フォトンカウンティングCT応用のためのレーザー加工されたLYSO:Ceの光閉じ込めの検討

Exploring light confinement in laser-processed LYSO:Ce for photon counting CT application.

• L Bläckberg
• S Sajedi
• S Mandl
• A Mohan
• B Vittum
• G El Fakhri
• H Sabet

抄録

CTに適した低コストで高線量効率のシンチレータ型光子計数検出器(PCD)の開発を目的として、レーザー誘起光バリア(LIOB)を用いたLYSO:Ce検出器の光輸送特性をシミュレーションした。光閉じ込めと集光効率(LCE)を、様々な光バリアパターンと特性(屈折率(RI)とバリア/結晶界面の粗さ)について調べた。光検出器（PD）ピクセルに1対1で結合された各ピクセルを隔てる1つの障壁壁を持つ単純なピクセルパターンでは、最大80%の閉じ込めが達成可能である。封じ込めはバリア特性に大きく依存しており、界面が粗く、RIが高いとクロストークが増加します。基本的なパターンを超えて性能を向上させるための3つのアプローチが検討されています。(1) 各結晶ピクセルを隔てる複数のバリア壁。(2) PDピクセルごとに複数の結晶ピクセルを持つことで、長短距離閉じ込めを導入する。(3) LIOBとレーザーアブレーション(LA)の組み合わせ。(1) シングルウォールに比べ、ダブルウォールで最大24%の閉じ込め効果が得られるラフな界面に有効です。(2) PDピクセルを中心としたピクセルでは高い閉じ込め効果が得られるが、PDエッジに近いピクセルでは低い閉じ込め効果が得られる。この特徴は、光共有に基づいた位置決めアルゴリズムを使用して、PDピクセルサイズを超えた空間分解能を達成するために探索される可能性がある。(3)結晶の下部の滑らかなアブレーションを使用して、滑らかな界面の閉じ込めを増加させることができる。すべての構成にわたって一般的な傾向は、光閉じ込めとLCEの間のトレードオフである。LCEは機械的にピクセル化されたアレイの場合と同等であることがわかっています。LIOBは機械的に画素化されたアレイと比較して光の閉じ込めは常に低いですが、前者は検出器の設計の面で高いレベルの柔軟性を提供することができます。これは、費用対効果の高い方法でサブミリピクセルを製造する可能性と組み合わせて、LIOBをシンチレータベースのPCDのための有望な技術にしています。

With the goal of developing a low-cost scintillator-based photon counting detector (PCD) with high dose efficiency suitable for CT, the light transport characteristics in LYSO:Ce detectors containing laser induced optical barriers (LIOB) are simulated. Light confinement and light collection efficiencies (LCE) are studied for a variety of optical barrier patterns and properties (refractive index (RI) and barrier/crystal interface roughness). Up to 80% confinement is achievable with a simple pixel pattern with one barrier wall separating each pixel coupled one-to-one to a photodetector (PD) pixel. Confinement is heavily dependent on barrier properties, and rough interfaces and higher RI results in increased cross-talk. Three approaches to enhance performance beyond the basic pattern are explored: (1) Multiple barrier walls separating each crystal pixel. (2) Introduction of long and short range confinement by having multiple crystal pixels per PD pixel. (3) Combination of LIOB and laser ablation (LA). (1) Is effective for rough interfaces where confinement can be increased by up to 24% for double compared to single walls. (2) Results in high confinement in the pixel centered on the PD pixel, but lower confinement closer to the PD edge. This feature may be explored to achieve spatial resolution beyond the PD pixel size using light sharing based positioning algorithms. (3) Can increase confinement for smooth interfaces using a smooth ablation in the bottom part of the crystal. A general trend across all configurations is a trade-off between light confinement and LCE. The LCE attainable is found comparable to that for mechanically pixelated arrays. While the confinement achievable with LIOB is always lower compared to a mechanically pixelated array, the former may offer a high level of flexibility in terms of detector design. This, in combination with the possibility to fabricate sub-mm pixels in a cost-effective manner, makes LIOB a promising technology for scintillator-based PCDs.