Patrick Marx
Een enkele analoge techniek houdt stand in onze digitale wereld: bij het meten van straling domineert de analoge fotomultiplicator nog steeds.
Wetenschappers van Philips bedachten een digitale variant: de digital photon counter. ‘Ontwrichtend’, noemt dr. York Hämisch de technologie. Hij is senior director business development van Philips Digital Photon Counting in het Duitse Aken.
Glazen fotomultiplicatorbuizen, waarin elk invallend foton een ‘lawine’ van elektronen vrijmaakt, zijn nog steeds terug te vin=den in de meest moderne apparatuur, van PET-scanners (positron emissie tomografie) in het ziekenhuis tot de detectoren van grote deeltjesversnellers als bij CERN. ‘De buizen zijn echter relatief groot, breekbaar, gevoelig voor magneetvelden en vergen hoogspanning bij het gebruik. Alleen al daarom is een alternatief wenselijk’, zegt Hämisch. Maar de analoge buizen hebben ook een groot voordeel: ze veroorzaken weinig achtergrondruis. ‘Halfgeleiders produceren altijd achtergrondruis, de zogenaamde dark counts. Deze ontstaan door imperfecties in het halfgeleidermateriaal. Daarom is het meten van kleine hoeveelheden licht, in de orde van enkele tientallen tot duizenden fotonen, erg moeilijk.’
In Philips’ nieuwe digital photon counter (DPC) levert één foton al een meetbaar signaal. De kern van de detector is de single photon avalanche diode. Hämisch legt het principe uit: ‘Over de pn-overgang van het halfgeleidermateriaal in elke diode zetten we een spanning die iets hoger is dan de doorbraakspanning van die overgang. Zo ontstaat een metastabiele toestand die instort bij de geringste verstoring, bijvoorbeeld door één foton. Elke diode heeft een geheugen van één bit dat van nul naar één verandert zodra de spanning in de diode inzakt. Het systeem levert dus een binair signaal bij de detectie van één foton.’
De metastabiele toestand is echter gevoelig voor elke verstoring en dus ook voor de dark counts in het halfgeleidermateriaal. Hämisch: ‘We meten de dark counts in elke diode. Dankzij de digitale aard van de detector kunnen we de diodes met de hoogste aantallen dark counts uitschakelen, waardoor de ruis significant daalt.’
De DPC-sensor van Philips is modulair van opbouw. Elke diode meet 50 bij 50 µm waarbij 3.200 diodes één pixel vormen. Meerdere pixels passen op één chip en meerdere chips vormen één sensor. Door sensoren in de gewenste geometrische vorm samen te schakelen, kan een detector gebouwd worden, bijvoorbeeld een detectorring in een PET-scanner.
Kleinere meetonzekerheid
Momenteel ontwikkelt Philips samen met het Forschungszentrum Jülich de digitale schakelingen tussen de sensoren in een detector. Het elektronicaÂconcern bouwt voor het plantenÂfysiologische onderzoek van het Forschungszentrum ook een PET-scanner met de digitale detectoren. Tijdens een PET-scan krijgt de plant (of een patiënt in het ziekenhuis) een kortlevend radioactief isotoop gekoppeld aan een merkstof toegediend. Als het isotoop vervalt, zendt het een positron uit dat annihileert met een elektron. Dit levert twee gamma-fotonen op die in vrijwel tegengestelde richting wegvliegen. De fotonen vliegen in enkele picoseconden van het lichaam naar de detector, waarbij het ene foton eerder bij een detector aankomt dan het andere. Dit tijdsverschil is bruikbaar om de positie van het vervallen atoom vast te stellen. Analoge fotomultiplicatorbuizen kunnen dit tijdsverschil met een nauwkeurigheid tot 500 ps (picoseconden; 10-12 s) meten. De meetonzekerheid van de beste PET-scanners bedraagt daarom toch nog 7,5 cm. De DPC verkleint die meetonzekerheid nu al tot 3,5 cm en in de toekomst waarschijnlijk zelfs tot 1,5 cm. De betere meting resulteert in een betere signaal-ruisverhouding en dus scherpere beelden.
Ook in de hoge energie- en astrofysica vindt de DPC zijn toepassing. Hier speelt vooral de hoge tijdsresolutie van de detectoren een rol. Hämisch: ‘We geven de gemeten fotonen een tijdlabel mee met een intrinsieke nauwkeurigheid van 60 ps. Analoge detectoren halen maar 300 tot 400 ps. Onder meer bij CERN leverden we het proof of principle van deze techniek.’
Philips verwacht dat de digitale fotonenteller uiteindelijk de analoge concurrenten grotendeels zal vervangen. Alleen al in de hoge-energiefysica zijn de komende acht jaar tienduizenden vierkante meters detectoren nodig.
