Trimethylbismut-Flüssigkeitsdetektor mit Cherenkov-Licht- und Ladungsauslese für die Positronen-Emissions-Tomographie

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Schäfers; Professor Dr. Christian Weinheimer
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406703021

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

TriMethyl Bismuth (TMBi) wurde aufgrund seiner hohen Effizienz bei der Gamma-Absorption durch Photoeffekt, seiner hohen Dichte und der Möglichkeit schneller Zeitmessungen mittels Cherenkov-Lichtemission als neuartiges organisches Detektormaterial für die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) vorgeschlagen. In diesem Projekt wurde TMBi hinsichtlich der relativen Dielektrizitätskonstante und der freien Ionenausbeute nach der Onsager-Theorie charakterisiert. Die freie Ionenausbeute wurde als G0fi = (0, 1100, 001stat )/100 eV) gemessen, was weit unter den Erwartungen für einen PET-Detektor liegt, aber mit einer kürzlich durchgeführten Messung unserer französischen Kollegen übereinstimmt. Da sich die Reinheit von TMBi als entscheidend herausstellte, wurden Reinigungsstrategien entwickelt und getestet, um das für Ladungsmessungen erforderliche ultrareine TMBi zu erhalten. Sowohl Destillation als auch elektrostatische Filterung erwiesen sich als wirksam bei der Reinigung von TMBi, lösten jedoch nicht alle Verunreinigungsprobleme. Andererseits ist dies für ähnliche organische Flüssigkeiten vielversprechend. Im Hinblick auf einen sicheren Betrieb wurde experimentell nachgewiesen, dass TMBi unter hohen elektrischen Feldern aufgrund von Durchschlägen und Verunreinigungen anfällig für Zersetzung ist. Wir konnten zeigen, dass stabile Bedingungen unter Argonatmosphäre bei einem Druck von 1 bar für Feldstärken bis zu 20 kV/cm erreicht werden können. Da die Ausbeute an freien Ionen sehr gering ist, kommt TMBi nicht mehr als PET-Detektormaterial weiter in Frage, obwohl es Cherenkov-Lichtemission für eine schnelle Zeitmessung liefert. Wir haben jedoch einige gute Argumente gefunden, um TMPb als PET-Detektormedium in Betracht zu ziehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ionization parameters of Trimethylbismuth for high-energy photon detection. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 958, 162646.
  Farradèche, M.; Tauzin, G.; Mols, J.-Ph.; Bard, J.-P.; Dognon, J.-P.; Weinheimer, C.; Schäfers, K.P.; Sharyy, V. & Yvon, D.
  
• Electro-purification studies and first measurement of relative permittivity of TMBi. Journal of Instrumentation, 17(12), P12021.
  Peters, S.; Gerke, B.; Hannen, V.; Huhmann, C.; Marquardt, N.; Schäfers, K.; Yvon, D.; Sharyy, V. & Weinheimer, C.
  
• High resolution MCP-PMT readout using transmission lines. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1027, 166092.
  Follin, M.; Chyzh, R.; Sung, C.-H.; Breton, D.; Maalmi, J.; Chaminade, T.; Delagnes, E.; Schäfers, K.; Weinheimer, C.; Yvon, D. & Sharyy, V.
  
• Suppression of electrical breakdown phenomena in liquid TriMethyl Bismuth based ionization detectors. Journal of Instrumentation, 17(09), P09029.
  Gerke, Björn; Peters, Simon-Nis; Marquardt, Nils; Huhmann, Christian; Hannen, Volker Michael; Holtkamp, Michael; Karst, Uwe; Yvon, Dominique; Sharyy, Viatcheslav; Weinheimer, Christian & Schäfers, Klaus
  
• Characterization of the BOLDPET optical prototype, an innovative Cherenkov detector for 511 keV γ radiation. Journal of Instrumentation, 19(07), P07018.
  Chyzh, R.; Tauzin, G.; Yvon, D.; Sung, C.-H.; Breton, D.; Maalmi, J.; Schäfers, K.; Weinheimer, C. & Sharyy, V.