Development of novel plastic scintillators based on polyvinyltoluene for the hybrid j-pet/mr tomograph

Streszczenie 
W niniejszej pracy została przedstawiona charakterystyka nowatorskiego 
scyntylatora J-PET. Docelowo scyntylator zastosowany będzie w cyfrowej pozytonowej 
tomografii emisyjnej (PET). Innowacyjność scyntylatora polega na zastosowaniu
2-(4-styrylofenylo)benzoksazolu jako przesuwacza długości fali. Do tej pory ten związek 
chemiczny nie był stosowany jako dodatek scyntylacyjny. Jego zadaniem jest przesunięcie 
widma emisji w kierunku dłuższych fal. Dzięki temu możliwa jest efektywna detekcja 
światła scyntylacyjnego przez fotopowielacze krzemowe. Ponadto, przesunięcie widma 
emisji 
w 
kierunku 
dłuższych 
fal 
pozwala 
na 
zastosowanie
2-(4-styrylofenylo)benzoksazolu w długich paskach scyntylatorów ze względu na większą 
drogę tłumienia. 
W niniejszej pracy została przedstawiona metoda wytwarzania nowatorskich 
scyntylatorów polimerowych oraz ich właściwości, a także metoda syntezy nowego 
przesuwacza 
długości 
fali. 
Zostało 
zoptymalizowane 
stężenie
2-(4-styrylofenylo)benzoksazolu umożliwiające osiągnięcie maksymalnej wydajności 
świetlnej. Działanie scyntylatora zostało scharakteryzowane biorąc pod uwagę widmo 
emisji, wydajność świetlną oraz czasy narastania i zaniku impulsów świetlnych. Wartości 
poszczególnych parametrów zostały porównane z odpowiednimi parametrami najlepszych 
scyntylatorów komercyjnych. Przedmiotem badań opisanych w pracy jest również 
struktura scyntylatorów J-PET. 

---

4 
Contents 
Contents ................................................................................................................................. 4
 
1. Introduction
 ...................................................................................................................... 5
 
2. Positron Emission Tomography......................................................................................... 7
 
2.1. Jagiellonian PET: J-PET ............................................................................................. 9
 
2.2. Concept of novel J-PET/MR scanner ....................................................................... 12
 
3. Scintillators and scintillation mechanism ........................................................................ 13
 
3.1. Scintillation process .................................................................................................. 15
 
3.2. Chemical compounds of plastic scintillators ............................................................ 17
 
3.3. Commercial plastic scintillators ................................................................................ 21
 
3.4. Applications of 2-(4-styrylphenyl)benzoxazole ....................................................... 22
 
4. Experimental methods ..................................................................................................... 23
 
5. Potential wavelength shifters for the J-PET scintillator .................................................. 25
 
6. Development of plastic scintillators ................................................................................ 30
 
7. Optical, spectral and timing properties of J-PET scintillator ........................................... 34
 
7.1. Optical properties of J-PET scintillator .................................................................... 34
 
7.2. Spectral properties of J-PET scintillator ................................................................... 40
 
7.3. Timing properties of J-PET scintillator .................................................................... 47
 
8. Structure of J-PET scintillators ........................................................................................ 50
 
8.1. Molecular weight ...................................................................................................... 50
 
8.2. Investigations with Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy ........................... 54
 
8.3 Investigations with Differential Scanning Calorimetry ............................................. 66
 
9. Status of production of J-PET plastic scintillator strips .................................................. 68
 
10. Summary and perspectives ............................................................................................ 73
 
11. References ...................................................................................................................... 81
 

---

5