企业新闻

使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器进行X射线谱学成像

2020-05-11 14:16:50 Zora 54

概述

本文介绍了高分辨率高灵敏度探测器在材料分辨X射线成像中的适用性。 常规的X射线图像是黑白的,即仅显示材料密度和厚度的变化。 厚度小但密度高、原子序数大的材料可能与厚度大的轻材料以相同的灰度级显示。 因此,样本的某些特征可能仍未被检测到。

另一方面,能量敏感(谱学)X射线成像可以提供被检查对象的元素组成信息。

光子计数型X射线探测器:

北京众星联恒科技有限公司

Advacam生产直接转换混合光子计数型(HPC)探测器。 X射线辐射在半导体或半绝缘体感光层中直接转换为可测量的电信号。 信号经过处理并以数字方式存储在55 µm尺寸的每个像素中。 这种方法克服了常见的基于闪烁体的平板探测器(FPD)的局限性。 光子计数型探测器消除了常见FPD中存在的大多数噪声源,从而实现了几乎任意的信噪比。

小像素(小于100 µm)FPD的闪烁体必须沉积在薄层中,以使光扩散最小并与像素尺寸匹配。 然而,较小的闪烁体厚度会限制灵敏度并增加测量时间。 HPC成像仪可以使用较厚的感光层,而不会影响分辨率。 因此,与相同像素大小的FPD相比,它们具有更高的X射线灵敏度。

此类新型探测器中的像素化电子器件经过精心设计,具有抗辐射强度,可以进一步延长成像探测器的使用寿命。

另外,直接转换光子计数型探测器能够进行X射线能量甄别,即仅检测某个能量以上或某个能量窗口内的光子,从而进行光谱成像。

长期以来,由于仅可使用硅作为感光材料,HPC探测器的应用范围受到限制。 对于超过20 keV的光子,硅晶体无法提供足够的检测效率。 

可使用CdTeCZT等感光材料以在高能段提供更高的灵敏度:

北京众星联恒科技有限公司

Advacam提供了具有1mmCdTe感光层的光子计数型探测器,并准备在未来提供2mmCZT感光层的设备。 这些感光层的灵敏度不仅比Si高得多,而且比高分辨率平板中常用的闪烁器(像素小于100 µm)要高得多。

同时,CdTe的高检测效率并不意味着损害空间分辨率。 像素尺寸仍为55 µm。 感光层中的光子产生的信号可以在相邻像素之间分配。 这种效应称为电荷共享。 它类似于闪烁体中散布的光。 但是,由于施加到感光层的电场的作用,该散布明显小于闪烁体中的光散布。 电荷共享对探测器的空间分辨率的影响很小。

下图显示了5063 µm线对的分解:

北京众星联恒科技有限公司


但,电荷共享会对探测器的能量响应产生重大影响。 对于厚感光层(例如1 mm厚的CdTe)尤其如此。 电荷共享限制了CdTe感光层在像素尺寸小于100200 µm的光谱成像中的使用。

AdvacamX射线成像探测器基于Medipix3 ASIC [1]像素化芯片,集成了电荷共享校正电路。 电子设备对泄漏到相邻像素的信号求和,并将求和后的值与能级阈值进行比较。 然后,光子计数仅记录在信号最高的像素中。 这有效地抑制了由电荷共享引起的额外计数,并极大地改善了感光层的能量响应。 因此,即使在55 µm的高分辨率下,也可以使用CdTe感光层进行光谱成像。

探测器Widepix 1x52x5 CdTe MPX3 [2]中提供此功能。 

下表列出了选定的基本探测器参数:

北京众星联恒科技有限公司


使用Medipix3 CdTe进行谱学成像:

北京众星联恒科技有限公司

使用集成了Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器的Radalytica机器人X射线扫描仪[3]来评估光谱X射线成像效果。 扫描仪实质上将Widepix敏感区域从70x14 mm2扩展到最大600x1200 mm2。 机器人扫描仪重新放置探测器和X射线管,测量单个图像块并自动将它们缝在一起进行大面积扫描。

光谱成像在样品上进行了测试,该样品由不同厚度的各种纯金属箔组成:

北京众星联恒科技有限公司


使用在50 kVp和1 mA下运行的X射线管在300 mm的距离上扫描测试样品。 探测器中激活了电荷共享校正(CSM)。 每个图块包含从10.2 keV40 keV13个能量等级,即每张图像记录能量高于该能量等级的光子。 每个能量的暴光时间为1 s。 整个扫描区域为165 x 360 mm2。 黑白图像使用信号厚度校正[4]进行校正。对测得的光谱数据进行微分,即减去后续能级的图像。 

计算出X射线衰减:

北京众星联恒科技有限公司

ImE)是在能量E下测得的微分信号,I0E)是不放置样品时的信号。 然后,μ(Ex数据可以使X射线图像“着色”,因为它可能包含突然的阶跃,这些阶跃对应于X射线吸收随能量的K边和L边。 

边缘是不同化学元素的特征:

北京众星联恒科技有限公司


测得的能量步长相对较粗糙,以保持可接受的总测量时间。 因此,相似的元素不能完全分辨。 而且,诸如Fe,CoNiCu等较轻的元素的k边缘在79 keV之间。 但是,使用的最小能量辨别阈值为10 keV。 因此,最明显的特征k边缘超出了检测的能量范围。AlTi和塑料框架也存在类似情况。 此处被测光谱的形状足以将这些材料与FeCoNiCu区别开来。

与轻元素相反,Mo在20 keV处具有k边缘,因此被很好地识别。 类似地,具有25.5keVk-边缘的Ag和具有29.2keVk-边缘的Sn被良好地分辨。 TaWPtPbk边缘不在X射线管范围(50 kVp)范围内。 因此,这些元素是基于由它们的l边缘引起的光谱失真“着色”的,但是这种失真并不明显。 l边在1116 keV之间。 CdTe感光层的灵敏度允许使用更高的X射线能量,因此可以更可靠地检测带有k边缘的这些材料。 但是,此实验未能使用具有较高加速电压的X射线管。 

选定的测量曲线如下图所示:

北京众星联恒科技有限公司


应用案例

光谱X射线成像的一个案例是电子设备中材料的区分。 使用机器人扫描仪上的Widepix MPX3 CdTe探测器扫描了笔记本电脑。 产生的扫描图像具有7852x9880像素,即7760万像素。 

黑白和“彩色” X射线图像均显示如下:

北京众星联恒科技有限公司


高Z CdTe感光层与Medipix3芯片的功能相结合,可提供高分辨率(55 µm像素),灵敏度(在60 keV时为100%,在140 keV时为30%)和能量测量(即X射线光谱成像)等多种功能和特性。

通过在设备中实现的电荷求和功能,可以在此像素大小下使用CdTe进行光谱成像。它克服了CdTe感光材料的局限性,该局限性一直以来都是电荷共享,即像素之间的串扰。

光谱信息可用于根据其元素组成来区分材料,从而将常规的X射线成像的信息含量带入新的水平。

例如,该技术可用于电子,生物和医学样品的X射线检查,材料科学,艺术成像[5],复合材料成像等。近年来,光子计数X射线成像技术已经从科学家的“玩具”发展到了适用于各种工业X射线成像应用的强大工具。Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所,致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微包装、电子产品设计和X射线成像解决方案。

Advacam最核心的技术特点是其X射线探测器(应用Timepix芯片)没有缝隙(No Gap),因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA(美国航空航天局)及ESA(欧洲航空航天局)保持很好的项目合作关系,其产品及方案也应用于航空航天领域。


References

[1] R.Ballabriga, M.Campbell, E.Heijne, X.Llopart, L.Tlustos, W.Wong: Medipix3: “A 64 k pixel detector readout chip working in single photon counting mode with improved spectrometric performance,” Nuc. Instr. and Meth. in Phys. A, Vol. 633, Supplement 1, May 2011.

[2] Widepix 1x5 MPX3 CdTe, https://advacam.com/widepix

 [3] J. Jakubek: ”Data processing and image reconstruction methods for pixel detectors,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 576 (2007) 223–234.





首页
产品
新闻
联系