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 espectroscopia de rayos X y rayos gamma de alta energía . [1] [2]
El consorcio HEXITEC se formó en 2006 financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del 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 con base en el Reino Unido en tecnología de imágenes de rayos X de alta energía". Ahora está disponible comercialmente a través de Quantum Detectors .
La espectroscopia de rayos X es una técnica experimental potente que proporciona información cualitativa sobre la composición elemental y las tensiones y deformaciones internas 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 petróleo o gas o para la observación interna de reacciones químicas dentro de plantas o maquinaria pesada. Diferentes técnicas experimentales, como la obtención de imágenes por fluorescencia de rayos X y la obtención de imágenes por difracción de rayos X, requieren detectores de rayos X que sean sensibles en un amplio rango de energías. La tecnología establecida de detectores de semiconductores basada en silicio y germanio tiene una excelente resolución de energía a energías de rayos X inferiores a 30 keV, pero por encima de esto, debido a una reducción en el coeficiente de atenuación de la 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 amplia 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 del CdTe y el CdZnTe los han hecho ideales para aplicaciones que requieren espectroscopia a energías de rayos X más altas. Las aplicaciones de imágenes, como la SPECT , requieren detectores con un electrodo pixelado que permita obtener imágenes de objetos en 2D y 3D. Cada píxel del detector requiere su propia cadena de electrónica de lectura y, para un detector altamente pixelado, esto requiere el uso de un circuito integrado específico de la aplicación de alta sensibilidad .
El circuito integrado específico de aplicación (ASIC) HEXITEC fue desarrollado para el consorcio por el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología . El prototipo inicial consistió en una matriz de 20 x 20 píxeles en un paso de 250 μm fabricado utilizando 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 del ASIC contiene un amplificador de carga , un amplificador de modelado 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 ASIC PIXIE 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 píxeles pequeños 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 con un paso de 250 μm y una única matriz de 3 x 3 píxeles con un paso de 500 μm. Cada píxel contiene un amplificador de carga y un búfer de salida que permite registrar los pulsos de carga inducida de cada píxel.
El ASIC HEXITEC original se entregó a principios de la década de 2010 y funcionaba a una velocidad de cuadro máxima de 10 kHz. A esta velocidad, el sistema detector podía ofrecer espectroscopía de rayos X por píxel con una resolución de energía de <1 keV, pero estaba limitada a flujos de 10 4 fotones s -1 mm -2 . Con el desarrollo de sincrotrones de anillo de almacenamiento limitado por difracción , la intensidad de los rayos X producidos en experimentos típicos aumentó en >×100. Para seguir proporcionando una capacidad de obtención de imágenes espectroscópicas de rayos X en estas instalaciones, se tuvo que desarrollar una nueva generación del ASIC HEXITEC. El desarrollo del ASIC HEXITEC-MHz comenzó en 2018 con el objetivo de aumentar la velocidad de cuadro del sistema de cámara a 1 MHz para permitir la obtención de imágenes espectroscópicas a flujos de fotones superiores a 10 6 fotones s -1 mm -2 manteniendo el mismo rendimiento espectroscópico. Los primeros ASIC se entregaron en 2022 y actualmente se encuentran en pruebas en el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología y en Diamond Light Source . [7]
Los ASIC de HEXITEC están unidos por chips invertidos a un detector semiconductor de conversión directa mediante una técnica de curado a baja temperatura (~100 °C) de epoxi de plata y pernos de oro 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 consisten en un cátodo plano y un ánodo pixelado y funcionan bajo un voltaje de polarización negativo. Los rayos X y los rayos gamma que interactúan dentro de la capa del detector forman nubes de carga de pares electrón-hueco que se desplazan desde el cátodo hasta los píxeles del ánodo. La carga que se desplaza a través de los detectores induce carga en los píxeles del ASIC como se describe en el teorema de Shockley-Ramo que forma la señal detectada. Los detectores son capaces de medir un FWHM de fotopico del orden de 1 keV en el rango de energía de 3 a 200 keV. [8]
Los detectores HEXITEC se utilizan en diversas áreas de aplicación, entre ellas: ciencia de los materiales , [9] imágenes médicas , [10] [11] detección de materiales ilícitos , [12] y astronomía de rayos X. [13 ]