Технология рентгеновской визуализации высокой энергии
Технология рентгеновской визуализации высоких энергий ( HEXITEC ) представляет собой семейство спектроскопических пиксельных детекторов с подсчетом одиночных фотонов, разработанных для приложений рентгеновской и гамма-спектроскопии высоких энергий . [ 1 ] [ 2 ]
Консорциум HEXITEC был образован в 2006 году при финансовой поддержке Исследовательского совета инженерных и физических наук Великобритании . [ 3 ] [ 4 ] Консорциум возглавляет Манчестерский университет ; Среди других членов - Совет по науке и технологиям , Университет Суррея , Даремский университет и Лондонский университет в Биркбеке . В 2010 году консорциум расширился и включил в себя Королевскую больницу округа Суррей и Университетский колледж Лондона . Целью консорциума было «развитие в Великобритании возможностей в области технологии рентгеновской визуализации высокой энергии». Теперь он коммерчески доступен через Quantum Detectors .
Технология рентгеновской визуализации высокой энергии
[ редактировать ]Рентгеновская спектроскопия — мощный экспериментальный метод, который предоставляет качественную информацию об элементном составе, внутренних напряжениях и деформациях внутри образца. Рентгеновские лучи высокой энергии обладают способностью глубоко проникать в материалы, что позволяет исследовать плотные объекты, такие как сварные швы в стали, геологические секции керна, содержащие нефть или газ, или для внутреннего наблюдения за химическими реакциями внутри тяжелых установок или механизмов. Различные экспериментальные методы, такие как рентгеновская флуоресцентная визуализация и рентгеновская дифракционная визуализация, требуют детекторов рентгеновского излучения, чувствительных в широком диапазоне энергий. Признанные технологии полупроводниковых детекторов на основе кремния и германия имеют превосходное энергетическое разрешение при энергии рентгеновского излучения ниже 30 кэВ, но выше этого значения из-за уменьшения коэффициента ослабления массы материала эффективность обнаружения резко снижается. Для обнаружения рентгеновских лучей высокой энергии необходимы детекторы, изготовленные из материалов с более высокой плотностью.
Сложные полупроводники высокой плотности, такие как теллурид кадмия (CdTe) , теллурид кадмия-цинка (CdZnTe) , арсенид галлия (GaAs) , йодид ртути или бромид таллия , были предметом обширных исследований для использования в обнаружении рентгеновского излучения высокой энергии. Благоприятные свойства переноса заряда и высокое электрическое сопротивление CdTe и CdZnTe сделали их идеально подходящими для применений, требующих спектроскопии при более высоких энергиях рентгеновского излучения. Приложения для визуализации, такие как ОФЭКТ , требуют детекторов с пиксельным электродом , которые позволяют отображать объекты в 2D и 3D. Для каждого пикселя детектора требуется собственная цепь считывающей электроники, а для детектора с высокой пикселизацией это требует использования высокочувствительной интегральной схемы, ориентированной на конкретное приложение .
ASIC HEXITEC
[ редактировать ](ASIC) HEXITEC Специальная интегральная схема была разработана для консорциума Совета по науке и технологиям Лабораторией Резерфорда Эпплтона . Первоначальный прототип состоял из массива 20 x 20 пикселей с шагом 250 мкм, изготовленного с использованием КМОП- процесса 0,35 мкм; [ 5 ] второе поколение ASIC расширило размер массива до 80 x 80 пикселей (4 см 2 ). Каждый пиксель ASIC содержит усилитель заряда , усилитель формирования CR-RC и схему отслеживания и удержания пиков. ASIC записывает положение и общий заряд, накопленный для каждого обнаруженного рентгеновского события.
Пикси ASIC
[ редактировать ]
PIXIE ASIC — это ASIC для исследований и разработок, разработанный Совета по науке и технологиям Лабораторией Резерфорда Эпплтона для консорциума. ASIC используется для исследования индукции заряда и эффекта мелких пикселей в полупроводниковых детекторах, как описано в теореме Шокли-Рамо . [ 6 ] ASIC состоит из трех отдельных массивов 3 x 3 пикселей с шагом 250 мкм и одного массива 3 x 3 пикселей с шагом 500 мкм. Каждый пиксель содержит усилитель заряда и выходной буфер, позволяющий записывать импульсы индуцированного заряда каждого пикселя.
ASIC HEXITEC-МГц
[ редактировать ]Оригинальная ASIC HEXITEC была выпущена в начале 2010-х годов и работала с максимальной частотой кадров 10 кГц. При такой скорости система детекторов могла обеспечить попиксельную рентгеновскую спектроскопию с энергетическим разрешением <1 кэВ, но была ограничена потоками 10 4 фотоны с -1 мм -2 . С разработкой синхротронов с накопительным кольцом с дифракционным ограничением интенсивность рентгеновского излучения, получаемого в типичных экспериментах, увеличилась более чем в 100 раз. Чтобы продолжать предоставлять возможности спектроскопической рентгеновской визуализации на этих объектах, необходимо было разработать новое поколение ASIC HEXITEC. Разработка ASIC HEXITEC-MHz началась в 2018 году с целью увеличения частоты кадров системы камер до 1 МГц, чтобы обеспечить возможность получения спектроскопических изображений при потоках фотонов, превышающих 10 6 фотоны с -1 мм -2 сохраняя при этом те же спектроскопические характеристики. Первые ASIC были доставлены в 2022 году и в настоящее время проходят испытания в Совета по науке и технологиям Лаборатории Резерфорда Эпплтона и Diamond Light Source . [ 7 ]
Детекторы HEXITEC
[ редактировать ]ASIC HEXITEC представляют собой перевернутый кристалл, соединенный с полупроводниковым детектором прямого преобразования с использованием технологии отверждения серебряной эпоксидной смолы при низкой температуре (~ 100 ° C) и золотых штифтов в гибридной конструкции детектора. Слой детектора рентгеновского излучения представляет собой полупроводник, обычно теллурид кадмия (CdTe) или теллурид кадмия-цинка (CdZnTe) , толщиной от 1 до 3 мм. Детекторы состоят из плоского катода и пиксельного анода и работают под отрицательным напряжением смещения. Рентгеновские и гамма-лучи, взаимодействуя внутри слоя детектора, образуют зарядовые облака электронно-дырочных пар , которые дрейфуют от катода к пикселям анода. Заряд, дрейфующий по детекторам, индуцирует заряд на пикселях ASIC, как описано в теореме Шокли-Рамо, которые формируют обнаруженный сигнал. Детекторы способны измерять фотопик на полувысоте порядка 1 кэВ в диапазоне энергий 3–200 кэВ. [ 8 ]
Приложения
[ редактировать ]Детекторы HEXITEC используются в различных областях применения, включая: материаловедение , [ 9 ] медицинская визуализация , [ 10 ] [ 11 ] обнаружение незаконных материалов , [ 12 ] и рентгеновская астрономия . [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Цветной трехмерный рентгеновский снимок обнаруживает коррозию, рак и контрабанду» . Фотоника.com. 09.01.2013.
- ^ «Камера делает цветные 3D-рентгеновские снимки практически в реальном времени» . theengineer.co.uk. 07.01.2013.
- ^ «Новые материалы для цветной рентгеновской визуализации высокой энергии» . ЭПСРК. 01.06.2006.
- ^ «Грант на перевод HEXITEC. Применение цветной рентгеновской визуализации» . ЭПСРК. 04.01.2011.
- ^ Джонс, Лоуренс; Продавец, Пол; Уилсон, Мэтью; Харди, Алек (июнь 2009 г.). «HEXITEC ASIC — пиксельный чип считывания для CZT-детекторов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 604 (1–2): 34–37. Бибкод : 2009NIMPA.604...34J . дои : 10.1016/j.nima.2009.01.046 .
- ^ Вил, Мэтью; Белл, Стивен Дж.; Джонс, Лоуренс Л.; Продавец, Пол; Уилсон, Мэтью Д.; Олворк, Кристофер; Кито, Димитрис; Селлин, Пол Дж.; и др. (октябрь 2011 г.). «ASIC для исследования эффектов распределения заряда в небольших пиксельных детекторах рентгеновского излучения CdZnTe». Транзакции IEEE по ядерной науке . 58 (5): 2357. Бибкод : 2011ИТНС...58.2357В . дои : 10.1109/TNS.2011.2162746 . S2CID 23658071 .
- ^ Клайн, Бен (сентябрь 2023 г.). «HEXITECMHz - Спектроскопическая детекторная система рентгеновского изображения с непрерывной частотой кадров 1 МГц». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A : 168718. doi : 10.1016/j.nima.2023.168718 . S2CID 262222711 .
- ^ Продавец, Пол; Белл, С; Черник, Р.Дж.; Христодулу, К; Иган, СК; Гаскин, Дж.А.; Жак, С; Пани, С; и др. (декабрь 2011 г.). «Пикселлированный высокоэнергетический рентгеновский прибор Cd(Zn)Te» . Журнал приборостроения . 6 (12): C12009. Бибкод : 2011JInst...6C2009S . дои : 10.1088/1748-0221/6/12/C12009 . ПМЦ 3378031 . ПМИД 22737179 .
- ^ Жак, Симон; Иган, Кристофер К.; Уилсон, Мэтью Д.; Вил, Мэтью С.; Продавец, Пол; Черник, Роберт Дж. (ноябрь 2012 г.). «Лабораторная система для элементной гиперспектральной рентгеновской визуализации». Аналитик . 138 (3): 755–9. дои : 10.1039/c2an36157d . ПМИД 23145429 .
- ^ Скаффхэм, Джеймс; Уилсон, доктор медицины; Продавец, П; Вил, MC; Селлин, П.Дж.; Жак, СДМ; Черник, Р.Дж. (август 2012 г.). «Детектор CdTe для гиперспектральной ОФЭКТ». Журнал приборостроения . 7 (8): P08027. дои : 10.1088/1748-0221/7/08/P08027 . S2CID 250665467 .
- ^ Альхатиб, Шима; Абделькадер, Мохамед Х.; Брэдли, Дэвид А.; Продавец, Пол; Вил, Мэтью С.; Уилсон, Мэтт Д.; Пани, Сильвия (февраль 2013 г.). Нисикава, Роберт М; Уайтинг, Брюс Р. (ред.). «Энергодисперсионная рентгеновская дифракционная компьютерная томография фантомов, имитирующих грудь, и образца ткани» (PDF) . Медицинская визуализация SPIE . Медицинская визуализация 2013: Физика медицинской визуализации. 8668 : 86684Г. дои : 10.1117/12.2007710 . S2CID 120523203 .
- ^ О'Флинн, Дэниел; Десаи, Хемант; Рид, Кэролайн Б; Христодулу, Кристиана; Уилсон, Мэтью Д.; Вил, Мэтью С; Продавец, Пол; Хиллз, Дэниел; Вонг, Бен; Спеллер, Роберт Д. (июль 2013 г.). «Идентификация имитаторов взрывчатых веществ методом пиксельной рентгеновской дифракции» . Криминология . 2 :4. дои : 10.1186/2193-7680-2-4 .
- ^ «Высокоэнергетическая тиражируемая оптика – ГЕРОЙ» . НАСА. Архивировано из оригинала 16 ноября 2005 года . Проверено 19 июля 2013 г.