Silizium Photomultiplier SiPM Steuerungsboard

[NuclearPhoenix]

So sieht das 2x2 Board aus, wenn alles fertig verlötet ist. Wenn man jetzt zum Beispiel 4 Mini SiDs ansteckt, also einen pro SiPM, kann man jeden Digitalausgang an einen Eingang vom Mikrocontroller hängen und so schon mal direkt die Impulse zählen.

Eine Idee wäre zum Beispiel, die 4 Digitalausgänge in AND Gates reinzuschicken und so eine einfache Koinzidenzschaltung zu bekommen. Selbst wenn dann alle 4 SiPMs an demselben Szintillator hängen, sollte das das thermische Rauschen des Ausgangs deutlich unterdrücken können.

[Kermit]

elbst wenn dann alle 4 SiPMs an demselben Szintillator

Also erstmal "wow"

Selbst mit einem Szintillator, also ein NaI, sollte da schon eine Richtungsabhängigkeit zur Strahlenquelle detektierbar sein. Also quasi eine sehr kleine "Gammakamera".

Bei einer klassischen Gammakamera müsste dann noch ein Kollimator davorgesetzt werden. 

Wenn man jetzt zum Beispiel 4 Mini SiDs ansteckt

Ich stehe gerade auf dem Schlauch, meinst Du hier Deine Boards oder irgendwas anderes?

[NuclearPhoenix]

Selbst mit einem Szintillator, also ein NaI, sollte da schon eine Richtungsabhängigkeit zur Strahlenquelle detektierbar sein. Also quasi eine sehr kleine "Gammakamera".

Wirklich? Das ist ja echt interessant. Ich dachte nicht, dass so ein Aufbau schon reichen würde. Woher bekommt man dann die Richtungskomponente der Strahlung, wenn das Licht aus demselben Szintillator kommt? Hoffe ich hab das jetzt richtig verstanden

Wenn man jetzt zum Beispiel 4 Mini SiDs ansteckt

Ich stehe gerade auf dem Schlauch, meinst Du hier Deine Boards oder irgendwas anderes?

Ja genau, die Boards hier. So hab ich die der Einfachheit halber genannt

Für jeden der vier Kanäle ein kleines Board, dann evtl noch den überschüssigen Platz an den Platinen abschneiden und das ganze ist immer noch recht kompakt.

[Kermit]

Woher bekommt man dann die Richtungskomponente der Strahlung

Ganz grob aus den unterschiedlichen Signalen der SiPM  , bei einer punktförmigen Strahlenquelle sollte das schon gehen. Besser wäre natürlich ein Kollimator, also zum "spielen" etwa ein Stück Blei - von eventuell 1-2mm Dicke - und 4 kleine Löcher im Blei über den SiPM.

Also das Modell eines "Pinhole"- Kollimators 

Schade das der Tag nur 24h hat...  

Mit ein paar Detektoren dieser Art, dazu noch eine "Stino"-Kamera und etwas Software (die ich nicht schreiben kann  ), und man hätte dann schon so was wie eine visuelle Lokalisation von Gammastrahlungsquellen (harte Betastrahlung würde wohl auch gehen).

Euphorisch gesagt, Scottys  Tricorder hat hier in diesem Thread seine Wurzeln , zumindest für die Strahlungskomponente des Tricorders.



https://www.networkworld.com/article/2225853/tricorders-on-the-way--scan-me--scotty-.html

[etalon]

Woher bekommt man dann die Richtungskomponente der Strahlung

Ganz grob aus den unterschiedlichen Signalen der SiPM  , bei einer punktförmigen Strahlenquelle sollte das schon gehen. Besser wäre natürlich ein Kollimator, also zum "spielen" etwa ein Stück Blei - von eventuell 1-2mm Dicke - und 4 kleine Löcher im Blei über den SiPM.

Also das Modell eines "Pinhole"- Kollimators 

Schade das der Tag nur 24h hat...  

Mit ein paar Detektoren dieser Art, dazu noch eine "Stino"-Kamera und etwas Software (die ich nicht schreiben kann  ), und man hätte dann schon so was wie eine visuelle Lokalisation von Gammastrahlungsquellen (harte Betastrahlung würde wohl auch gehen).
...

Da würde ich auch gerne Zweifel anmelden, ob das wirklich funktioniert. Ich sehe das ehrlich gesagt nicht, zumindest nicht, ohne ein paar Randbedingungen zu definieren...

[Kermit]

Ob das funktioniert weiß ich auch nicht, aber einen Versuch ist es definitiv wert .

Ansonsten hat sich hier (Video) jemand viel Mühe gegeben, eine Ein-Kopf-Gammakamera zu zerlegen und zu erklären

so hätte ich es auch erklärt  , und so sollte in der Minivariante mit SiPM auch Signale zu erzeugen sein.

Natürlich geht auch eine andere Methode, als einen einzelnen Szintillatorkristal zu verwenden, in dem mann zum Beispiel jedem SiPM je einen einzelnen LSO-Kristal "vorsetzt". Leider sind die LSO-Kristalle aktuell wohl schwierig zu bekommen im "Hobbymarkt"

Und klar, die Orientierung Rechtsoben, Linksoben,Rechtsunten,Linksunten muss bekannt sein, sonst wird eine "Bildrekonstruktion" schwierig. Wie aufwendig die Software ist kann ich leider nicht beurteilen, da kann natürlich viel Gehirnschmalz drin sein.

Ich habe aber die Hoffnung, das man eventuell andere Positionssoftware vom Arduino, Raspi oder ähnliches µP "recyclen" kann. Für Ultraschall oder Solarverfolger (4-Quadranten-Fototransistoren) gibt es ja sowas schon.

Aber wie gesagt, chic finde ich die Idee schon

Und ja, ich gehe natürlich von einem "veritablen" Signal aus, und nicht von Pottasche oder so.

[Kermit]

Wenn man jetzt zum Beispiel 4 Mini SiDs ansteckt, also einen pro SiPM, kann man jeden Digitalausgang an einen Eingang vom Mikrocontroller hängen und so schon mal direkt die Impulse zählen.

Um den Faden mal weiter zu spinnen:

Folgender Aufbau:

4 x SiPM + 1 x NaI Szinti + 1 x Kollimator, pro SiPM ein Board, die Signale sollten getrennt gemessen werden können

Dann eine sogenannte Homogenitätsaufnahme machen, d.h. eine homogene Flächenquelle bzw. eine Punktquelle mit ausreichendem Abstand nehmen und für jeden SiPM die Impulse "zählen".

Falls alles weitere im µP passiert, die Werte pro SiPM ablegen, um eine Homogenitätskorrektur machen zu können, falls es hardwareseitig regelbar ist, solange an den "Reglern" drehen, bis alle 4 SiPM gleiche Werte zeigen  . Wie die 4 SiPM ihren Werte an den µP liefern oder ob man 4 µP, also je einen pro SiPM benötigt, muss man noch überlegen.

Dann sollte es möglich sein, eine Punktquelle zu lokalisieren, natürlich nur grob.

Unberücksichtig bleibt erstmal, das man keinen MCA hat. Daher funktoniert das Ganze wahrscheinlich erstmal nur für Gammastrahlenquellen, die gleiche oder annähernd gleiche Energien emmitieren, wie die Quelle mit der die Homogenität gemacht wurde.

Mit mehr Softwarepower und mehr Rechenaufwand kann man sicher mehr erreichen. Prinzipell sollte es so funktionieren 

Hier steht mehr darüber, das unten stehende Bild stammt auch von dort:

https://de.wikibooks.org/wiki/Physikalische_Grundlagen_der_Nuklearmedizin/_Nuklearmedizinische_Abbildungssysteme

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[Kermit]

https://studfile.net/preview/395616/page:11/

Hier wird die Anger-Camera beschrieben, aus diesem link stammt das Schema, welches Anger benutzt hat:

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[NuclearPhoenix]

Danke für die ganzen Infos @Kermit! Das ist auf jeden Fall sehr interessant, auch wenn ich vom richtigen Bauen her auch noch weit entfernt bin. Ein Signal von den 4 SiPMs zu bekommen und anzuzeigen ist ja total simpel, aber die ganze Software und das Drumherum, dass es auch Sinn macht, ist schon deutlich schwieriger

[NuclearPhoenix]

Hier steht mehr darüber, das unten stehende Bild stammt auch von dort:

https://de.wikibooks.org/wiki/Physikalische_Grundlagen_der_Nuklearmedizin/_Nuklearmedizinische_Abbildungssysteme

Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

Ich habe mir das nochmal durch den Kopf gehen lassen und anhand dieser Grafik sieht man eigentlich eh schon recht schön, dass es auch mit einem Szintillator funktionieren kann. Die Frage, die sich mir nur stellt ist, wie klein dieser Szintillator sein kann, bis man keinen wirklichen Unterschied in der Intensität zwischen den SiPMs feststellen kann. Denn das Licht wird ja im Kristall gestreut.

Und wenn man es so macht, muss man doch sicher auch eine Pulshöhenanalyse machen, d.h. je nachdem wie hoch die (gleichzeitigen!) Pulse sind, kann man zurückrechnen, wo das Photon eingetroffen sein muss. Dann müsste es im Umkehrschluss doch eigentlich einfacher sein, mehrere voneinander getrennte Szintillatoren zu benutzen, oder? Dann misst man ja, dank Kollimator, nur mehr in einem Pixel jeweils den Impuls und weiß sozusagen "direkt", ohne Analyse, wo das Photon eingetroffen ist.

[NuclearPhoenix]

Was ich übrigens vergessen habe: Die Broadcom AFBR SiPMs scheinen nicht mehr nachproduziert zu werden. Die sind jetzt als End-Of-Life Produkt markiert.

Dafür gibt es aber einen ganz neuen Ersatz mit weniger Pins, dafür aber höherer Spannung: https://www2.mouser.com/ProductDetail/Broadcom/AFBR-S4N66P014M?qs=OcgtsXO%252B3gs5Z5K%252B7xDivg%3D%3D

Preislich ist kein echter Unterschied. Von diesem Typ gibt es auch mehr Variationen, zum Beispiel dieser 1x2 Chip: https://www2.mouser.com/ProductDetail/Broadcom-Avago/AFBR-S4N66P024M?qs=t7xnP681wgUIYjdVN%252BIWJw%3D%3D

Lieferbar sind die neuen Broadcom SiPMs aber noch nicht, von den "alten" gibt es noch ca 1000 Stück auf Mouser.

Bei den MicroFC SiPMs hat sich vom Angebot her nichts verändert. Die kosten immer noch ca €35 und scheinen auch derzeit immer genügend vorrätig zu sein! 

[Kermit]

Dann müsste es im Umkehrschluss doch eigentlich einfacher sein, mehrere voneinander getrennte Szintillatoren zu benutzen, oder?

Genau, das ist natürlich viel eleganter  , aber auch erheblich teurer.

Und man könnte den Kollimator unter bestimmten Bedingungen auch gleich noch weglassen  bei einer "Gammakamera"

Man könnte dann auch die einzelnen Szintillatoren noch lichtmäßig gegeneinander isolieren. Wenn ich mich recht entsinne arbeiten die Rö-Detektoren der neues Siemens CT genau so. Allerdings ist hier der Szinti eben viel dünner als bei der Gammakamera.
Die Szintillatoren müssen ja auf die einzelnen SiPM aufgebracht werden, wenn man das nicht mit einer Maschine machen kann, ist das viel Arbeit  .
Ich muss aber bemerken, das ich von der genauen Herstellung der Matrixsysteme - Szintillator plus SiPM - keine genaue Ahnung habe, da ist noch viel Betriebsgeheimnis mit dabei

Ist schon älter die Lit, hier aber mal ein Zitat, leider geht das mit Szintillatoren für eine Gammakamera (noch) nicht:

Zitat:
"Der hier beispielhaft vorgestellte Detektor (PIXIUM 4600 der Firma Trixell) wurde experimentell und klinisch von allen vergleichbaren Detektoren am gründlichsten evaluiert (3–5, 8–12). Dieser Detektor besteht aus einer Matrix von amorphem Silizium und einer darauf aufgedampften Szintillatorschicht aus Cäsiumjodid. Die Pixelgröße beträgt 143 µm, woraus sich ein maximales örtliches Auflösungsvermögen von 3,5 Linienpaaren pro mm ergibt."

Quelle: https://www.aerzteblatt.de/archiv/32995/Flachdetektoren-in-der-digitalen-Radiographie-Sofortbilder-hoher-diagnostischer-Qualitaet-bei-reduzierter-Strahlenbelastung

Aktuell finde ich auf die Schnelle die andere Literaturstelle nicht, da muss ich noch mal suchen. Die obige Lit ist schon von 2002.

[NuclearPhoenix]

Alles klar! Macht natürlich total Sinn, dass das deutlich aufwendiger und dadurch teuerer ist.

[NuclearPhoenix]

Ich habe heute mal probiert, ob man das Board denn jetzt auch mit "einfacheren", also vor allem langsameren Mikrocontrollern benutzen kann, als dem Pico zB. Das ging ja mit Rev 1 und 2 kaum, da die TTL Pulse viel zu schnell waren (<1µs).
Mit der aktuellen Rev 3 wird ja mit dem "Gain" Poti nicht nur die Pulshöhe verändert, sondern auch die Abfallzeit. Das heißt ich habe den Gain voll aufgedreht und den TTL Ausgang an einen Arduino Uno (16 MHz AVR) gehängt.

Und tatsächlich! Ohne Probleme hat er mir direkt um die 20 cps Hintergrund angezeigt, daraufhin habe ich einen alten Ionisationsrauchmelder rausgekramt und den mal drangehalten
Das Ergebnis seht ihr in diesem Video, er schafft auf jeden Fall mühelos die >200 cps, die ich erwartet habe, wenn er direkt am Szintillator anliegt.

(sorry für das leichte Herumwackeln )

Das ist insofern eine gute Nachricht, weil wenn es mit dem Arduino Uno funktioniert, dann funktioniert es auch wirklich mit den meisten Mikrocontrollern. Eventuell muss ich noch 8 MHz (zB. ATTiny) testen, aber da werden nicht mehr Welten Unterschied sein.

[Raddet]

Eventuell muss ich noch 8 MHz (zB. ATTiny) testen, aber da werden nicht mehr Welten Unterschied sein.

Schalten Sie einfach den auf dem Arduino Uno installierten ATMega-Mikrocontroller ein, um Taktimpulse nicht von einem externen Quarzresonator, sondern von einem internen RC-Oszillator zu erzeugen. Es wird nur 8 Megahertz geben. Das Verhalten von Tiny wird in etwa dem von ATMega entsprechen.