高エネルギーX線イメージング技術
HEXITECコラボレーション

高エネルギーX線イメージング技術（HEXITEC ）は、高エネルギーX線およびガンマ線分光法の用途向けに開発された、分光式、単一光子計数式のピクセル検出器ファミリーです。[1] [2]

HEXITECコンソーシアムは、英国工学物理科学研究会議（EPSR）の資金提供を受けて2006年に設立されました。[3] [4]このコンソーシアムはマンチェスター大学が主導し、科学技術施設評議会（SFC）、サリー大学、ダラム大学、ロンドン大学バークベック校などがメンバーとなっています。2010年には、ロイヤル・サリー・カウンティ病院とユニバーシティ・カレッジ・ロンドンが加わり、コンソーシアムは拡大しました。コンソーシアムのビジョンは、「英国を拠点とした高エネルギーX線イメージング技術の開発」でした。この技術は現在、Quantum Detectors社を通じて市販されています。

高エネルギーX線イメージング技術

X 線分光法は、試料内の元素組成や内部応力、歪みに関する定性情報を提供する強力な実験手法です。高エネルギー X 線は物質の奥深くまで浸透する能力があり、鋼の溶接部、石油やガスを含む地質学的コアセクションなどの高密度物体の検査や、重機や機械内部の化学反応の観察が可能です。X線蛍光イメージングやX 線回折イメージングなどのさまざまな実験手法では、広範囲のエネルギーにわたって感度を持つ X 線検出器が必要です。シリコンとゲルマニウムをベースとする確立された半導体検出器技術は、30 keV 未満の X 線エネルギーでは優れたエネルギー分解能を発揮しますが、これを超えると、物質の質量減衰係数の低下により、検出効率が大幅に低下します。高エネルギー X 線を検出するには、より高密度の物質から作られた検出器が必要です。

高密度の化合物半導体、例えばテルル化カドミウム (CdTe)、テルル化亜鉛カドミウム (CdZnTe)、ガリウムヒ素 (GaAs)、ヨウ化水銀、臭化タリウムなどは、高エネルギー X 線検出に使用するために広範に研究されてきました。 CdTe と CdZnTe は電荷輸送特性が良好で電気抵抗率が高いため、より高い X 線エネルギーでの分光を必要とする用途に最適です。SPECTなどのイメージング用途では、物体を 2D および 3D でイメージングできるピクセル化された電極を備えた検出器が必要です。 検出器の各ピクセルには独自の読み出し電子機器のチェーンが必要であり、高度にピクセル化された検出器では高感度の特定用途向け集積回路を使用する必要があります。

HEXITEC ASIC

HEXITEC特定用途向け集積回路（ASIC）は、科学技術施設評議会 ラザフォード・アップルトン研究所によってコンソーシアム向けに開発されました。最初のプロトタイプは、0.35μm CMOSプロセスを使用して製造された250μmピッチの20×20ピクセルのアレイで構成されていました。[5]第2世代のASICでは、アレイサイズが80×80ピクセル（4cm²）に拡張されました。各ASICピクセルには、チャージアンプ、CR-RCシェーピングアンプ、ピークトラックアンドホールド回路が搭載されています。ASICは、検出されたX線イベントごとに、位置と蓄積された総電荷を記録します

PIXIE ASIC

HEXITEC検出器で収集された典型的なX線/ガンマ線スペクトル

PIXIE ASICは、科学技術施設評議会 ラザフォード・アップルトン研究所がコンソーシアム向けに開発した研究開発用ASICです。このASICは、ショックレー・ラモ定理[6]で説明される半導体検出器における電荷誘導と小ピクセル効果の調査に使用されています。ASICは、250μmピッチの3×3ピクセルの独立したアレイ3つと、500μmピッチの3×3ピクセルのアレイ1つで構成されています。各ピクセルにはチャージアンプと出力バッファが内蔵されており、各ピクセルに誘導された電荷パルスを記録することができます。

HEXITEC-MHz ASIC

オリジナルのHEXITEC ASICは2010年代初頭に納入され、最大フレームレート10kHzで動作しました。この速度では、検出器システムは1ピクセルあたり1keV未満のエネルギー分解能でX線分光を提供できましたが、10⁻光子s⁻⁻mm⁻のフラックスに制限されていました。回折限界蓄積リングシンクロトロンの開発により、典型的な実験で生成されるX線強度は100倍以上増加しました。これらの施設で分光X線イメージング機能を継続的に提供するために、新世代のHEXITEC ASICを開発する必要がありました。HEXITEC-MHz ASICの開発は、カメラシステムのフレームレートを1MHzに向上させ、同じ分光性能を維持しながら、10⁻光子s⁻⁻⁻を超える光子フラックスでの分光イメージングを可能にすることを目的として、 2018年に開始されました最初のASICは2022年に納入され、現在は科学技術施設評議会のラザフォード・アップルトン研究所とダイヤモンド光源でテスト中です。[7]

HEXITEC検出器

HEXITEC ASICは、低温（約100℃）硬化型銀エポキシと金スタッド技術を用いて、ハイブリッド検出器構成で直接変換型半導体検出器にフリップチップ接合されています。X線検出器層は半導体で、通常はテルル化カドミウム（CdTe）またはテルル化カドミウム亜鉛（CdZnTe）で、厚さは1～3mmです。検出器は平面陰極とピクセル化された陽極で構成され、負のバイアス電圧下で動作します。検出器層内で相互作用するX線とガンマ線は、陰極から陽極ピクセルへと移動する電子正孔対の電荷雲を形成します。検出器を横切る電荷は、ショックレー・ラモの定理に従ってASICピクセルに電荷を誘導し、検出信号を形成します。検出器は、3～200keVのエネルギー範囲において、1keV程度の光電ピークFWHMを測定できます。 [8]

用途

HEXITEC検出器は、材料科学、[9] 、医用画像、[10] 、 [11]、 違法物質検出、[12] 、X線天文学など、さまざまな用途分野で使用されています 。[13]

参考文献

  1. ^ 「3DカラーX線が腐食、がん、禁制品を発見」Photonics.com、2013年1月9日
  2. ^ 「カメラがほぼリアルタイムで3DカラーX線写真を撮影」theengineer.co.uk、2013年1月7日。
  3. ^ 「高エネルギーカラーX線イメージングのための新材料」EPSRC. 2006年6月1日.
  4. ^ 「HEXITEC翻訳助成金。カラーX線画像の応用」EPSRC. 2011年1月4日.
  5. ^ ローレンス・ジョーンズ、ポール・セラー、マシュー・ウィルソン、アレック・ハーディー（2009年6月）「HEXITEC ASIC—CZT検出器用ピクセル化読み出しチップ」核物理学研究セクションA 604 ( 1–2 ) : 34– 37. Bibcode :2009NIMPA.604...34J. doi :10.1016/j.nima.2009.01.046.
  6. ^ Veale, Matthew; Bell, Steven J.; Jones, Lawrence L.; Seller, Paul; Wilson, Matthew D.; Allwork, Christopher; Kitou, Dimitris; Sellin, Paul J.; et al. (2011年10月). 「小型ピクセルCdZnTe X線検出器における電荷共有効果の研究のためのASIC」. IEEE Transactions on Nuclear Science . 58 (5): 2357. Bibcode :2011ITNS...58.2357V. doi :10.1109/TNS.2011.2162746. S2CID  23658071.
  7. ^ Cline, Ben (2023年9月). 「HEXITECMHz - 1MHz連続フレームレート分光X線イメージング検出器システム」. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 168718. doi :10.1016/j.nima.2023.168718. S2CID  262222711.
  8. ^ Seller, Paul; Bell, S; Cernik, RJ; Christodoulou, C; Egan, CK; Gaskin, JA; Jacques, S; Pani, S; et al. (2011年12月). 「ピクセル化Cd(Zn)Te高エネルギーX線計測器」. Journal of Instrumentation . 6 (12) C12009. Bibcode :2011JInst...6C2009S. doi :10.1088/1748-0221/6/12/C12009. PMC 3378031. PMID 22737179  . 
  9. ^ ジャック, サイモン; イーガン, クリストファー K.; ウィルソン, マシュー D.; ヴィール, マシュー C.; セラー, ポール; セルニック, ロバート J. (2012年11月). 「元素特異的ハイパースペクトルX線イメージングのための実験システム」.アナリスト. 138 (3): 755–9 . doi :10.1039/c2an36157d. PMID  23145429.
  10. ^ Scuffham, James; Wilson, MD; Seller, P; Veale, MC; Sellin, PJ; Jacques, SDM; Cernik, RJ (2012年8月). 「ハイパースペクトルSPECTイメージング用CdTe検出器」. Journal of Instrumentation . 7 (8) P08027. doi :10.1088/1748-0221/7/08/P08027. S2CID  250665467.
  11. ^ Alkhateeb, Shyma; Abdelkader, Mohamed H.; Bradley, David A.; Seller, Paul; Veale, Matthew C.; Wilson, Matt D.; Pani, Silvia (2013年2月). Nishikawa, Robert M; Whiting, Bruce R (編). 「乳房シミュレーションファントムおよび組織サンプルのエネルギー分散型X線回折コンピュータ断層撮影」(PDF) . SPIE Medical Imaging . Medical Imaging 2013: Physics of Medical Imaging. 8668 : 86684G. doi :10.1117/12.2007710. S2CID  120523203.
  12. ^ オフリン, ダニエル; デサイ, ヘマント; リード, キャロライン B; クリストドゥロウ, クリスティアナ; ウィルソン, マシュー D; ヴィール, マシュー C; セラー, ポール; ヒルズ, ダニエル; ウォン, ベン; スペラー, ロバート D (2013年7月). 「ピクセル化X線回折法を用いた爆発物模擬物質の識別」. Crime Science . 24. doi : 10.1186/2193-7680-2-4 .
  13. ^ 「高エネルギー複製光学装置 - HERO」NASA. 2005年11月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年7月19日閲覧。
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