Kilyoung Ko ;Wonku Kim ;Hyunwoong Choi;Gyuseong Cho
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.7
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pp.2432-2437
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2023
Methodology for suppressing or recovering the distorted spectra, which may occur due to mutual non-uniformity and nonlinear response when a multi-detector is simultaneously operated for gamma spectroscopy, is presented with respect to its applicability to stabilization of spectra having the non-identical feature using modified full spectrum reallocation method. The modified full-spectrum reallocation method is extended to provide multiple coefficients that describe the gain drift for multi-division of the spectrum and they were incorporated into an optimization process utilizing a random sampling algorithm. Significant performance improvements were observed with the use of multiple coefficients for solving partial peak dislocation. In this study, our achievements to confirm the stabilization of spectrum having differences in moments and modify the full spectrum reallocation method provide the feasibility of the method and ways to minimize the implication of the non-linear responses normally associated with inherent characteristics of the detector system. We believe that this study will not only simplify the calibration process by using an identical response curve but will also contribute to simplifying data pre-processing for various studies as all spectra can be stabilized with identical channel widths and numbers.
Jiwoong Jung;Yong Choi;Seunghun Back;Jin Ho Jung;Sangwon Lee;Yeonkyeong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.4
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pp.1532-1537
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2024
Time-of-flight (TOF) PET detectors with fast-rise-time scintillators and fast-single photon time resolution silicon photomultiplier (SiPM) have been developed to improve the coincidence timing resolution (CTR) to sub-100 ps. The CTR can be further improved with an optimal bandwidth and minimized electronic noise in the readout circuit and this helps reduce the distortion of the fast signals generated from the TOF-PET detector. The purpose of this study was to develop an ultra-high frequency and fully-differential (UF-FD) readout circuit that minimizes distortion in the fast signals produced using TOF-PET detectors, and suppresses the impact of the electronic noise generated from the detector and front-end readout circuits. The proposed UF-FD readout circuit is composed of two differential amplifiers (time) and a current feedback operational amplifier (energy). The ultra-high frequency differential (7 GHz) amplifiers can reduce the common ground noise in the fully-differential mode and minimize the distortion in the fast signal. The CTR and energy resolution were measured to evaluate the performance of the UF-FD readout circuit. These results were compared with those obtained from a high-frequency and single ended readout circuit. The experiment results indicated that the UF-FD readout circuit proposed in this study could substantially improve the best achievable CTR of TOF-PET detectors.
Moon, Sun Young;Jeong, EunHee;Lim, Young Kyung;Chung, Weon Kyu;Huh, Hyun Do;Kim, Dong Wook;Yoon, Myonggeun
Progress in Medical Physics
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v.27
no.4
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pp.213-219
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2016
The position verification of the radiation source utilized in brachytherapy forms a critical factor in determining the therapeutic efficiency. Currently, films are used to verify the source position; however, this method is encumbered by the lengthy time interval required from film scanning to analysis, which makes real-time position verification difficult. In general, the source position accuracy is usually tested in a monthly quality assurance check. In this context, this study investigates the feasibility of the real-time position verification of the radiation source in high dose rate (HDR) brachytherapy with the use of scintillating fibers. To this end, we construct a system consisting of scintillating fibers and a silicon photomultiplier (SiPM), optimize the dosimetric software setup and radiation system characteristics to obtain maximum measurement accuracy, and determine the relative ratio of the measured signals dependent upon the position of the scintillating fiber. According to the dosimetric results based on a treatment plan, in which the dwell time is set at 30 and 60 s at two dwell positions, the number of signals is 31.5 and 83, respectively. In other words, the signal rate roughly doubles in proportion to the dwell time. The source position can also be confirmed at the same time. With further improvements in the spatial resolution and scintillating fiber array, the source position can be verified in real-time in clinical settings with the use of a scintillating fiber-based system.
Kim, Yeonkyeong;Choi, Yong;Kim, Kyu Bom;Leem, Hyuntae;Jung, Jin Ho
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.11
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pp.3790-3797
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2021
Although the individual channel readout method can improve the performance of PET detectors with pixelated photo-sensors, such as silicon photomultiplier (SiPM), this method leads to a significant increase in the number of readout channels. In this study, we proposed a novel multiplexing method that could effectively reduce the number of readout channels to reduce system complexity and development cost. The proposed multiplexing circuit was designed to generate bipolar pulses with different zero-crossing points by adjusting the time constant of the high-pass filter connected to each channel of a pixelated photo-sensor. The channel position of the detected gamma-ray was identified by estimating the width between the rising edge and the zero-crossing point of the bipolar pulse. In order to evaluate the performance of the proposed multiplexing circuit, four detector blocks, each consisting of a 4 × 4 array of 3 mm × 3 mm × 20 mm LYSO and a 4 × 4 SiPM array, were constructed. The average energy resolution was 13.2 ± 1.1% for all 64 crystal pixels and each pixel position was accurately identified. A coincidence timing resolution was 580 ± 12 ps. The experimental results indicated that the novel multiplexing method proposed in this study is able to effectively reduce the number of readout channels while maintaining accurate position identification with good energy and timing performance. In addition, it could be useful for the development of PET systems consisting of a large number of pixelated detectors.
Kim, Junhyeok;Park, Kyeongjin;Hwang, Jisung;Kim, Hojik;Kim, Jinhwan;Kim, Hyunduk;Jung, Sung-Hee;Kim, Youngsug;Cho, Gyuseong
Nuclear Engineering and Technology
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v.51
no.4
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pp.1091-1097
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2019
After the Fukushima accident in 2011, there has been increased public concern about radioactive contamination of water resources through fallout in neighboring countries. However, there is still no available initial response system that can promptly detect radionuclides. The purpose of this research is to develop the most efficient gamma spectrometer to monitor radionuclides in an aquatic environment. We chose a thallium-doped sodium iodide (NaI(Tl)) scintillator readout with a silicon photo multiplier (SiPM) due to its compactness and low operating voltage. Three types of a scintillation detector were tested. One was composed of a scintillator and a photomultiplier tube (PMT) as a reference; another system consisted of a scintillator and an array of SiPMs with a light guide; and the other was a scintillator directly coupled with an array of SiPMs. Among the SiPM-based detectors, the direct coupling system showed the best energy resolution at all energy peaks. It achieved 9.76% energy resolution for a 662 keV gamma ray. Through additional experiments and a simulation, we proved that the light guide degraded energy resolution with increasing statistical uncertainty. The results indicated that the SiPM-based scintillation detector with no light guide is the most efficient design for monitoring radionuclides in an aquatic environment.
The purpose of this paper is to analyze the characteristics of Silicon Photomultiplier (SiPM) for the realization of high-sensitivity radiation detection in portable detectors. Portable X-ray detectors offer the advantage of quickly accessing the patient's location and obtaining real-time images, allowing physicians to perform rapid diagnoses. However, this mobility comes with challenges in achieving accurate radiation detection. In existing detectors, SiPM is used for a simple purpose of detecting X-ray triggers. To verify the feasibility of high-sensitivity X-ray detection through SiPM, seven types of SiPM sensors were compared and selected, and their characteristics were analyzed. The SiPM used in the final test demonstrated the ability to distinguish signals at the ultra-low radiation level of 10 nGy, and it was observed that the slope of the signal rise curve varies with the X-ray tube voltage. Utilizing the characteristics of SiPM, which exhibits changes in signal level and duration with X-ray dose, it appears possible to achieve high-sensitivity measurements for X-ray detection.
Ivan Rene Morales;Maria Liz Crespo;Mladen Bogovac;Andres Cicuttin;Kalliopi Kanaki;Sergio Carrato
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.2
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pp.745-752
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2024
A method for gamma/neutron event classification based on frequency-domain analysis for mixed radiation environments is proposed. In contrast to the traditional charge comparison method for pulse-shape discrimination, which requires baseline removal and pulse alignment, our method does not need any preprocessing of the digitized data, apart from removing saturated traces in sporadic pile-up scenarios. It also features the identification of neutron events in the detector's full energy range with a single device, from thermal neutrons to fast neutrons, including low-energy pulses, and still provides a superior figure-of-merit for classification. The proposed frequency-domain analysis consists of computing the fast Fourier transform of a triggered trace and integrating it through a simplified version of the transform magnitude components that distinguish the neutron features from those of the gamma photons. Owing to this simplification, the proposed method may be easily ported to a real-time embedded deployment based on Field-Programmable Gate Arrays or Digital Signal Processors. We target an off-the-shelf detector based on a small CLYC (Cs2LiYCl6:Ce) crystal coupled to a silicon photomultiplier with an integrated bias and preamplifier, aiming at lightweight embedded mixed radiation monitors and dosimeter applications.
A depth-encoding detector module with silicon photomultipliers(SiPMs) using two layers of scintillation crystal array was designed, and the position measurement capability was verified using DETECT2000. The depth of interaction of the crystal pixels with the gamma rays was tracked through the image acquired with the combination of surface treatment of the crystal pixels and reflectors. The bottom layer was treated as a reflector except for the optically coupled surfaces, and the crystals of top layer were optically coupled each other except for the outer surfaces so that the light sharing was made easier than the bottom layer. Flood images were obtained through the combination of specular reflectors and random reflectors, grounded and polished surfaces of crystal pixels, and the positions at which layer images were generated were measured and analyzed. The images were reconstructed using the Anger algorithm, whose the SiPM signals were reduced as the 16-channels to 4-channels. In the combination of the grounded surface and all reflectors, the depth positions were discriminated into two layers, whereas it was impossible to separate the two layers in the all polished surface combinations. Therefore, using the combination of grounded surface crystal pixels and reflectors could improve the spatial resolution at the outside of the field of view by measuring the depth position in preclinical positron emission tomography.
This study conducted the gamma ray spectroscopic analysis of the microcolumnar CsI:Tl deposited onto the SiPMs using thermal evaporation deposition. The SEM measured thickness of microcolumnar CsI:Tl and of its individual columns. From the SEM observation, the measured thickness of CsI:Tl were $450{\mu}m$ and $600{\mu}m$. The gamma ray spectroscopic properties of microcolumnar CsI:Tl, $450{\mu}m$ and $600{\mu}m$ thick deposited onto the SiPMs were analyzed using standard gamma ray sources $^{133}Ba$ and $^{137}Cs$. The spectroscopic analysis of microcolumnar CsI:Tl deposited onto the SiPMs included the measurements of response linearity over the $^{137}Cs$ gamma ray intensity; and gamma ray energy spectrum. Furthermore from the gamma ray spectrum measurement of $^{133}Ba$ and $^{137}Cs$, $450{\mu}m$ thick CsI:Tl showed good efficiency when measured with $^{133}Ba$ and $600{\mu}m$ thick CsI:Tl was highly efficient when measured with $^{137}Cs$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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