Initial simulation of a gaseous Compton camera with electroluminescence amplification

Abstract

Although Anger cameras are commonly used in medical imaging, they still have an issue where, at higher photon energies, there is a drop in detection efficiency. A possible solution to counteract this problem is being pointed as Compton cameras. Separate simulations of a Compton camera and a Field-Assisted Transparent Gaseous Electroluminescence Multiplier (FAT-GEM) were performed with the objective of determining the optimal conditions for each component of the detector. In the Compton camera simulations, 10⁸ incident photons with energies of 60, 140, 364, and 511 keV were simulated for a Xenon gas filling at 10 bar. It was shown that the Doppler broadening effect decreased with an increase in incident photon energy. Beyond 364 keV, the photon’s energy did not seem to have major effects on the angular resolution due to Doppler broadening. It was demonstrated that increasing the incident energy decreased the number of Compton events detected. Simulations of electron transportation within Xenon gas inside a FAT-GEM structure were conducted for different drift and electroluminescence fields in 2, 3, and 4 mm holes at 2, 4, 6, 8, and 10 bar. It was verified that there was a variation in the number of excitations with the drift field, where the number of excitations decreased for higher fields. In general, increasing the drift field also increased the Qᵥₐlᵤₑ due to the loss of electrons to the electrodes. All hole geometries showed a linear increase in the number of excitations with the increase of the electroluminescence field, while the number of excitations decreased with the increase in hole diameter. In general, the Qᵥₐlᵤₑ started decreasing as the electroluminescence field increased until it reached the ionization threshold, where it began to increase due to the higher statistical fluctuations typical of the gas ionization process. Higher pressures showed a decrease in the Qᵥₐlᵤₑ due to the increase in the number of excitations. On the other hand, increasing the hole diameter increased the Qᵥₐlᵤₑ. Using a 2 mm hole in an 8 bar environment with a 3.6 kVcmˉ¹barˉ¹ electroluminescence field, the lowest Qᵥₐlᵤₑ was achieved.

Apesar de câmaras Anger serem frequentemente utilizadas em imagiologia médica, estas apresentam um problema que faz com que haja uma perda na eficiência de deteção ocorre para fotões com altas energias. Uma possível solução para este problema poderão ser as câmaras de Compton. Foram realizadas simulações separadas de uma câmara de Compton e de uma FAT-GEM (do inglês Field-Assisted Transparent Gaseous Electroluminescence Multiplier) com o objetivo de determinar as melhores condições para cada componente do detetor. Nas simulações da câmara de Compton, foram simuladas 10⁸ fotões incidentes com energias de 60, 140, 364, e 511 keV para um enchimento de gás de Xénon a 10 bar. Foi observado que o efeito de alargamento de Doppler diminuiu com o aumento da energia dos fotões incidentes. Energias acima de 364 keV não demonstraram ter um forte impacto na resolução angular resultante do alargamento de Doppler. Foi demonstrado que aumentar a energia incidente diminuiu o número de eventos de Compton detetados. Foram realizadas simulações do transporte de eletrões em um gás de Xénon dentro de uma FAT-GEM para diferentes campos de deriva e de eletroluminescência em buracos com 2, 3, e 4 mm de diâmetro com pressões de 2, 4, 6, 8, e 10 bar. Foi verificada uma variação do número de excitações com o campo de deriva, onde o número de excitações diminuiu para campos mais elevados. Em geral, aumentar o campo de deriva levou ao aumento do Qᵥₐlᵤₑ devido à perda de eletrões nos elétrodos. Um aumento linear no número de excitações com o aumento do campo de eletroluminescência foi verificado. Aumentar o diâmetro dos buracos levou a uma diminuição do número de excitações. Em geral, o Qᵥₐlᵤₑ diminuiu com o aumento do campo de eletroluminescência até chegar ao limiar de ionização, onde começou a aumentar devido a maiores flutuações estatísticas típicas do processo de ionização de um gás. Altas pressões levaram a uma diminuição do Qᵥₐlᵤₑ devido ao aumento no número de ionizações. De outro modo, aumentar o diâmetro dos buracos aumentou o Qᵥₐlᵤₑ. O valor mais baixo de Qᵥₐlᵤₑ foi obtido utilizando buracos de 2 mm a 8 bar com um campo de eletroluminescência de 3.6 kVcmˉ¹barˉ¹.