本文由Mika Kagaya、Hideaki Katagiri、Naomi Tojo、Ryo Kato、Takeshi Go Tsuru、Ayaki Takeda和Yasuo Arai等作者共同撰写，发表于2018年的IEEE会议论文集。研究的主要机构包括日本国立技术学院仙台学院、茨城大学、京都大学、宫崎大学以及高能加速器研究机构（KEK）。本文报告了一项关于使用先进康普顿相机（Compton Camera）和SOI（Silicon-On-Insulator，硅上绝缘体）像素传感器检测511 keV伽马射线反冲电子轨迹的研究。

研究背景

在核医学诊断和天体物理学领域，511 keV伽马射线的探测至关重要。这种伽马射线由正电子湮灭产生，能够揭示超新星爆炸、致密天体中的高能过程以及暗物质湮灭等高能天体物理现象。传统的康普顿相机在探测511 keV伽马射线时，由于图像重建过程中会产生模糊的环形伪影，导致图像中存在大量虚假点。为了解决这一问题，研究者提出了一种先进的康普顿相机，通过检测反冲电子轨迹来提高角分辨率并减少背景噪声。本文重点研究了使用30 µm像素尺寸的SOI像素传感器来探测511 keV伽马射线的反冲电子轨迹。

研究流程

1. 原型开发
   研究团队开发了一种基于SOI像素传感器（XRPix2B）的先进康普顿相机原型。该传感器具有小像素尺寸和高能量分辨率的特点，适合用于探测反冲电子轨迹。散射器采用XRPix2B传感器，吸收器则使用CsI(Tl)闪烁体探测器。

2. 传感器性能评估
   研究团队首先对XRPix2B传感器的基本性能进行了评估。通过使用241Am源测试，发现该传感器在13.9 keV、17.7 keV和20.7 keV的能量分辨率分别为0.8 keV、1.1 keV和1.6 keV。此外，研究还确定了传感器在60 V至80 V的偏置电压下能够完全耗尽。

3. 数据采集与处理
   为了提取散射器和吸收器之间的符合事件，研究团队开发了一种符合系统，通过改进FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）逻辑实现了两个探测器的同步。数据采集过程中，散射器的积分时间为20 µs，每个像素的读出时间为40 ns。

4. 反冲电子轨迹检测
   研究团队通过实验评估了511 keV伽马射线反冲电子轨迹的检测能力。实验结果表明，XRPix2B传感器能够成功检测到反冲电子轨迹，轨迹长度约为300 µm，与理论计算一致。通过图像聚类、时间差和能量筛选等方法，研究团队成功筛选出了符合事件，并获得了反冲电子轨迹的典型图像。

主要结果

1. 传感器性能
   XRPix2B传感器表现出优异的小像素尺寸和高能量分辨率特性，适合用于探测短距离的反冲电子轨迹。实验结果表明，该传感器在低温（-60°C）和高偏置电压（130 V）下能够实现高精度的能量测量。

2. 反冲电子轨迹检测
   研究团队成功检测到了511 keV伽马射线产生的反冲电子轨迹，轨迹长度与理论预测一致。通过图像聚类和时间差分析，研究团队能够有效排除噪声和误触发事件，筛选出符合事件。

3. 符合系统性能
   改进后的FPGA逻辑实现了散射器和吸收器之间的高效同步，确保了符合事件的准确提取。实验结果表明，该符合系统能够有效支持康普顿相机的数据采集需求。

结论与意义

本文开发了一种基于SOI像素传感器的先进康普顿相机原型，并成功验证了其检测511 keV伽马射线反冲电子轨迹的能力。该研究为高精度伽马射线探测提供了新的技术手段，具有重要的科学和应用价值。在天体物理学领域，该技术可用于研究正电子湮灭现象，揭示高能天体物理过程的本质；在核医学领域，该技术有望提高正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）的成像精度和效率。

研究亮点

1. 创新性传感器设计
   本文采用了小像素尺寸的SOI像素传感器，能够有效探测短距离的反冲电子轨迹，显著提高了康普顿相机的角分辨率和背景抑制能力。

2. 高效符合系统
   研究团队通过改进FPGA逻辑，开发了一种高效的符合系统，确保了散射器和吸收器之间的精确同步，为康普顿相机的数据采集提供了可靠支持。

3. 多领域应用潜力
   该技术不仅适用于天体物理学研究，还可用于核医学诊断，具有广泛的应用前景。

未来展望

研究团队计划进一步优化反冲电子轨迹的分析方法，以确定反冲电子的方向。此外，还将研究反冲电子轨迹的角度依赖性和能量依赖性，并开展康普顿相机的性能测试，以评估其角分辨率和探测效率。这些工作将为康普顿相机的实际应用奠定坚实基础。