Purification and characterization studies of TMBi for a novel PET-detector concept

Vor kurzem wurde eine neue Art von PET-Detektor vorgestellt, der TriMethyl Bismuth (TMBi) - eine schwere organisch-metallische Flüssigkeit - als Detektormaterial verwendet. TMBi ist eine transparente dielektrische Flüssigkeit, die zu 82 Gewichtsprozent aus Bismut besteht. Seine hohe effektive Z-Zahl, die sich daraus ergibt, dass Bismut das zentrale Atom in TMBi ist, ermöglicht eine effiziente Umwandlung von 511 keV Photonen in Photoelektronen innerhalb des Detektormaterials. Diese Fotoelektronen erzeugen sowohl Tscherenkow-Licht als auch freie Ladungsträger in der Flüssigkeit, wobei die optische Komponente für ein schnelles Timing sorgt und die zu einer segmentierten Anode getriebenen Ladungen eine genaue Positions- und Energierekonstruktion durch Ladungsmessung ermöglichen. Die Reinheit von TMBi muss jedoch sorgfältig aufrechterhalten werden, um eine Signalverschlechterung und Rauschen innerhalb des Detektors zu vermeiden; elektro-negative Verunreinigungen fangen freie Elektronen aus der Flüssigkeit ein, und sich zersetzende Verunreinigungen erhöhen die Selbstleitfähigkeit. Darüber hinaus stellt die reaktive Natur von TMBi eine Reihe von Herausforderungen dar, die überwunden werden müssen, bevor ein voll funktionsfähiger PET-Detektor mit diesem Material realisiert werden kann. In dieser Arbeit wird ein Reinigungs- und Messaufbau für die Charakterisierung von organometallischen Flüssigkeiten vorgestellt. Es werden erste Reinigungsstudien gezeigt, die mit einem elektrostatischen Filter, der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, durchgeführt wurden. Neben der Vorstellung der ersten direkten Messung der relativen Permittivität εr von TMBi ε_r = 2.59 ± 0.003 stat ± 0.026sys (0.3) werden Schätzungen anderer wichtiger Eigenschaften von TMBI gegeben, die auf der Auswertung von Literaturwerten anderer Kohlenwasserstoffe beruhen. Eine dieser Eigenschaften ist die Elektronenbeweglichkeit μe. Der bestimmte Wert von μ^TMBi_e ≈ 0.09 ± 0.08 cm2V−1s−1. (0.4) ist viel niedriger als bisher angenommen, was zu erheblichen Totzeiten des vorgeschlagenen BOLD-PET-Detektors führen könnte, was seine Empfindlichkeit drastisch verringern würde. Diese Diskrepanz zu anderen Kohlenwasserstoffen wie TetraMethylSilan (TMSi), die eine viel größere Elektronenmobilität aufweisen (μ^TMSi_e = 100 cm2V−1s−1), könnte durch die Molekülform von TMBi verursacht werden, die in dieser Arbeit weiter diskutiert wird. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse scheint TMBi nicht die beste Option für den Einsatz in einem PET-Detektor zu sein. Eine bessere Alternative könnte TetraMethyl-Blei (TMPb) sein, das wahrscheinlich eine ähnliche Ausbeute an freien Ionen und eine ähnliche Elektronenbeweglichkeit wie TMSi hat und im Vergleich zu TMBi nur eine etwas geringere Dichte und effektive z-Zahl aufweist.