Positronenemissionstomographie (PET)

Mit Hilfe der Positronenemissionstomographie (PET) können Stofftransport, Diffusions- und Anreicherungsprozesse, insbesondere in mehrphasigen Stoffgemischen (fest-flüssig, flüssig-flüssig, gasförmig-flüssig) untersucht werden. Dazu muss mindestens eine der zu untersuchenden Substanzen mit einem positronenemittierenden radioaktiven Tracer markiert werden. Dies wird erreicht, indem im Rahmen einer chemischen Synthese die benötigte Zielsubstanz durch Einbau eines β+-aktiven Stoffes in ein nichtradioaktives Ausgangsprodukt (Präkursor) hergestellt wird. Als PET-Nuklide (Tracer) kommen hauptsächlich C-11 (einbaubar in eine Vielzahl von organischen Stoffen) und F-18 (einbaubar in eine Anzahl von Salzen) in Frage. Aufgrund der kurzen Tracer-Halbwertzeiten muss die zu markierende Substanz im FZD synthetisiert werden. Ebenfalls einsetzbar ist Cu-64. Die maximal zugelassenen Aktivitäten betragen derzeit 1,6 MBq für C-11 und F-18 sowie 8 MBq für Cu-64. Damit ist eine Untersuchung des zeitlichen Verlaufs von Ausbreitungsvorgängen und Stoffanreicherungen mit einer Auflösung von etwa 1 Sekunde möglich. Eine Erhöhung dieser Aktivitäten bis 500 MBq ist möglich.

Bei der Vernichtung der Positronen an Elektronen nach deren Emission kommt es zur Emission charakteristischer Gammastrahlung von 511 keV. Dabei werden je Vernichtungsvorgang zwei diametral zueinander emittierte Gammaquanten erzeugt. Durch den PET-Scanner werden solche Vernichtungsereignisse im Untersuchungsvolumen registriert. Dazu ist eine Vielzahl von Strahlungsdetektoren um das Volumen angeordnet. Diese erzeugen beim Auftreffen eines Gammaquants ein elektrisches Signal, welches den Zeitpunkt des Messereignisses und die Energie des erfassten Strahlungsquants kodiert. Mit Hilfe einer elektronischen Energiediskriminierung werden zunächst alle gestreuten Gammaphotonen mit Energien weit unterhalb 511 keV von der Messung ausgeschlossen. Weiterhin wird in einer Koinzidenzlogik getestet, ob zwei Detektorereignisse gleichzeitig registriert wurden. In diesem Fall werden die beiden Ereignisse einem Vernichtungsprozess zugeordnet. Die Ortskoordinaten der beiden Empfängerdetektoren beschreiben dabei die Ereignislinie (Line of Response: LOR), entlang derer der Vernichtungsprozess stattgefunden haben muss. Mit Hilfe eines nachgeordneten Bild- oder Volumenrekonstruktionsverfahrens wird anschließend aus der Vielzahl der gemessenen LORs die zwei- bzw. dreidimensionale Verteilung der Positronenemissionsdichte in einer Schnittebene bzw. im Gesamtvolumen berechnet und dargestellt.

Bei dem für fluiddynamische Experimente entwickelten PET-Scanner handelt es sich um ein Gerät für ein zylindrisches Untersuchungsvolumen mit maximal 100 mm Durchmesser und 1 m Höhe. Dies kann beispielsweise eine vertikale Blasensäule, ein Säulenreaktor oder ein mit Feststoffpartikeln gefüllter Behälter sein. Die Messeinrichtung gestattet eine Aufnahme der Vernichtungsstrahlung in 6 Messebenen mit jeweils 16 Detektoren pro Messebene. Eine tomographische Aufnahme ist vom Gesamtvolumen oder in einzelnen Messebenen möglich. Die Messebenen können in einem vertikalen Minimalabstand von 200 mm übereinander angeordnet werden, wobei ein Scan über die gesamte Höhe von 1 m möglich ist, indem das Untersuchungsobjekt mit Hilfe einer schrittmotorgetriebenen vertikalen Stelleinheit in axialer Richtung verschoben werden kann. Ebenfalls ist ein größerer Abstand zwischen den Messebenen durch konstruktive Veränderung des Aufbaus möglich. Darüber hinaus können auch viele andere Messgeometrien leicht realisiert werden, z. B. bei Untersuchung an horizontalen Behältern.
Das räumliche Auflösungsvermögen der Messeinrichtung ist insbesondere durch die Größe der Szintillationsdetektoren (ca. 30 mm x 40 mm aktive Fläche) bestimmt und liegt bei etwa 10..15 mm innerhalb einer Detektorebene (horizontal) und je nach Montageabstand der Messebenen bei etwa minimal 50 mm zwischen den einzelnen Detektorebenen (vertikal).

Publikationen

• Zippe, C.; Hoppe, D.; Fietz, J.; Hampel, U.; Hensel, F.; Mäding, P.; Prasser, H.-M.; Zippe, W.
  Messung von Phasen- und Konzentrationsverteilungen in Blasensäulen mit Positronen-Emissions-Tomographie
  Chemie Ingenieur Technik 77(2005) 10, 1581-1587
• Zippe, C.; Hoppe, D.; Fietz, J.; Hampel, U.; Hensel, F.; Mäding, P.; Prasser, H.-M.; Zippe, W.; Berührungslose Messung von Phasen- und Konzentrationsverteilungen in Blasensäulen mit positronenemittierenden Radionukliden , Wissenschaftlich-Technische Berichte, FZR-389, Forschungszentrum Rossendorf, September 2003