[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种基于聚苯乙烯-甲苯（PVT）掺杂2-(4-苯乙烯基苯基)苯并恶唑（STAB）作为波长转换剂的新型塑料闪烁体，用于混合J-PET/MR正电子发射断层扫描仪。该新型闪烁体实现了更高的光输出，并改善了与硅光电倍增管（SiPM）的光谱兼容性，其性能可与最先进的商用闪烁体相媲美，同时由于光衰减降低，使其适用于长条形几何结构的应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种专用于混合J-PET/MR正电子发射断层扫描仪的新塑料闪烁体，该系统需兼容磁共振成像并使用数字硅光电倍增管。
• 通过将闪烁光谱移至更长波长，解决长闪烁体条中光衰减的挑战。
• 识别并优化一种此前未在闪烁体中使用过的新型波长转换剂——2-(4-苯乙烯基苯基)苯并恶唑（STAB），以提升光谱匹配性和效率性能。
• 表征该闪烁体的光学与时间特性，包括光产额、衰减时间及发射光谱，以实现其在数字PET系统中的集成。

提出的方法

• 采用有机化学方法合成新型波长转换剂2-(4-苯乙烯基苯基)苯并恶唑（STAB）。
• 通过改变STAB的掺杂浓度，对聚苯乙烯-甲苯（PVT）进行掺杂以优化光输出。
• 使用校准光谱仪测量闪烁发光光谱，评估光谱位移效果。
• 通过光电倍增管和数字硅光电倍增管检测，评估光产额、脉冲上升时间和衰减时间。
• 对闪烁体进行结构与形貌分析，以理解其光学行为与稳定性。
• 将性能指标与商用塑料闪烁体（如BC-408和BC-412）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PVT中，2-(4-苯乙烯基苯基)苯并恶唑（STAB）作为波长转换剂的最优浓度是多少，以实现塑料闪烁体光输出的最大化？
• RQ2 STAB掺杂PVT闪烁体的闪烁光谱与商用闪烁体相比，在波长位移和与硅光电倍增管的兼容性方面有何差异？
• RQ3 该新型闪烁体的闪烁脉冲时间特性（上升时间与衰减时间）如何？与当前最先进的材料相比表现如何？
• RQ4 该新型闪烁体在长条形结构中的光衰减长度与现有材料相比如何？这对探测器几何结构设计有何影响？
• RQ5 STAB掺杂PVT闪烁体的哪些结构特征影响其光学性能与稳定性？

主要发现

• 确定PVT中2-(4-苯乙烯基苯基)苯并恶唑（STAB）的最优质量浓度为0.5%，可实现最高光输出。
• STAB掺杂PVT闪烁体的发射光谱向更长波长移动（最大发射波长约450 nm），显著提升了与硅光电倍增管的兼容性。
• 该新型闪烁体的光产额达到商用BC-408闪烁体约85%的水平。
• 闪烁衰减时间测量结果为4.2 ns（快组分）和12.5 ns（慢组分），表明其具备良好的时间分辨率潜力。
• 与标准PVT相比，该闪烁体显著降低了光衰减，使其在PET探测器中可有效用于长条形结构。
• 结构分析证实STAB在PVT基质中分布均匀，支持光学性能的一致性。