Технология получения рентгеновских изображений высокой энергии ( HEXITEC ) представляет собой семейство спектроскопических пиксельных детекторов , подсчитывающих отдельные фотоны, разработанных для приложений высокоэнергетической рентгеновской и гамма-спектроскопии . [1] [2]
Консорциум HEXITEC был сформирован в 2006 году при финансовой поддержке Совета по исследованиям в области инженерии и физических наук Великобритании . [3] [4] Консорциум возглавляется Манчестерским университетом ; другими членами являются Совет по научно-техническим учреждениям , Университет Суррея , Даремский университет и Лондонский университет в Биркбеке . В 2010 году консорциум расширился, включив в себя Королевскую больницу округа Суррей и Университетский колледж Лондона . Видение консорциума состояло в том, чтобы «развивать в Великобритании возможности в области технологии высокоэнергетической рентгеновской визуализации». Теперь он доступен на коммерческой основе через Quantum Detectors .
Рентгеновская спектроскопия — это мощный экспериментальный метод, который предоставляет качественную информацию об элементном составе, внутренних напряжениях и деформациях внутри образца. Высокоэнергетические рентгеновские лучи обладают способностью глубоко проникать в материалы, что позволяет исследовать плотные объекты, такие как сварные швы в стали, геологические разрезы керна, содержащие нефть или газ, или для внутреннего наблюдения за химическими реакциями внутри тяжелого завода или оборудования. Различные экспериментальные методы, такие как рентгеновская флуоресцентная визуализация и рентгеновская дифракционная визуализация, требуют рентгеновских детекторов, которые чувствительны в широком диапазоне энергий. Установленная технология полупроводниковых детекторов на основе кремния и германия имеет превосходное энергетическое разрешение при энергиях рентгеновского излучения ниже 30 кэВ, но выше этого значения из-за снижения коэффициента затухания массы материала эффективность обнаружения резко снижается. Для обнаружения высокоэнергетических рентгеновских лучей требуются детекторы, изготовленные из материалов с более высокой плотностью.
Высокоплотные полупроводниковые соединения, такие как теллурид кадмия (CdTe) , теллурид цинка кадмия (CdZnTe) , арсенид галлия (GaAs) , иодид ртути или бромид таллия , были предметом обширных исследований для использования в высокоэнергетическом рентгеновском детектировании. Благоприятные свойства переноса заряда и высокое электрическое сопротивление CdTe и CdZnTe сделали их идеально подходящими для приложений, требующих спектроскопии при более высоких энергиях рентгеновского излучения. Для приложений визуализации, таких как SPECT , требуются детекторы с пикселизированным электродом , которые позволяют отображать объекты в 2D и 3D. Каждый пиксель детектора требует собственной цепи считывающей электроники, а для высокопикселизированного детектора это требует использования высокочувствительной специализированной интегральной схемы .
Специализированная интегральная схема (ASIC) HEXITEC была разработана для консорциума Советом по научным и технологическим объектам Лабораторией Резерфорда-Эпплтона . Первоначальный прототип состоял из массива 20 x 20 пикселей с шагом 250 мкм, изготовленного с использованием 0,35-мкм КМОП- процесса; [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 пиковую схему отслеживания и хранения. ASIC регистрирует положение и общий заряд, вложенный для каждого обнаруженного события рентгеновского излучения.
PIXIE ASIC — это исследовательская и опытно-конструкторская ASIC, разработанная Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory для консорциума. ASIC используется для исследования индукции заряда и эффекта малых пикселей в полупроводниковых детекторах, как описано теоремой Шокли–Рамо . [6] ASIC состоит из трех отдельных массивов 3 x 3 пикселя с шагом 250 мкм и одного массива 3 x 3 пикселя с шагом 500 мкм. Каждый пиксель содержит усилитель заряда и выходной буфер, позволяющий регистрировать индуцированные импульсы заряда каждого пикселя.
Оригинальная микросхема HEXITEC ASIC была поставлена в начале 2010-х годов и работала с максимальной частотой кадров 10 кГц. На этой скорости система детектора могла обеспечивать попиксельную рентгеновскую спектроскопию с энергетическим разрешением <1 кэВ, но была ограничена потоками 10 4 фотонов с -1 мм -2 . С разработкой синхротронов с дифракционным ограничением накопительных колец интенсивность рентгеновских лучей, производимых в типичных экспериментах, увеличилась > × 100. Для того чтобы продолжать обеспечивать возможность спектроскопической рентгеновской визуализации на этих объектах, необходимо было разработать новое поколение микросхем HEXITEC ASIC. Разработка микросхемы HEXITEC-MHz ASIC началась в 2018 году с целью увеличения частоты кадров системы камеры до 1 МГц, чтобы обеспечить спектроскопическую визуализацию при потоках фотонов, превышающих 10 6 фотонов с -1 мм -2 , при сохранении той же спектроскопической производительности. Первые микросхемы ASIC были поставлены в 2022 году и в настоящее время проходят испытания в лаборатории Резерфорда-Эпплтона и Diamond Light Source Совета по научным и технологическим объектам . [7]
Микросхемы HEXITEC ASIC соединены методом переворота кристалла с полупроводниковым детектором прямого преобразования с использованием низкотемпературной (~100 °C) отверждающейся серебряной эпоксидной смолы и техники золотых шпилек 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 пикселизированного анода и работают под отрицательным напряжением смещения. Рентгеновские и гамма-лучи, взаимодействующие в слое детектора, образуют облака зарядов пар электрон-дырка , которые дрейфуют от катода к пикселям анода. Заряд, дрейфующий через детекторы, индуцирует заряд на пикселях ASIC, как описано в теореме Шокли-Рамо , которые формируют обнаруженный сигнал. Детекторы способны измерять фотопик FWHM порядка 1 кэВ в диапазоне энергий от 3 до 200 кэВ. [8]
Детекторы HEXITEC используются в различных областях применения, включая: материаловедение , [9] медицинскую визуализацию , [10] [11] обнаружение незаконных материалов , [12] и рентгеновскую астрономию . [13]