Development of a cryogenic gaseous photomultiplier dedicated to a liquid-xenon Compton telescope for medical imaging

Développement d'un photomultiplicateur gazeux cryogénique dédié à un télescope Compton au xénon liquide pour l'imagerie médicale

Samuel Duval (1)

1 SUBATECH - Laboratoire SUBATECH Nantes

A novel imaging technique based on the tridimensional localization of a (beta, gamma) radioisotope emitter with a liquid-xenon Compton telescope was proposed at SUBATECH in 2003. This technique named 3 gamma imaging combines a classical positron emission tomography device and a Compton telescope for the reconstruction of two back-to-back annihilation gamma-rays and the third one respectively. The interaction of the last one with liquid-xenon induces a scintillation signal read by a vacuum photomultiplier tube to trigger the acquisition of the simultaneous ionization signal read by a MICROMEGAS (MICRO MEsh GAseous Structure) which allows the measurement of each interaction position and corresponding energy. In this experimental framework, we propose an original way of scintillation reading, replacing the traditionnal photomultiplier tubes devices by a large-area cryogenic gaseous photomultiplier. This photodetector consists of a reflective solid cesium iodide photocathode for the photoconversion of UV light and a combination of three micro-pattern gaseous detectors : the THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), the MICROMEGAS and the PIM (Parallel Ionization Multiplier). It should allow a virtual segmentation of the liquid xenon volume to reduce the telescope occupancy. First results obtained with a small area prototype at liquid xenon temperature (173 K) are presented.

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

Mots clés: gaseous photomultiplier; micro-pattern gaseous detector (MPGD); cesium iodide (CsI); liquid xenon; cryogenics; medical imaging; 3 gamma imaging

Mots clés: photomultiplicateur gazeux; détecteur gazeux à microstructures; iodure de césium; xénon liquide; cryogénie; imagerie médicale; imagerie 3 gammas

Domaines: Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]

Samuel Duval. Développement d'un photomultiplicateur gazeux cryogénique dédié à un télescope Compton au xénon liquide pour l'imagerie médicale. Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]. Université de Nantes, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00594636⟩