航程正电子发射断层扫描在100皮秒分辨率下的实验和理论分析

闪烁晶体在高能物理和医学物理的探测器中有广泛的应用。它们不仅要求具有良好的能量分辨率，还需要优秀的时间分辨率。在医学应用中，L(Y)SO晶体通常用于时间飞行正电子发射断层扫描（TOF-PET）。本研究旨在确定使用基于L(Y)SO的闪烁体与硅光电倍增管（SiPM）耦合的时序实验和理论极限。测量基于在使用超快速放大器-鉴别器NINO和快速示波器的巧合设置中采用的时间超阈值方法。使用一个2 × 2 × 3 mm³的LSO:Ce共掺杂0.4% Ca晶体与商业可用的SiPM（Hamamatsu S10931-050P MPPC）耦合，我们在E=511 keV时获得了108±5ps的巧合时间分辨率（CTR）。我们确定数据采集系统的影响为27±2ps FWHM，因此与CTR相比可以忽略不计。这表明，耦合到SiPM光电探测器的L(Y)SO闪烁体能够实现接近所需的100ps FWHM的很好时间分辨率，适用于TOF-PET系统。为了充分理解测量值，我们开发了一个MATLAB模拟工具，结合了光电探测器的时序特性、晶体的闪烁特性以及通过SLITRANI模拟的晶体内光传输。将模拟结果与实测数据进行比较，以确定其预测能力。最后，我们利用该模型讨论了几个重要参数对时间分辨率的影响，如闪烁上升和下降时间、光产额、单光子时间分辨率（SPTR）和SiPM的检测效率。此外，我们发现光子在晶体内的传播时间扩散对CTR的影响在所使用的2 × 2 × 3 mm³几何形状下也不可忽视。© CERN 2013。