Учебный эксперимент: Обнаружение аннигиляции позитронов

Оборудование:

Цель эксперимента:

Обнаружение аннигиляции позитронов с использованием пары детекторов, состоящих из сцинтилляционного кристалла LYSO, сопряжённого с кремниевым фотопомножителем (SiPM)

Основа эксперимента:

Принцип работы систем ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии) основан на регистрации высокоэнергетического излучения, испускаемого химическим маркером — молекулой, меченной радионуклидом, которая вводится пациенту. Маркер подбирается таким образом, чтобы он связывался с молекулами, участвующими в изучаемых биохимических или метаболических процессах. Это позволяет исследовать функционирование конкретного органа или выявлять патологические процессы, характеризующиеся локальным накоплением маркера.

Радиоизотоп испускает позитроны, которые аннигилируют с электронами атомов, в результате чего изотропно испускаются два противоположно направленных фотона с энергией 511 кэВ. Эти фотоны регистрируются кольцом детекторов, что позволяет любой паре детекторов зафиксировать два совпадающих фотона, излучённых в противоположных направлениях. Установка EasyPET включает всего два модуля детекторов, которые движутся согласованно и осуществляют два независимых типа вращений вокруг двух осей, обеспечивая поле обзора, эквивалентное полному кольцу детекторов. Быстрая система считывания позволяет фиксировать совпадающие события, происходящие от одного и того же акта распада.

Проведение эксперимента:

Установите держатель источника на стойку, закреплённую на основании системы, зафиксируйте U-образную плату на верхнем шаговом двигателе и подключите плоский кабель от платы к блоку управления. Подключите систему к компьютеру и включите питание. Подключите аналоговый выход одного из детекторов к входному каналу MCA DT5770 и в качестве триггера используйте сигнал совпадения, возникающий при совпадении выходов компараторов обоих детекторов в заданном временном окне.

Разместите держатель с источником между двумя детекторами и измерьте частоту тёмных счётов (DCR) в зависимости от порога. Затем поместите радиоактивный источник ²²Na в держатель и повторите измерение. Выберите порог и зарегистрируйте спектр совпадений с помощью многоканального анализатора (MCA).

Блок-схема экспериментального оборудования:

Результаты эксперимента:

Совпадение событий позволяет значительно снизить уровень шумов системы, вызванных тёмным током (DCR) SiPM. При оптимизации условий сбора данных введение режима регистрации совпадений добавляет к параметрам настройки, таким как напряжение смещения и порог, ещё один важный параметр — ширину временного окна совпадения.

Для выбора наилучших значений параметров необходимо проанализировать отклик системы в режиме совпадений на радиоактивный источник по сравнению со случайными (фоновыми) событиями при фиксированном рабочем напряжении.

Простая геометрия установки с двумя противоположно расположенными и выровненными детекторами, а также реализация метода совпадений обеспечивают, что в распределении энергии комптоновское рассеяние, происходящее в одном или даже обоих сцинтилляционных кристаллах, связано с одним и тем же актом аннигиляции.

Спектр совпадений радиоактивного источника ²²Na:

Частота совпадений с источником и без него в зависимости от порогового значения: