SCYNTYLATORACH (wykład dla ZKF) TRANSPORT ŚWIATŁA W SCYNTYLATORACH (wykład dla ZKF) ZAKŁAD OPTOELEKTRONIKI Instytut Fizyki UMK, TORUŃ-BYDGOSZCZ Andrzej J. Wojtowicz 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

PLAN WYKŁADU Scyntylatory do kamer PET; wstęp Wydajność scyntylacji pixeli; eksperyment Interpretacja wyników, prosty model Poprawki do prostego modelu Potrzeba (możliwość) bardziej zaawansowanych obliczeń PODSUMOWANIE 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Wybrane kryształy scyntylacyjne; podstawowe własności Kryształy: Photonic Materials Ltd, CTI Inc, ITME - Warszawa 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

PROJEKT ClearPetTM: pixele 2x2x8 i 2x2x10mm LuAP, LuYAP i LYSO LuAP: 8.34 g/cm3, 0.3 fotoułamek, emisja 365 nm, czas zaniku 17-18 ns, LY ponad 2xBGO trudny w produkcji, stąd LuYAP PROJEKT ClearPetTM: pixele 2x2x8 i 2x2x10mm LuAP, LuYAP i LYSO 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Geometrią roboczą w PET jest ver Najważniejszy dla PET parametr charakteryzujący scyntylator (pixel) to wydajność scyntylacji. Wydajność scyntylacji mierzymy w dwóch geometriach (dlaczego; patrz dalej): ver (pixel prostopadły do okienka PMT) hor (pixel leżący na okienku PMTr) Geometrią roboczą w PET jest ver 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF PROBLEM z LuAP: niska wydajność ver (duże straty) stosunek V2H (LYver/LYhor) zaledwie 0.3 (niezła wydajność ale duże straty) Inne kryształy; najwyższe zmierzone wartości V2H: BGO 0.6 LSO, LYSO 0.63 LuAP 0.43 LuYAP 0.56 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF BADANE PRÓBKI Photonic Materials Ltd, PML pixele 2x2x10 mm i płytki 5x5x1 blisko 60 próbek LuAP, YAP i LuYAP, dostarczone w latach 2003-2005 Kryształ z produkcji (Czochralski): średnica do 53 mm, długość cylindra do 130 mm 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

PODSUMOWANIE POMIARÓW WYDAJNOŚCI SCYNTYLACJI LuAP (PML) V2H= 1) 900/2104 = 0.43 2) 909/2247 = 0.40 3) 856/2068 = 0.41 4) 909/2122 = 0.43 5) 740/1837 = 0.40 6) 873/2110 = 0.41 7) 855/1982 = 0.43 LuYAP (PML) V2H = 1) 999/1774 = 0.56 2) 793/1614 = 0.49 3) 856/1712 = 0.50 4) 1186/2533 = 0.47 5) 1061/2555 = 0.42 6) 945/2271 = 0.42 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Model – 2R (dwóch promieni) Uzasadnienie eksperymentalne: Wczesne prace Lempicki et al, ostatnio Dujardin et al: LY zależy przede wszystkim od wysokości kryształu a nie od jego szerokości czy długości 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Model – 2R (dwóch promieni) W geometrii hor mniejsze straty (krótsza droga fotonu); LY(hor) bliższy „prawdziwej” wydajności scyntylacji W geometrii ver duże straty (dłuższa droga fotonu); LY(ver) zależy zarówno od „prawdziwej” wydajności scyntylacji jak i od strat Metoda pozwala z dwóch pomiarów ver i hor wyliczyć „prawdziwą” wydajność scyntylacji (bez strat) i współczynnik strat 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Model - 2R Punkty eksperymentalne, Balcerzyk et al., 2005 Linia ciągła model – 2R 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

ZESTAWIENIE WYNIKÓW Z MODELU 2R Współczynnik strat (cm-1) / LY(0) (phel/MeV) LuAP (PML) 1) 1.46 / 2780 2) 1.61 / 3050 3) 1.55 / 2780 4) 1.46 / 2800 5) 1.62 / 2500 6) 1.55 / 2830 7) 1.44 / 2610 LuYAP (PML) 1) 0.86 / 2100 2) 1.14 / 2010 3) 1.10 / 2120 4) 1.24 / 3210 5) 1.54 / 3420 6) 1.53 / 3040 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

MODEL-2R, wybrane pixele LuAP Wsp. strat 1.4-1.6 cm-1, LY(0) =2800-3600 phel/MeV 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

MODEL-2R, wybrane pixele LuYAP Wsp. strat 0.8-1.5 cm-1, LY(0) =2200-3200 phel/MeV 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF MODEL-2R, podsumowanie Bez modelu podanie pełnej charakterystyki wydajności scyntylacyjnej pixela wymaga podania trzech liczb; LY(ver), LY(hor) i LY(ver)/LY(hor) Model 2R pozwala na zastąpienie trzech liczb dwoma; LY(0) – wewn. (intrinsic) wydajność scyntylacji μ – współczynnik strat Model pozwala na prawidłową ocenę fizycznych przyczyn dobrej lub złej charakterystyki pixela 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

LICZNIK SCYNTYLACYJNY Warunek zarejestrowania fotonu: n1: okienko fotopowielacza (1.5) 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Całkowite wewnętrzne odbicie na powierzchniach bocznych Warunek na n: 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Czynnik związany z kątem granicznym: Dla n1 = 1.5 i n = 1.95 czynnik wynosi: 0.18 dla n1 = 1.5 i n = 1.6 czynnik wynosi: 0.32 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Czynnik m (efektywna droga fotonu): Dla n1 = 1.5 i n = 1.95 kąt αgr = 50° i m = 1.24 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Wydajność scyntylacji pixela o długości L: Dla m = 1 i r = 1, wzór ten przechodzi w model 2R 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

DLACZEGO MODEL 2R (nawet z poprawkami) nie jest zadowalający CO MOŻNA POLICZYĆ? Jakie są możliwości numeryczne? Czy istnieją zaawansowane programy dostępne na świecie? Czy to się da zrobić? 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Geant4, CERN, program typu Monte Carlo Symulacja przechodzenia cząstek przez ośrodki materialne (fizyka wysokich energii, fizyka jądrowa, fizyka medyczna, badania z wykorzystaniem akceleratorów i w przestrzeni kosmicznej) http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant4/ WADY: rozbudowany, trudny w użyciu ZALETY: pozwala na rozwiązanie bardzo różnorodnych problemów, duże możliwości 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF LITRANI: program typu Monte-Carlo, symuluje rozchodzenie się fotonów scyntylacyjnych w ośrodkach izo- i anizotropowych AUTOR: F.X. Gentit Strona www: http://gentit.home.cern.ch/gentit/litrani/ LITRANI 3.3, napisany w C++, w środowisku ROOT. Pracuje w Windows NT/2000/XP i Linuxie. Wszystkie kody źródłowe są dostępne. W Windows XP, wersja LITRANI skompilowana (VC++7.1), z wersjami "Pro" i "Win32gdk" ROOTa : 5.08/00. można ściągnąć (bez opłat) wszystkie potrzebne pliki, instrukcje, jest forum użytkowników, FAQs. 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

LITRANI, charakterystyka ogólna: każdy foton jest śledzony od generacji do zarejestrowania przez detektor różne kształty scyntylatora (także pixele PET), różne materiały (stała dielektryczna, współczynnik absorpcji i długość dyfuzji zależne od długości fali), anizotropowość powierzchnie graniczne; odbicie lustrzane i dyfuzyjne, różne współczynniki odbicia, reflektor z warstwą przejściową fotony; emisja spontaniczna, generacja przez kaskadę e-m, włókna optyczne detektor: APD, PMT 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!! PODSUMOWANIE I WNIOSKI: Numeryczne rozwiązanie problemu transportu światła w oparciu o metodę Monte Carlo i bezpłatne programy z CERNu, w pixelach LuAP i LuYAP dla kamer PET to może być sensowna i pożyteczna praca magisterska DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!! 9 stycz. 2006 Andrzej J. Wojtowicz, wykład dla ZKF