Development of a Fast Component Discrimination Method to Obtain Fast CTR Using BaF₂
- 주제(키워드) Fast Component Discrimination Method , BaF₂ , SiPM , Fast Timing , Coincidence Time Resolution; 빠른 성분 판별 기법 , 바륨 플루오라이드(BaF₂) , 실리콘 광증배기(SiPM) , 빠른 시 간 측정 , 동시검출 시간분해능(CTR)
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082870
- UCI I804:11029-000000082870
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
BaF₂ emits photons consisting of a fast component with rapid decay and a slow component with a long decay time. The fast emission could provide excellent timing potential, but it is often masked by the dominant slow emission, making fast timing measurement difficult. To overcome this issue, this study proposes a fast-component discrimination method that identifies fast-dominant photons based on their signal dynamics. The detector was composed of 3 × 3 mm² BaF₂ with lengths of 3, 20, and 30 mm, coupled to a vacuum-ultraviolet (VUV)-sensitive silicon photomultiplier (SiPM). The high-frequency readout circuit was designed to extract both fast-timing and energy information with optimized bandwidth and noise performance. An amplitude-slew rate distribution was generated, and four regions (A, B1, B2, and C) were defined according to the intersection points between the photopeak reference line and the data distribution. Coincidence time resolution (CTR) was evaluated for each region, indicating that Region B2 exhibited the best timing performance. Using the proposed method, CTR improved from 115 ps to 98 ps (15%) for 3 mm, and by about 27% and 26% for the 20 mm and 30 mm, respectively. The improvement became more pronounced in longer crystals, where longer photon paths and transit times increased the timing dispersion, thereby increasing differences in signal dynamics between fast- and slow-dominant events and improving the discrimination effectiveness. These results demonstrated that the proposed discrimination method effectively enhanced CTR even for long crystals, making it promising for time-of-flight positron emission tomography (TOF-PET) applications.
more초록(요약문)
BaF₂는 감쇠 시간이 짧은 빠른 성분과 감쇠 시간이 긴 느린 성분으로 구성된 광자를 방출한다. 빠른 성분은 우수한 시간 성능을 제공할 잠재력이 있으나, 느린 성분에 해당하는 광자 수가 더 많아 빠른 타이밍 측정이 제한될 수 있다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 빠른 성분이 초기 파형에 반영될수록 펄스 상승부가 더 가파르게 형성되는 특성을 이용하여, 빠른 성분 이벤트를 선별하는 빠른 성분 판별 기법을 제안하였다. 검출기는 단면 3 × 3 mm², 길이 3, 20, 30 mm의 BaF₂와 진공자외선(VUV) 대역에서 높은 감도를 갖는 실리콘 광증배기(SiPM)를 결합하여 구성하였다. 또한 대역폭과 잡음 성능을 최적화한 고주파 판독 회로를 설계하여 빠른 타이밍 정보와 에너지 정보를 동시에 추출할 수 있도록 하였다. 제안한 기법에서는 측정 파형에서 진폭과 슬루율을 추출하여 진폭-슬루율 분포를 구성하고, 광피크 기준선과 데이터 분포의 교차 지점을 이용해 네 개의 영역(A, B1, B2, C)을 정의하였다. 슬루율은 펄스 상승부의 전압 변화율(dV/dt)로 정의하였으며, 각 영역의 동시검출 시간분해능(CTR)을 평가한 결과 B2 영역에서 가장 우수한 시간 성능이 확인되었다. 제안 기법 적용 시 3 mm에서는 CTR이 115 ps에서 98 ps로 15% 개선되었고, 20 mm와 30 mm에서는 각각 약 27%와 26% 개선되었다. 이 개선 효과는 긴 BaF₂에서 더 크게 나타났는데, 이는 섬광결정 길이가 길어질수록 광자 이동 경로와 전달 시간이 증가해 타이밍 분산이 커지고 그에 따라 이벤트 간 신호 파형 특성 차이가 커져 판별 효과가 향상되기 때문이다. 본 결과는 제안한 판별 기법이 긴 BaF₂에서도 CTR을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여주며, TOF-PET 시스템 적용에 유용하게 활용될 수 있음을 나타낸다.
more목차
1. Introduction 1
2. Materials and Methods 4
2.1. Detector Configuration 4
2.2. High-Frequency Readout Circuit 5
2.3. Data Acquisition and Coincidence Measurement 6
2.4. Fast-Component Discrimination Method 7
3. Results 9
3.1. Energy Spectrum 9
3.2. Classification of Regions and CTR for 3 mm BaF₂ 12
3.3. Classification of Regions and CTR for 20 mm BaF₂ 15
3.4. Classification of Regions and CTR for 30 mm BaF₂ 18
4. Discussion 21
5. Conclusion 25
6. Future work 26
Bibliography 29
Abstract in Korean 31
