直接轉(zhuǎn)換8μm混合像素CMOS X射線探測(cè)器在材料科學(xué)中的新應(yīng)用
加拿大 KA imaging DXC 會(huì)議海報(bào)：直接轉(zhuǎn)換 8μm 混合像素 CMOS X 射線探測(cè)器在材料科學(xué)中的新應(yīng)用
背景介紹：
01
在 20keV 以上，X 射線成像探測(cè)很難兼得高分辨率和高探測(cè)效率。X 射線探測(cè)器的性能限制了實(shí)驗(yàn)的范圍，阻礙了通過衍射和層析成像技術(shù)來理解材料中復(fù)雜納米級(jí)結(jié)構(gòu)的進(jìn)展。
混合像素1,2,3/光子計(jì)數(shù)X射線直接探測(cè)器 | 閃爍體4 X射線間接探測(cè)器 | |
優(yōu)勢(shì) | 使用高原子系數(shù)傳感器材料來獲得足夠的硬X射線探測(cè)器效率 | 使用小像素CMOS和放大光學(xué)元件分辨精細(xì)特征 |
劣勢(shì) | 相對(duì)大的像素尺寸（≥ 50 μm） | 對(duì)于大于20keV的能量不是最優(yōu)的 |
局限 | 像素大小有限，因?yàn)樾枰獙⒆x出電路的每個(gè)像素與光電傳感器通過焊錫凸塊與倒裝焊工藝連接 | 閃爍體必須很薄，以落在物鏡的景深內(nèi)，以獲得最佳的空間分辨率 |
當(dāng)在適于訪問原位環(huán)境和深埋體積5的高穿透 x 射線能量（即＞50keV）下實(shí)施時(shí)，布拉格相干衍射成像(BCDI)，可以深入了解晶體材料的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)積。
然而，在高能量下的壓縮倒易空間給現(xiàn)有提供足夠的空間采樣的探測(cè)器帶來了挑戰(zhàn)。
暗場(chǎng) x 射線顯微鏡(DFXM)提供了對(duì)嵌入式晶粒結(jié)構(gòu)的無損非破壞性觀察。放置在衍射光束中的 x 射線光學(xué)器件提供了衍射顆粒的倒易空間敏感的空間映射7。然而，由于許多 x 射線光學(xué)器件的效率相對(duì)較低，故帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)使用二維系統(tǒng)(如薄膜幾何形狀)時(shí)，這種情況更加復(fù)雜，從而大大降低了衍射強(qiáng)度。
由于儀器存在機(jī)械不穩(wěn)定性，較長(zhǎng)的曝光時(shí)間導(dǎo)致較低的分辨率，降低了這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)7。
BCDI 和 DFXM 是將極大地受益于具有微米級(jí)分辨率的高效，直接轉(zhuǎn)換探測(cè)器的技術(shù)案例。
加拿大 KA imaging Inc. 生產(chǎn)了一種新的 1600 萬像素 X 射線成像探測(cè)器，像素尺寸為 8 μ m，對(duì) 20 keV 以上的硬 X 射線能量具有很高的探測(cè)效率。在 Advanced Photon Source 上使用光束線 1-BM-B，使用高達(dá) 63 keV 的硬 x 射線能量對(duì) 100 萬像素原型機(jī)進(jìn)行了表征。用微聚焦源對(duì) 60 kV 下的探測(cè)量子效率(DQE)進(jìn)行了表征。
探測(cè)器技術(shù)：
02
將 3T APS 像素設(shè)計(jì)的定制 CMOS 芯片與非晶硒（a-Se）光電導(dǎo)體混合（圖1）
在 CMOS 上SS直接沉積了 100μm 厚的非晶硒（a-Se）層。
在對(duì)頂部電極施加偏置電壓的情況下 a-Se 變得光敏區(qū)域，產(chǎn)生 5-10 V/μm 的電場(chǎng)。
a-Se/CMOS 混合探測(cè)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于高達(dá) 100KeV硬 X 射線能量的高探測(cè)量子效率，同時(shí)具有最小電荷擴(kuò)散的像素尺寸。
圖1. 定制 CMOS 讀出集成電路的三晶體管（3T）像素設(shè)計(jì)。
探測(cè)器參數(shù)：
03
項(xiàng)目 | 參數(shù) |
傳感器 | 非晶硒 (a-Se) |
傳感器厚度 | 100 μm (標(biāo)稱) |
量子效率 (標(biāo)稱) | 90% at 20 keV |
29% at 40 keV | |
11% at 60 keV | |
3% at 100 keV | |
讀出芯片 | CMOS |
像素尺寸 | 8 μm x 8 μm |
像素規(guī)格 | 4096 × 4096 = 16,777,216 pixels (16- megapixel) |
缺陷像素 | <1% |
感光面積 | 32.8 mm × 32.8 mm |
探測(cè)能量范圍 | 13 – 100 keV (not tested at <13 keV) |
幀率 | 0.25 – 2 Hz |
動(dòng)態(tài)范圍 | 180e –701250e (71.8 dB) (標(biāo)稱l) |
模數(shù)轉(zhuǎn)換深度 | 14-bit |
尺寸 (W x H x D) | 269 mm x 245 mm x 117 mm |
重量 | 7.0 kg |
線性度
線性度（圖2）作為積分時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，最高可達(dá)滿井容量的 34%。在 21keV 時(shí)每像素的通量為 2204 個(gè)光子/s/像素，在 63keV 時(shí)為 6865 個(gè)光子s/s/像素。
圖2 . 作為積分時(shí)間函數(shù)的線性度。對(duì)于 21keV（圓形）和 63keV（正方形），線性擬合（虛線）的R2值分別為 0.99774和0.99790
空間分辨能力
JIMA線對(duì)卡（1μm金圖案）的吸收能力足夠在 21keV 產(chǎn)生高對(duì)比度條形圖案圖像（圖3）。
以21keV獲取的JIMA RT RC-05線對(duì)圖案圖像（左）。對(duì)比間隔為40μm、30μm、15μm和8μm的三個(gè)線對(duì)的截面襯度（右）。其中橫坐標(biāo)是像素，縱坐標(biāo)是強(qiáng)度
響應(yīng)度是作為 a-Se 轉(zhuǎn)換增益的函數(shù)來測(cè)量的，該增益取決于所施加的電場(chǎng)13（圖4）。在 21keV 時(shí)每像素的通量為 2381 光子/s/像素，在 63keV 時(shí)為 3851 光子/s/像素。當(dāng)與非晶硒在 63keV 和 5.5V/μm 下 683EHP/光子的響應(yīng)度耦合時(shí)，探測(cè)器的讀出噪聲為 180 電子 RMS，可以實(shí)現(xiàn) 4 的信噪比，這使得能夠在高能下進(jìn)行單光子探測(cè)。
圖4. 對(duì)于21keV（圓形）和63keV（正方形），100μm a-Se作為電場(chǎng)函數(shù)的響應(yīng)性。還顯示了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ň€條）
空間分辨率
使用傾斜邊緣技術(shù)測(cè)量 63keV 下的 MTF（圖5）。每像素的通量為 6865 個(gè)光子/s/像素。在奈奎斯特頻率 64lp/mm 下的 10% MTF 與模擬數(shù)據(jù)相差不到幾個(gè)百分點(diǎn)。
圖5. 在為63 keV下測(cè)量了MTF（藍(lán)色）。同時(shí)展示了像素本身的模型預(yù)測(cè)（虛線）以及來自像素和a-Se的組合貢獻(xiàn)的模型預(yù)測(cè)（黑色）
探測(cè)器量子效率
使用 Amptek CdTe-123 光譜儀測(cè)量 60kV 鎢靶 x 射線光譜。觀察到 X 光的堆積，因此絕對(duì)光子計(jì)數(shù)不可靠，然而，堆積抑制使光譜失真最小化。作為替代方案，使用半經(jīng)驗(yàn)鎢靶光譜模型確定每單位暴露的總通量為 1.28×108mm-2 R-1。根據(jù)測(cè)量的半值層對(duì)模型進(jìn)行了調(diào)整。比較如圖6所示。
圖6. 校準(zhǔn)的半經(jīng)驗(yàn) X 射線能譜模型和 2mm Al 過濾的 60kV 光束質(zhì)量的光子計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)（平均能量為34.3keV）
圖7. 使用傾斜邊緣技術(shù)的實(shí)驗(yàn)預(yù)采樣 MTF 與單獨(dú)建模的像素進(jìn)行了比較，并包括來自 a-Se 的所有貢獻(xiàn)
使用斜邊技術(shù)測(cè)量了預(yù)采樣MTF(圖7)，相應(yīng)的 LSF 的FWHM 為 8.7 μm。使用 MTF 和 NPS(未顯示)結(jié)果，以及 hvl 校準(zhǔn)的光譜模型和暴露測(cè)量，計(jì)算了 DQE(圖8)。發(fā)現(xiàn)Nyquist 的 DQE 略低于 10%
圖8. 實(shí)驗(yàn) DQE(點(diǎn))和預(yù)測(cè) DQE(黑線)
結(jié)論：
04
63keV 下測(cè)量的響應(yīng)度已經(jīng)證明單光子 SNR 為 4。
在 60 kV 下測(cè)量的 DQE 顯示出高的探測(cè)效率。
使用 63keV 光子測(cè)量的高空間頻率下的 MTF 證明了一種探測(cè)器技術(shù)的成功發(fā)展，該技術(shù)可以推進(jìn)材料科學(xué)應(yīng)用的研究，如相位對(duì)比層析成像和在能量 >50keV時(shí)使用 BCDI 對(duì)大塊晶體材料中的納米級(jí)晶格畸變進(jìn)行高空間分辨率成像。
該技術(shù)還將促進(jìn) 20 keV 或以上 x 射線能量的新型同步加速器成像應(yīng)用，例如 DFXM。
相關(guān)閱讀
相襯顯微CT和非晶硒探測(cè)器在農(nóng)業(yè)和自然中的應(yīng)用
跨向理想X射線探測(cè)器的一小步-高分辨、非晶硒X射線探測(cè)器及其應(yīng)用
KA Imaging 源自滑鐵盧大學(xué)，成立于 2015 年。作為一家專門開發(fā) X 射線成像技術(shù)和系統(tǒng)的公司，KA Imaging 以創(chuàng)新為導(dǎo)向，致力于利用其先進(jìn)的 X 射線技術(shù)為醫(yī)療、獸醫(yī)學(xué)和無損檢測(cè)工業(yè)市場(chǎng)提供最佳解決方案。公司擁有獨(dú)家開發(fā)并自有專利的高空間高分辨率非晶硒（a-Se）X 射線探測(cè)器 BrillianSeTM，并基于此推出了商業(yè)化 X 射線桌面相襯微米 CT inCiTe?。
北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為 KA Imaging 在中國(guó)地區(qū)的獨(dú)家代理，全面負(fù)責(zé) BrillianSe? 及 inCiTe? 在中國(guó)市場(chǎng)的產(chǎn)品售前咨詢，銷售以及售后業(yè)務(wù)。KA Imaging 將對(duì)眾星聯(lián)恒提供全面、深度的技術(shù)培訓(xùn)和支持，以便更好地服務(wù)于中國(guó)客戶。眾星聯(lián)恒及我們來自全球高科技領(lǐng)域的合作伙伴們將繼續(xù)為中國(guó)廣大科研用戶及工業(yè)用戶帶來更多創(chuàng)新技術(shù)及前沿資訊！
References
1. Bellazzini et al. (2015). Journal of Instrumentation, 10, C01032.
2. Greiffenberg et al. (2021). Sensors, 21, 1550.
3. Philipp et al.(2020), Journal of Instrumentation, 15, P06025.
4. Martin, T. & Koch, A. (2006). Journal of Synchrotron Radiation, 13, 180-194.
5. Maddali et al. (2019). Physical Review A, 99, 053838.
6. Maddali et al. (2018). Scientific Reports, 8, 4959.
7.Kisiel et al. https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.07303 (submitted to Optics Letters
8. Scott et al. (2021). Journal of Synchrotron Radiation, 28, 1081-1089
9. Scott, C. C. (2019). PhD Thesis, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada.
10. Scott et al. (2014). In Medical Imaging 2014: Physics of Medical Imaging, SPIE, 9033, 90331G.
11. Scott et al. (2015). IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).
12. Karim, K. S., Scott, C. & Li, Y. (2020). US Patent No. 10,627,530, US Patent and Trademark Office.
13. Kabir et al. (2019). Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 30.