Synteza i charakterystyka scyntylatorów kompozytowych stosowanych w pozytonowej tomografii emisyjnej
Synthesis and characterization of polystyrene scintillators and their application in positron emission tomography
Łukasz Kapłon
Streszczenie
Celem tej pracy było opracowanie scyntylatora polistyrenowego używanego w nowatorskim skanerze Jagiellońskiej Pozytonowej Emisyjnej Tomografii (J-PET) rozwijanym pod kątem obrazowania całego ciała. Aby osiągnąć ten cel, wyprodukowano i scharakteryzowano polimerowe scyntylatory oparte na polistyrenie z różnymi składami chemicznymi. Zmierzono spektroskopowe i optyczne właściwości tych polistyrenowych scyntylatorów. Struktura wyprodukowanych polimerowych scyntylatorów była zbadana z użyciem dwóch metod: proszkowej rentgenografii strukturalnej (PXRD) i skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC).
Przeprowadzono optymalizację warunków polimeryzacji styrenu do produkcji detektorów promieniowania gamma. Jako rezultat pracy przedstawionej w tej rozprawie doktorskiej zostały ustalone cykle czas-temperatura: (i) dla polimeryzacji
w małych cylindrach jak również (ii) dla polimeryzacji w szklanych formach pozwalających wyprodukować paski polimerowych scyntylatorów o dużych rozmiarach. Ta rozprawa doktorska zawiera także nową metodę opracowaną dla szybkiej kontroli jakości pasków polimerowych scyntylatorów. Opracowana metoda została pomyślnie zastosowana podczas budowy prototypu tomografu J-PET.
W celu opracowania najlepszej kompozycji dokonano pomiarów wydajności świetlnej, czasu zaniku sygnału, widma emisji i technicznej długości wygaszania światła. Pośród scyntylatorów polistyrenowych zsyntezowanych w ramach tej pracy doktorskiej ustalono, że:
(i) polistyrenowy scyntylator o składzie chemicznym 2% BPBD pierwszego dodatku i 0.06% POPOP przesuwacza długości fali posiada najlepsze właściwości czasowe z czasem zaniku sygnału 1.51 ± 0.02 ns, który jest porównywalny z czasami zaniku sygnału komercyjnych scyntylatorów np. dla BC-420 (1.5 ns), BC-404 (1.8 ns) i EJ-230 (1.5 ns) użytych w tomografie
J-PET;
(ii) polistyrenowy scyntylator o składzie chemicznym 2% PPO pierwszego dodatku oraz 0.03% bis-MSB i 0.03% POPOP przesuwaczy długości fali cechuje się najlepszą wartością wydajności świetlnej ponad 11200 wyemitowanych fotonów światła na megaelektronowolt (MeV) energii zdeponowanej, wydajność ta jest porównywalna z wydajnością świetlną komercyjnego scyntylatora BC-420 o wartości 10240 fotonów na MeV.
Abstract
The
aim of the thesis was to develop polystyrene scintillator for use in
the novel time of flight Jagiellonian Positron Emission Tomography
(J-PET) scanner being elaborated for the whole-body imaging. To achieve
this goal, polystyrene based plastic scintillators with the different
chemical compositions were produced and characterized. Spectroscopic and
optical properties of these polystyrene scintillators were measured.
Structure of manufactured plastic scintillators were studied using two
methods: powder X-ray diffraction (PXRD) and differential scanning
calorimetry (DSC).
Optimization of the conditions of styrene
polymerization for the production of gamma radiation detectors was
conducted. As a result of the work presented in this thesis the
time-temperature cycles were established: (i) for polymerization in
small cylinders as well as (ii) for polymerization in the glass mold
allowing to manufacture long plastic scintillator strips. This thesis
presents also a new method developed for the fast quality control of
plastic scintillator strips. The method was successfully applied during
J-PET prototype building.
Light output, decay time, emission spectra
and technical attenuation length were measured to develop best
composition of polystyrene scintillator. Among the polystyrene
scintillators synthesized in the framework of this thesis it was
established that:
(i) polystyrene scintillator with 2% BPBD primary solute and 0.06% POPOP wavelength shifter possess the best timing properties with decay time of 1.51 ± 0.02 ns that is in the range of the decay time of the best commercial scintillators as e.g. BC-420 (1.5 ns), BC-404 (1.8 ns) and EJ-230 (1.5 ns) used in the J-PET tomograph;
(ii) polystyrene scintillator with 2% PPO primary solute and 0.03% bis-MSB and 0.03% POPOP wavelength shifters is characterized by the best light output of over 11200 photons per megaelectronvolt (MeV) which is comparable with light output of BC-420 with value 10240 photons per MeV.