使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器进行X射线谱学成像
概述
本文介绍了高分辨率高灵敏度探测器在材料分辨X射线成像中的适用性。 常规的X射线图像是黑白的，即仅显示材料密度和厚度的变化。 厚度小但密度高、原子序数大的材料可能与厚度大的轻材料以相同的灰度级显示。 因此，样本的某些特征可能仍未被检测到。
另一方面，能量敏感（谱学）X射线成像可以提供被检查对象的元素组成信息。
光子计数型X射线探测器：
Advacam生产直接转换混合光子计数型（HPC）探测器。 X射线辐射在半导体或半绝缘体感光层中直接转换为可测量的电信号。 信号经过处理并以数字方式存储在55 µm尺寸的每个像素中。 这种方法克服了常见的基于闪烁体的平板探测器（FPD）的局限性。 光子计数型探测器消除了常见FPD中存在的大多数噪声源，从而实现了几乎任意的信噪比。
小像素（小于100 µm）FPD的闪烁体必须沉积在薄层中，以使光扩散最小并与像素尺寸匹配。 然而，较小的闪烁体厚度会限制灵敏度并增加测量时间。 HPC成像仪可以使用较厚的感光层，而不会影响分辨率。 因此，与相同像素大小的FPD相比，它们具有更高的X射线灵敏度。
此类新型探测器中的像素化电子器件经过精心设计，具有抗辐射强度，可以进一步延长成像探测器的使用寿命。
另外，直接转换光子计数型探测器能够进行X射线能量甄别，即仅检测某个能量以上或某个能量窗口内的光子，从而进行光谱成像。
长期以来，由于仅可使用硅作为感光材料，HPC探测器的应用范围受到限制。 对于超过20 keV的光子，硅晶体无法提供足够的检测效率。
可使用CdTe或CZT等感光材料以在高能段提供更高的灵敏度：
Advacam提供了具有1mm厚CdTe感光层的光子计数型探测器，并准备在未来提供2mm厚CZT感光层的设备。 这些感光层的灵敏度不仅比Si高得多，而且比高分辨率平板中常用的闪烁器（像素小于100 µm）要高得多。
同时，CdTe的高检测效率并不意味着损害空间分辨率。 像素尺寸仍为55 µm。 感光层中的光子产生的信号可以在相邻像素之间分配。 这种效应称为电荷共享。 它类似于闪烁体中散布的光。 但是，由于施加到感光层的电场的作用，该散布明显小于闪烁体中的光散布。 电荷共享对探测器的空间分辨率的影响很小。
下图显示了50和63 µm线对的分解：
但，电荷共享会对探测器的能量响应产生重大影响。 对于厚感光层（例如1 mm厚的CdTe）尤其如此。 电荷共享限制了CdTe感光层在像素尺寸小于100或200 µm的光谱成像中的使用。
Advacam的X射线成像探测器基于Medipix3 ASIC [1]像素化芯片，集成了电荷共享校正电路。 电子设备对泄漏到相邻像素的信号求和，并将求和后的值与能级阈值进行比较。 然后，光子计数仅记录在信号最高的像素中。 这有效地抑制了由电荷共享引起的额外计数，并极大地改善了感光层的能量响应。 因此，即使在55 µm的高分辨率下，也可以使用CdTe感光层进行光谱成像。
探测器Widepix 1x5或2x5 CdTe MPX3 [2]中提供此功能。
下表列出了选定的基本探测器参数：
使用Medipix3 CdTe进行谱学成像：
使用集成了Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器的Radalytica机器人X射线扫描仪[3]来评估光谱X射线成像效果。 扫描仪实质上将Widepix敏感区域从70x14 mm2扩展到最大600x1200 mm2。 机器人扫描仪重新放置探测器和X射线管，测量单个图像块并自动将它们缝在一起进行大面积扫描。
光谱成像在样品上进行了测试，该样品由不同厚度的各种纯金属箔组成：
使用在50 kVp和1 mA下运行的X射线管在300 mm的距离上扫描测试样品。 探测器中激活了电荷共享校正（CSM）。 每个图块包含从10.2 keV到40 keV的13个能量等级，即每张图像记录能量高于该能量等级的光子。 每个能量的暴光时间为1 s。 整个扫描区域为165 x 360 mm2。 黑白图像使用信号厚度校正[4]进行校正。对测得的光谱数据进行微分，即减去后续能级的图像。
计算出X射线衰减：
Im（E）是在能量E下测得的微分信号，I0（E）是不放置样品时的信号。 然后，μ（E）x数据可以使X射线图像“着色”，因为它可能包含突然的阶跃，这些阶跃对应于X射线吸收随能量的K边和L边。
边缘是不同化学元素的特征：
测得的能量步长相对较粗糙，以保持可接受的总测量时间。 因此，相似的元素不能完全分辨。 而且，诸如Fe，Co，Ni和Cu等较轻的元素的k边缘在7到9 keV之间。 但是，使用的最小能量辨别阈值为10 keV。 因此，最明显的特征k边缘超出了检测的能量范围。Al，Ti和塑料框架也存在类似情况。 此处被测光谱的形状足以将这些材料与Fe，Co，Ni和Cu区别开来。
与轻元素相反，Mo在20 keV处具有k边缘，因此被很好地识别。 类似地，具有25.5keV的k-边缘的Ag和具有29.2keV的k-边缘的Sn被良好地分辨。 Ta，W，Pt和Pb的k边缘不在X射线管范围（50 kVp）范围内。 因此，这些元素是基于由它们的l边缘引起的光谱失真“着色”的，但是这种失真并不明显。 l边在11到16 keV之间。 CdTe感光层的灵敏度允许使用更高的X射线能量，因此可以更可靠地检测带有k边缘的这些材料。 但是，此实验未能使用具有较高加速电压的X射线管。
选定的测量曲线如下图所示：
应用案例
光谱X射线成像的一个案例是电子设备中材料的区分。 使用机器人扫描仪上的Widepix MPX3 CdTe探测器扫描了笔记本电脑。 产生的扫描图像具有7852x9880像素，即7760万像素。
黑白和“彩色” X射线图像均显示如下：
高Z CdTe感光层与Medipix3芯片的功能相结合，可提供高分辨率（55 µm像素），灵敏度（在60 keV时为100％，在140 keV时为30％）和能量测量（即X射线光谱成像）等多种功能和特性。
通过在设备中实现的电荷求和功能，可以在此像素大小下使用CdTe进行光谱成像。它克服了CdTe感光材料的局限性，该局限性一直以来都是电荷共享，即像素之间的串扰。
光谱信息可用于根据其元素组成来区分材料，从而将常规的X射线成像的信息含量带入新的水平。
例如，该技术可用于电子，生物和医学样品的X射线检查，材料科学，艺术成像[5]，复合材料成像等。近年来，光子计数X射线成像技术已经从科学家的“玩具”发展到了适用于各种工业X射线成像应用的强大工具。Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微包装、电子产品设计和X射线成像解决方案。
Advacam最核心的技术特点是其X射线探测器（应用Timepix芯片）没有缝隙(No Gap)，因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系，其产品及方案也应用于航空航天领域。
References
[2] Widepix 1x5 MPX3 CdTe, https://advacam.com/widepix