使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探測(cè)器進(jìn)行X射線譜學(xué)成像
概述
本文介紹了高分辨率高靈敏度探測(cè)器在材料分辨X射線成像中的適用性。 常規(guī)的X射線圖像是黑白的，即僅顯示材料密度和厚度的變化。 厚度小但密度高、原子序數(shù)大的材料可能與厚度大的輕材料以相同的灰度級(jí)顯示。 因此，樣本的某些特征可能仍未被檢測(cè)到。
另一方面，能量敏感（譜學(xué)）X射線成像可以提供被檢查對(duì)象的元素組成信息。
光子計(jì)數(shù)型X射線探測(cè)器：
Advacam生產(chǎn)直接轉(zhuǎn)換混合光子計(jì)數(shù)型（HPC）探測(cè)器。 X射線輻射在半導(dǎo)體或半絕緣體感光層中直接轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。 信號(hào)經(jīng)過(guò)處理并以數(shù)字方式存儲(chǔ)在55 μm尺寸的每個(gè)像素中。 這種方法克服了常見(jiàn)的基于閃爍體的平板探測(cè)器（FPD）的局限性。 光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器消除了常見(jiàn)FPD中存在的大多數(shù)噪聲源，從而實(shí)現(xiàn)了幾乎任意的信噪比。
小像素（小于100 μm）FPD的閃爍體必須沉積在薄層中，以使光擴(kuò)散最小并與像素尺寸匹配。 然而，較小的閃爍體厚度會(huì)限制靈敏度并增加測(cè)量時(shí)間。 HPC成像儀可以使用較厚的感光層，而不會(huì)影響分辨率。 因此，與相同像素大小的FPD相比，它們具有更高的X射線靈敏度。
此類(lèi)新型探測(cè)器中的像素化電子器件經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，具有抗輻射強(qiáng)度，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)成像探測(cè)器的使用壽命。
另外，直接轉(zhuǎn)換光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器能夠進(jìn)行X射線能量甄別，即僅檢測(cè)某個(gè)能量以上或某個(gè)能量窗口內(nèi)的光子，從而進(jìn)行光譜成像。
長(zhǎng)期以來(lái)，由于僅可使用硅作為感光材料，HPC探測(cè)器的應(yīng)用范圍受到限制。 對(duì)于超過(guò)20 keV的光子，硅晶體無(wú)法提供足夠的檢測(cè)效率。
可使用CdTe或CZT等感光材料以在高能段提供更高的靈敏度：
Advacam提供了具有1mm厚CdTe感光層的光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器，并準(zhǔn)備在未來(lái)提供2mm厚CZT感光層的設(shè)備。 這些感光層的靈敏度不僅比Si高得多，而且比高分辨率平板中常用的閃爍器（像素小于100 μm）要高得多。
同時(shí)，CdTe的高檢測(cè)效率并不意味著損害空間分辨率。 像素尺寸仍為55 μm。 感光層中的光子產(chǎn)生的信號(hào)可以在相鄰像素之間分配。 這種效應(yīng)稱(chēng)為電荷共享。 它類(lèi)似于閃爍體中散布的光。 但是，由于施加到感光層的電場(chǎng)的作用，該散布明顯小于閃爍體中的光散布。 電荷共享對(duì)探測(cè)器的空間分辨率的影響很小。
下圖顯示了50和63 μm線對(duì)的分解：
但，電荷共享會(huì)對(duì)探測(cè)器的能量響應(yīng)產(chǎn)生重大影響。 對(duì)于厚感光層（例如1 mm厚的CdTe）尤其如此。 電荷共享限制了CdTe感光層在像素尺寸小于100或200 μm的光譜成像中的使用。
Advacam的X射線成像探測(cè)器基于Medipix3 ASIC [1]像素化芯片，集成了電荷共享校正電路。 電子設(shè)備對(duì)泄漏到相鄰像素的信號(hào)求和，并將求和后的值與能級(jí)閾值進(jìn)行比較。 然后，光子計(jì)數(shù)僅記錄在信號(hào)最高的像素中。 這有效地抑制了由電荷共享引起的額外計(jì)數(shù)，并極大地改善了感光層的能量響應(yīng)。 因此，即使在55 μm的高分辨率下，也可以使用CdTe感光層進(jìn)行光譜成像。
探測(cè)器Widepix 1x5或2x5 CdTe MPX3 [2]中提供此功能。
下表列出了選定的基本探測(cè)器參數(shù)：
使用Medipix3 CdTe進(jìn)行譜學(xué)成像：
使用集成了Widepix 1x5 MPX3 CdTe探測(cè)器的Radalytica機(jī)器人X射線掃描儀[3]來(lái)評(píng)估光譜X射線成像效果。 掃描儀實(shí)質(zhì)上將Widepix敏感區(qū)域從70x14 mm2擴(kuò)展到最大600x1200 mm2。 機(jī)器人掃描儀重新放置探測(cè)器和X射線管，測(cè)量單個(gè)圖像塊并自動(dòng)將它們縫在一起進(jìn)行大面積掃描。
光譜成像在樣品上進(jìn)行了測(cè)試，該樣品由不同厚度的各種純金屬箔組成：
使用在50 kVp和1 mA下運(yùn)行的X射線管在300 mm的距離上掃描測(cè)試樣品。 探測(cè)器中激活了電荷共享校正（CSM）。 每個(gè)圖塊包含從10.2 keV到40 keV的13個(gè)能量等級(jí)，即每張圖像記錄能量高于該能量等級(jí)的光子。 每個(gè)能量的暴光時(shí)間為1 s。 整個(gè)掃描區(qū)域?yàn)?span style="font-family: Times New Roman">165 x 360 mm2。 黑白圖像使用信號(hào)厚度校正[4]進(jìn)行校正。對(duì)測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行微分，即減去后續(xù)能級(jí)的圖像。
計(jì)算出X射線衰減：
Im（E）是在能量E下測(cè)得的微分信號(hào)，I0（E）是不放置樣品時(shí)的信號(hào)。 然后，μ（E）x數(shù)據(jù)可以使X射線圖像“著色”，因?yàn)樗赡馨蝗坏碾A躍，這些階躍對(duì)應(yīng)于X射線吸收隨能量的K邊和L邊。
邊緣是不同化學(xué)元素的特征：
測(cè)得的能量步長(zhǎng)相對(duì)較粗糙，以保持可接受的總測(cè)量時(shí)間。 因此，相似的元素不能完全分辨。 而且，諸如Fe，Co，Ni和Cu等較輕的元素的k邊緣在7到9 keV之間。 但是，使用的最小能量辨別閾值為10 keV。 因此，最明顯的特征k邊緣超出了檢測(cè)的能量范圍。Al，Ti和塑料框架也存在類(lèi)似情況。 此處被測(cè)光譜的形狀足以將這些材料與Fe，Co，Ni和Cu區(qū)別開(kāi)來(lái)。
與輕元素相反，Mo在20 keV處具有k邊緣，因此被很好地識(shí)別。 類(lèi)似地，具有25.5keV的k-邊緣的Ag和具有29.2keV的k-邊緣的Sn被良好地分辨。 Ta，W，Pt和Pb的k邊緣不在X射線管范圍（50 kVp）范圍內(nèi)。 因此，這些元素是基于由它們的l邊緣引起的光譜失真“著色”的，但是這種失真并不明顯。 l邊在11到16 keV之間。 CdTe感光層的靈敏度允許使用更高的X射線能量，因此可以更可靠地檢測(cè)帶有k邊緣的這些材料。 但是，此實(shí)驗(yàn)未能使用具有較高加速電壓的X射線管。
選定的測(cè)量曲線如下圖所示：
應(yīng)用案例
光譜X射線成像的一個(gè)案例是電子設(shè)備中材料的區(qū)分。 使用機(jī)器人掃描儀上的Widepix MPX3 CdTe探測(cè)器掃描了筆記本電腦。 產(chǎn)生的掃描圖像具有7852x9880像素，即7760萬(wàn)像素。
黑白和“彩色” X射線圖像均顯示如下：
高Z CdTe感光層與Medipix3芯片的功能相結(jié)合，可提供高分辨率（55 μm像素），靈敏度（在60 keV時(shí)為100％，在140 keV時(shí)為30％）和能量測(cè)量（即X射線光譜成像）等多種功能和特性。
通過(guò)在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的電荷求和功能，可以在此像素大小下使用CdTe進(jìn)行光譜成像。它克服了CdTe感光材料的局限性，該局限性一直以來(lái)都是電荷共享，即像素之間的串?dāng)_。
光譜信息可用于根據(jù)其元素組成來(lái)區(qū)分材料，從而將常規(guī)的X射線成像的信息含量帶入新的水平。
例如，該技術(shù)可用于電子，生物和醫(yī)學(xué)樣品的X射線檢查，材料科學(xué)，藝術(shù)成像[5]，復(fù)合材料成像等。近年來(lái)，光子計(jì)數(shù)X射線成像技術(shù)已經(jīng)從科學(xué)家的“玩具”發(fā)展到了適用于各種工業(yè)X射線成像應(yīng)用的強(qiáng)大工具。Advacam S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微包裝、電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和X射線成像解決方案。
Advacam最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探測(cè)器（應(yīng)用Timepix芯片）沒(méi)有縫隙(No Gap)，因此在無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、藝術(shù)及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam同NASA（美國(guó)航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持很好的項(xiàng)目合作關(guān)系，其產(chǎn)品及方案也應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
References
[2] Widepix 1x5 MPX3 CdTe, https://advacam.com/widepix