[논문 리뷰] Development of novel plastic scintillators based on polyvinyltoluene for the hybrid J-PET/MR tomograph

A. Wieczorek|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 23.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 38인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 J-PET/MR 톰그래프에서 사용하기 위한 파장 이동 물질로 2-(4-스티릴페닐)벤조옥azole (STAB) 도핑된 폴리비닐톨루엔 (PVT)을 기반으로 한 새로운 플라스틱 색소를 개발하는 것을 제시한다. 새로운 색소는 높은 광출력과 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPM)와의 향상된 스펙트럼 호환성을 확보하여 최신 상용 색소 수준의 성능을 보이며, 빛의 감쇠가 감소함으로써 장스티프 기하구조 응용이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기공명 영상(MRI)과 디지털 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPM)와의 호환성이 요구되는 하이브리드 J-PET/MR 톰그래프를 위한 새로운 플라스틱 색소 개발.
• 장스티프 색소 스트립에서의 빛 감쇠 문제를 해결하기 위해 형광 스펙트럼을 더 긴 파장으로 이동시키기.
• 이전에 색소에서 사용되지 않은 새로운 파장 이동 물질인 2-(4-스티릴페닐)벤조옥졸 (STAB)을 식별하고 최적화하여 스펙트럼 및 효율 성능 향상.
• 디지털 PET 시스템 통합을 위한 광학적 및 시간적 특성(광량, 붕괴 시간, 방출 스펙트럼 포함)의 특성 분석.

제안 방법

• 유기화학적 방법을 이용한 새로운 파장 이동 물질 2-(4-스티릴페닐)벤조옥졸 (STAB)의 합성.
• 광출력 최적화를 위한 PVT에 다양한 농도의 STAB 도핑.
• 스펙트럼 이동 평가를 위한 캘리브레이션된 스펙트럼계측기로 형광 빛 방출 스펙트럼 측정.
• 광다이오드 및 디지털 실리콘 광다이오드 다이오드 감지기를 이용한 형광 펄스의 광량, 상승 및 붕괴 시간 평가.
• 색소의 광학적 거동과 안정성 이해를 위한 구조적 및 미세구조 분석.
• BC-408 및 BC-412와 같은 상용 플라스틱 색소와의 성능 지표 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PVT 내에서 2-(4-스티릴페닐)벤조옥졸 (STAB)을 파장 이동 물질로 사용할 때, 플라스틱 색소의 광출력을 최대화하기 위한 최적의 농도는 무엇인가?
• RQ2 STAB 도핑된 PVT 색소의 형광 스펙트럼은 상용 색소와 비교해 파장 이동 및 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPM)와의 호환성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 신규 색소의 형광 펄스의 시간적 특성(상승 및 붕괴 시간)은 무엇이며, 최신 기술 수준의 재료와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 신규 색소의 장스티프에서의 빛 감쇠 길이는 기존 재료와 비교해 어떻게 되며, 이는 탐지기 기하구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 STAB 도핑된 PVT 색소의 구조적 특징 중 광학 성능과 안정성에 영향을 주는 요소는 무엇인가?

주요 결과

• PVT 내에서 2-(4-스티릴페닐)벤조옥졸 (STAB)의 최적 농도는 무게로 0.5%로 결정되었으며, 이는 최고의 광출력을 제공하였다.
• STAB 도핑된 PVT 색소의 형광 스펙트럼은 더 긴 파장으로 이동되어(최대 방출 파장 ~450 nm) 실리콘 광다이오드 다이오드(SiPM)와의 호환성이 향상되었다.
• 신규 색소의 광출력은 상용 BC-408 색소의 약 85%에 도달하였다.
• 형광 붕괴 시간은 4.2 ns(빠른 성분) 및 12.5 ns(느린 성분)로 측정되어 양호한 타이밍 해상도 잠재력을 보였다.
• 표준 PVT 대비 빛 감쇠가著 감소하여, PET 탐지기용 장스티프에서 효과적인 사용이 가능함을 입증하였다.
• 구조 분석을 통해 STAB이 PVT 매트릭스에 균일하게 분포되어 있음을 확인하여 일관된 광학 성능을 뒷받침하였다.