Technologia obrazowania rentgenowskiego o wysokiej energii
Technologia wysokoenergetycznego obrazowania rentgenowskiego ( HEXITEC ) to rodzina spektroskopowych detektorów pikseli zliczających pojedyncze fotony, opracowanych do zastosowań w spektroskopii wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego i gamma .
Konsorcjum HEXITEC zostało utworzone w 2006 r. dzięki finansowaniu Rady ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych w Wielkiej Brytanii . Konsorcjum jest kierowane przez Uniwersytet w Manchesterze ; pozostali członkowie to Rada ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych , Uniwersytet w Surrey , Uniwersytet w Durham i Uniwersytet Londyński w Birkbeck . W 2010 roku konsorcjum rozszerzyło się o Royal Surrey County Hospital i University College London . Wizją konsorcjum było „rozwinięcie możliwości w Wielkiej Brytanii w zakresie technologii obrazowania rentgenowskiego o wysokiej energii”. Jest teraz dostępny komercyjnie za pośrednictwem Quantum Detectors .
Technologia obrazowania rentgenowskiego o wysokiej energii
Spektroskopia rentgenowska to potężna technika eksperymentalna, która dostarcza jakościowych informacji na temat składu pierwiastkowego oraz wewnętrznych naprężeń i odkształceń w próbce. Wysokoenergetyczne promienie rentgenowskie mają zdolność wnikania głęboko w materiały, co pozwala na badanie gęstych obiektów, takich jak spoiny w stali, sekcje rdzeni geologicznych zawierających ropę lub gaz lub wewnętrzną obserwację reakcji chemicznych wewnątrz ciężkich instalacji lub maszyn. Różne techniki eksperymentalne, takie jak rentgenowskie obrazowanie fluorescencyjne i rentgenowskie obrazowanie dyfrakcyjne wymagają detektorów promieniowania rentgenowskiego, które są czułe w szerokim zakresie energii. Uznana detektorów półprzewodnikowych oparta na krzemie i germanie ma doskonałą rozdzielczość energetyczną przy energiach promieniowania rentgenowskiego poniżej 30 keV, ale powyżej tej wartości, ze względu na zmniejszenie współczynnika tłumienia masy materiału , skuteczność wykrywania jest dramatycznie zmniejszona. Do wykrywania wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich potrzebne są detektory wykonane z materiałów o większej gęstości.
Półprzewodniki złożone o dużej gęstości, takie jak tellurek kadmu (CdTe) , tellurek kadmu i cynku (CdZnTe) , arsenek galu (GaAs) , jodek rtęci lub bromek talu , były przedmiotem szeroko zakrojonych badań pod kątem zastosowania w wykrywaniu promieniowania rentgenowskiego o wysokiej energii. Korzystne właściwości przenoszenia ładunku i wysoka rezystywność elektryczna CdTe i CdZnTe sprawiły, że idealnie nadają się do zastosowań wymagających spektroskopii przy wyższych energiach promieniowania rentgenowskiego. Aplikacje obrazowania, takie jak SPECT , wymagają detektorów z elektrodą pikselową które umożliwiają obrazowanie obiektów w 2D i 3D. Każdy piksel detektora wymaga własnego łańcucha elektroniki odczytowej, aw przypadku detektora o dużej liczbie pikseli wymaga to zastosowania specjalnego układu scalonego o wysokiej czułości .
HEXITEC ASIC
Specjalny układ scalony HEXITEC (ASIC) został opracowany dla konsorcjum przez Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych Rutherford Appleton Laboratory . Początkowy prototyp składał się z tablicy 20 x 20 pikseli na rastrze 250 μm, wykonanej przy użyciu CMOS 0,35 μm ; druga generacja ASIC rozszerzyła rozmiar tablicy do 80 x 80 pikseli (4 cm2 ) . Każdy piksel ASIC zawiera wzmacniacz ładunku , wzmacniacz kształtujący CR-RC i obwód śledzenia i utrzymywania wartości szczytowych. ASIC rejestruje pozycję i całkowity ładunek zdeponowany dla każdego wykrytego zdarzenia rentgenowskiego.
PIXIE ASIC
PIXIE ASIC to badawczo-rozwojowy ASIC opracowany przez Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory dla konsorcjum. ASIC jest używany do badania indukcji ładunku i efektu małych pikseli w detektorach półprzewodnikowych, jak opisano w twierdzeniu Shockleya-Ramo . ASIC składa się z trzech oddzielnych macierzy 3 x 3 piksele na rastrze 250 μm i jednej tablicy 3 x 3 piksele na rastrze 500 μm. Każdy piksel zawiera wzmacniacz ładunku i bufor wyjściowy umożliwiający rejestrację indukowanych impulsów ładowania każdego piksela.
Detektory HEXITEC
Układy HEXITEC ASIC są połączone typu flip-chip z detektorem półprzewodnikowym z bezpośrednią konwersją przy użyciu techniki utwardzania w niskiej temperaturze (~100°C) srebrnej żywicy epoksydowej i złotego ćwieka w hybrydowym układzie detektora. Warstwa detektora promieniowania rentgenowskiego jest półprzewodnikiem, zwykle z tellurku kadmu (CdTe) lub tellurku kadmu i cynku (CdZnTe) , o grubości od 1 do 3 mm. Detektory składają się z płaskiej katody i pikselowej anody i działają pod ujemnym napięciem polaryzacji. Promienie rentgenowskie i gamma oddziałujące w warstwie detektora tworzą chmury ładunków par elektron-dziura które dryfują od katody do anody pikseli. Ładunek dryfujący przez detektory indukuje ładunek na pikselach ASIC, jak opisano w twierdzeniu Shockleya-Ramo , które tworzą wykryty sygnał. Detektory są zdolne do pomiaru fotopiku FWHM rzędu 1 keV w zakresie energii 3 - 200 keV.
Aplikacje
Detektory HEXITEC są używane w wielu różnych obszarach zastosowań, w tym w materiałoznawstwie , obrazowaniu medycznym , wykrywaniu nielegalnych materiałów i astronomii rentgenowskiej .