La tecnología de imágenes de rayos X de alta energía ( HEXITEC ) es una familia de detectores de píxeles espectroscópicos de conteo de fotones individuales desarrollados para aplicaciones de espectroscopía de rayos X y rayos Ύ de alta energía . [1] [2]
El consorcio HEXITEC se formó en 2006 financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas, Reino Unido . [3] [4] El consorcio está dirigido por la Universidad de Manchester ; otros miembros incluyen el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología , la Universidad de Surrey , la Universidad de Durham y la Universidad de Londres, Birkbeck . En 2010, el consorcio se expandió para incluir el Royal Surrey County Hospital y el University College London . La visión del consorcio era "desarrollar una capacidad en el Reino Unido en tecnología de imágenes de rayos X de alta energía". Ya esta disponiblecomercialmente a través de Quantum Detectors .
Tecnología de imágenes de rayos X de alta energía
La espectroscopia de rayos X es una poderosa técnica experimental que proporciona información cualitativa sobre la composición elemental y las tensiones internas y la deformación dentro de una muestra. Los rayos X de alta energía tienen la capacidad de penetrar profundamente en los materiales, lo que permite el examen de objetos densos como soldaduras en acero, secciones de núcleos geológicos que contienen aceite o gas o para la observación interna de reacciones químicas dentro de plantas o maquinaria pesada. Las diferentes técnicas experimentales, como las imágenes de fluorescencia de rayos X y las imágenes de difracción de rayos X, requieren detectores de rayos X que sean sensibles a una amplia gama de energías. La tecnología de detector de semiconductores establecida basada en silicio y germanio tiene una excelente resolución de energía a energías de rayos X por debajo de 30 keV, pero por encima de esto, debido a una reducción en el coeficiente de atenuación de masa del material , la eficiencia de detección se reduce drásticamente. Para detectar rayos X de alta energía, se requieren detectores producidos a partir de materiales de mayor densidad.
Los semiconductores compuestos de alta densidad como el telururo de cadmio (CdTe) , el telururo de cadmio y zinc (CdZnTe) , el arseniuro de galio (GaAs) , el yoduro de mercurio o el bromuro de talio han sido objeto de una extensa investigación para su uso en la detección de rayos X de alta energía. Las favorables propiedades de transporte de carga y la alta resistividad eléctrica de CdTe y CdZnTe los han hecho ideales para aplicaciones que requieren espectroscopía a energías de rayos X más altas. Las aplicaciones de imágenes, como SPECT , requieren detectores con un electrodo pixelado que permitan obtener imágenes de objetos en 2D y 3D. Cada píxel del detector requiere su propia cadena de componentes electrónicos de lectura y, para un detector altamente pixelado, esto requiere el uso de un circuito integrado específico de la aplicación de alta sensibilidad .
El ASIC HEXITEC
El circuito integrado específico de aplicación (ASIC) de HEXITEC fue desarrollado para el consorcio por el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología . El prototipo inicial consistía en una matriz de 20 x 20 píxeles en un paso de 250 μm fabricada mediante un proceso CMOS de 0,35 μm ; [5] la segunda generación del ASIC amplió el tamaño de la matriz a 80 x 80 píxeles (4 cm 2 ). Cada píxel ASIC contiene un amplificador de carga , un amplificador de conformación CR-RC y un circuito de seguimiento y retención de picos. El ASIC registra la posición y la carga total depositada para cada evento de rayos X detectado.
El PIXIE ASIC
El PIXIE ASIC es un ASIC de investigación y desarrollo desarrollado por el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología para el consorcio. El ASIC se está utilizando para investigar la inducción de carga y el efecto de píxel pequeño en detectores de semiconductores como se describe en el teorema de Shockley-Ramo . [6] El ASIC consta de tres matrices independientes de 3 x 3 píxeles en un paso de 250 μm y una única matriz de 3 x 3 píxeles en un paso de 500 μm. Cada píxel contiene un amplificador de carga y un búfer de salida que permite registrar los pulsos de carga inducidos de cada píxel.
Detectores HEXITEC
Los ASIC de HEXITEC están unidos por un chip basculante a un detector de semiconductores de conversión directa mediante una técnica de espárragos de oro y epoxi de plata de curado a baja temperatura (~ 100 ° C) en una disposición de detector híbrido. La capa del detector de rayos X es un semiconductor, típicamente telururo de cadmio (CdTe) o telururo de cadmio y zinc (CdZnTe) , de entre 1 y 3 mm de espesor. Los detectores constan de un cátodo plano y un ánodo pixelado y funcionan bajo una tensión de polarización negativa. Los rayos X y los rayos Ύ que interactúan dentro de la capa detectora forman nubes de carga de pares de agujeros de electrones que se desplazan desde el cátodo a los píxeles del ánodo. La carga que se desplaza a través de los detectores induce carga en los píxeles ASIC como se describe en el teorema de Shockley-Ramo que forman la señal detectada. Los detectores son capaces de medir un FWHM de fotopico de rayos X / rayos Ύ del orden de 1 keV en el rango de energía de 3 - 200 keV. [7]
Aplicaciones
Detectores HEXITEC están en uso en un número de diferentes áreas de aplicación, incluyendo: la ciencia de materiales , [8] de imágenes médicas , [9] [10] ilícito de detección de material , [11] y de rayos X astronomía . [12]
Referencias
- ^ "Corrosión, cáncer y contrabando de manchas de rayos X de color 3-D" . Photonics.com. 2013-01-09.
- ^ "La cámara toma fotografías de rayos X en color 3D casi en tiempo real" . theengineer.co.uk. 2013-01-07.
- ^ "Nuevos materiales para la obtención de imágenes de rayos X en color de alta energía" . EPSRC. 2006-06-01.
- ^ "Beca de traducción HEXITEC. La aplicación de la imagen de rayos X en color" . EPSRC. 2011-01-04.
- ^ Jones, Lawrence; Vendedor, Paul; Wilson, Matthew; Hardie, Alec (junio de 2009). "HEXITEC ASIC: un chip de lectura pixelado para detectores CZT". Instrumentos y métodos nucleares en la Investigación Física Sección A . 604 (1–2): 34–37. doi : 10.1016 / j.nima.2009.01.046 .
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- ^ "Óptica replicada de alta energía - HÉROE" . NASA. Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2005 . Consultado el 19 de julio de 2013 .