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Development of Multi-channel Photon Counting Dual-Energy X-ray Detector using SiPM

SiPM을 이용한 다 채널 광자 계수 X 선 검출기 개발

  • 홍승환 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

높은 카운트 속도 및 에너지 분해능을 제공하는 CZT 및 CdT는 x- 선 이미징 분야에서 광자 계수 검출기로 널리 사용되어 왔지만 높은 작동 전압, 높은 비용 및 느린 응답이라는 심각한 단점이 있다. 이 연구의 목적은 SiPM을 사용하여 광자 계수 검출기를 개발하고, 저 잡음 및 고속 전자 장치를 설계하여 x-선 이미징 (~150 keV)을 위한 SiPM을 기반으로하는 다중 채널 검출기의 실현 가능성을 평가하였다. 검출기는 3 x 3 mm2 SiPM의 1 x 8 어레이와 결합 된 3 x 3 x 2 mm3 LYSO 결정의 1 x 8 어레이로 구성하였으며, 다 채널 광자 계수 x-선 검출기 전자 장치는 빠르고 작은 x-선 신호 출력의 기능을 고려하여 설계하였다. 프런트 엔드보 드는 고속, 저 왜곡 및 저 잡음 전압 증폭기를 사용하여 SNR을 개선하도록 설계하였으며, 빠른 전송과 높은 SNR을 위해 저 전압 차동 신호 입력 / 출력을 갖는 ADC를 사용하여 8 개의 출력을 모두 디지털화했다. 높은 유량의 x-선 응용에서 획득 된 x-선 에너지 스펙트럼의 왜곡뿐만 아니라 카운트 손실을 최소화하기 위해, 도착 시간 차이를 사용하는 쌓임 제거 알고리즘, 노이즈 신호를 평활화하기 위한 필터링 및 에너지 범위를 선택하기위한 에너지 윈도우 스펙트럼은 FPGA에서 구현하였다. USB 3.0 인터페이스를 호스트 PC로 데이터 전송에 사용하였다. X-선과 유사한 에너지 영역에서 검출기 및 전자 기기의 성능을 평가하기 위해, Cs-137 (36 keV) 및 Co-57 (122 keV)을 사용하여 에너지 스펙트럼을 측정 하였다. 모든 채널에서, 36 keV 및 122 keV 피크는 명확하게 구별되었고, 36 keV 피크의 에너지 해상도는 18%이고, 122 keV 피크의 에너지 해상도는 22%로 측정되었다. 저 에너지 (30 ~ 50 keV) 및 고 에너지 (70 ~ 90 keV) x-선의 카운트 속도는 각각 460 kcp와 240 kcp가 측정되었고, 총 카운트 속도는 1.3 Mcps로 측정되었다. 안정성 테스트 결과 저 에너지와 고 에너지의 개수 변화는 각각 1%와 0.7% 였다. 이 결과는 SiPM을 이용하여 제안하는 광자 계수 검출기가 광자 계수 x-선 이미징에 대한 에너지 식별 능력 및 타당성을 가짐을 나타냈다.

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초록/요약

CZT and CdTe providing high count rate and energy resolution have been widely used as photon counting detector in x-ray imaging applications but they have serious disadvantages of high operating voltage, high cost and slow response. The purpose of this study was to develop a photon counting detector using SiPM, to design low noise and high speed electronics and to assess the feasibility of the multi-channel detector based on SiPM for x-ray imaging (~150 keV). The detector was composed of 1 x 8 array of 3 x 3 x 2 mm3 LYSO crystals coupled with 1 x 8 array of 3 x 3 mm2 SiPMs. Multi-channel photon counting x-ray detector electronics was designed considering the features of fast and small x-ray signal output. Front-end board was designed using high speed, low distortion and low noise voltage amplifiers to improve SNR. All outputs were digitized using ADC having low voltage differential signaling input/output for fast transmission and high SNR. In order to minimize not only distortion but count loss of the obtained x-ray energy spectrum in high flux x-ray application, pile-up rejection algorithm using arrival time difference, filtering to smooth noise signal and energy window to select a range of energy spectrum were implemented in FPGA. The USB 3.0 interface was used for data transfer to the host PC. To evaluate the performance of the detector and electronics in the energy region similar to x-ray, energy spectra were measured using Cs-137 (36 keV) and Co-57 (122 keV). In all channels, 36 and 122 keV peaks were clearly distinguished, and the energy resolution of 36 keV peak was 20%, and the energy resolution of the 122 keV peak was 25%. Count rates of low energy (30~50 keV) and high energy (70~90 keV) X-rays were 460 kcps and 240 kcps, respectively. The total count rate was 1.3 Mcps. The results of the stability test showed that count variations of low energy and high energy were 1% and 0.7%, respectively. The results demonstrate that the photon counting detector using SiPM developed in this study was feasible for X-ray detector and the multi-channel detector based on SiPM had the potential to be used for medical imaging with dual energy X-ray.

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