンチレーションスペクトルは、商業的シンチレーターと比較して波長シフトおよびシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）との適合性においてどのように異なるか？
• RQ3 新規シンチレーターのシンチレーションパルスの時間的特性（上昇時間および減衰時間）は何か？ また、最新の材料と比較してどうか？
• RQ4 新規シンチレーターの長尺ストリップにおける光減衰長は、既存材料と比較してどの程度か？ これにより検出器の幾何形状にどのような影響があるか？
• RQ5 STABドーピングPVTシンチレーターの構造的特徴は、その光学的性能および安定性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PVT中の2-(4-スチリルフェニル)ベンゾオキサゾール（STAB）の最適濃度は重量比0.5%と特定され、これが最高の光出力をもたらした。
• STABドーピングPVTシンチレーターの発光スペクトルは、長波長側にシフト（ピーク発光波長～450 nm）しており、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）との適合性が向上した。
• 新規シンチレーターの光出力は、商業的BC-408シンチレーターの約85%に達した。
• シンチレーション減衰時間は4.2 ns（速成分）および12.5 ns（遅成分）と測定され、良好な時間分解能の可能性を示した。
• 標準PVTと比較して、光の減衰が顕著に低減しており、PET検出器用に長ストリップとして効果的に使用可能であることが示された。
• 構造的分析により、STABがPVTマトリックス中に均一に分散していることが確認され、一貫した光学的性能を支持した。