Optimization of the light extraction from heavy inorganic scintillators

Abstract

One key problem in the development of the next generation of medical imaging systems is the optimization of the energy resolution of the detectors that are used as converter for the high energy X- and gamma radiation. These detectors usually consist of scintillators and their energy resolution is highly dependent on their light output.<br />Especially in tiny crystals with small aspect ratio, a significant number of the photons produced during the scintillation process is lost.<br />The present work explores possible ways to overcome the problem of unwanted total internal reflection at the surface of the scintillator that couples to the photo detector, which is one of the major reasons for signal losses in heavy inorganic scintillators. The emphasis is placed on the recently developed scintillators LYSO and LuYAP that have been used in the dedicated PET imaging systems ClearPEM and ClearPET developed by the Crystal Clear Collaboration.<br />Starting point of the thesis are simulations of scintillators with plain exit surface with the light ray tracing program LITRANI. These simulations are used to assess the losses induced by total internal reflection and the potential in effective light yield gain. Moreover, a comparison with experimental data allows for the determination of the absolute light yield of the scintillators.<br />The results of the simulations are then used to study the effect of non-planar coupling faces on the light extraction. Two approaches are considered: a macroscopic one, in which trapezoidal grooves with a depth of several hundred micrometers are used to break up total internal reflection at the coupling face; and a microscopic one that uses the unique optical properties of photonic crystals to assess photons outside the extraction cone of a plain coupling face.<br />The potential of the macroscopic approach is assessed by means of LITRANI simulations and validated by experiments with prototype samples designed on basis of the simulation results. It is shown that the experimental values are well reproduced by a model where the crystal layers immediately beneath the groove surfaces are described by a heavily absorbing and diffusing material.<br />The microscopic approach is probed by means of simulations with a scattering matrix algorithm. In combination with LITRANI data on the angular distribution of the photons arriving at the exit surface, a model is developed which allows for calculating the gain in light collection efficiency for a number of possible designs. Finally, possible fabrication techniques for photonic crystal structures on scintillators are briefly discussed, and two currently produced prototypes are presented.

Eine der wichtigsten Herausforderungen in der Entwicklung von PET-Detektoren der nächsten Generation ist die Optimierung der Energieauflösung der Detektoren, die die in den Verfahren verwendete energiereiche Röntgen- und Gammastrahlung in ein für die Auswertung nutzbares Signal konvertieren. Die Detektoren bestehen dabei üblicherweise aus inorganischen Szintillatoren und die Energieauflösung korreliert mit der effektiven Lichtausbeute der Kristalle. Speziell in Kristallen mit einer im Vergleich zur Austrittsfläche sehr großen Längsausdehnung geht eine signifikante Anzahl der produzierten Photonen verloren. Ein großer Anteil der Verluste ist dabei durch Totalreflexion an der dem Photodetektor zugewandten Grenzfläche bedingt.<br />Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels geeigneter struktureller Anpassungen das Problem der Totalreflexion an der Austrittsfläche des Szintillators zu umgehen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Szintillatoren LuYAP:Ce und LYSO:Ce, die in den von der Crystal Clear Collaboration entwickelten PET-Systemen ClearPEM und ClearPETTM als Detektoren Anwendung finden.<br />Startpunkt der Arbeit sind Simulationen von Szintillatoren mit planarer Austrittsfläche mit Hilfe des Monte-Carlo Programms LITRANI. Dabei werden die Verluste durch Totalreflexion bestimmt und das Potential der Kristalle hinsichtlich einer Erhöhung der Lichtausbeute ausgelotet. Der Vergleich der erhaltenen Daten mit experimentell erhaltenen Werten erlaubt zudem eine Bestimmung der absoluten Lichtausbeute der Szintillatoren. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird der Einfluss von nicht-planaren Austrittsflächen auf die Lichtausbeute evaluiert. Zwei Ansätze werden dabei näher untersucht: Ein makroskopischer Ansatz mittels trapezoidaler Kerben mit einer Tiefe von einigen 100 m; und ein mikroskopischer Ansatz, bei dem die Totalreflexion an der Austrittsfläche über eine Nanostrukturierung der Fläche mittels photonischer Kristalle umgangen wird.<br />Das Potential des makroskopischen Ansatzes wird mit Hilfe von LITRANI-Simulationen untersucht und mittels Experimenten an speziell hergestellten Prototypen überprüft. Dabei wird gezeigt, dass die experimentellen Werte gut von einem Modell reproduziert werden, bei welchem den unmittelbar an die Kerbe angrenzenden Bereichen des Kristalls eine starke Absorption und Diffusion zugeordnet wird.<br />Das Potential des mikroskopischen Ansatzes wird anhand von Simulationen mit einem Streumatrix-Algorithmus evaluiert. Mit Hilfe des Algorithmus und der mit LITRANI berechneten Winkelverteilung der auf die Austrittsfläche auftreffenden Photonen wird ein Modell entwickelt, welches eine näherungsweise Berechnung der Lichtausbeute eines nanostrukturierten Szintillators erlaubt. Zum Abschluss wird kurz auf mögliche Techniken zur Herstellung derartiger Mirkostrukturierungen eingegangen und zwei derzeit in Produktion befindliche Prototypen werden vorgestellt.<br />