直接转换8μm混合像素CMOS X射线探测器在材料科学中的新应用
加拿大 KA imaging DXC 会议海报：直接转换 8μm 混合像素 CMOS X 射线探测器在材料科学中的新应用
背景介绍：
01
在 20keV 以上，X 射线成像探测很难兼得高分辨率和高探测效率。X 射线探测器的性能限制了实验的范围，阻碍了通过衍射和层析成像技术来理解材料中复杂纳米级结构的进展。
混合像素1,2,3/光子计数X射线直接探测器 | 闪烁体4 X射线间接探测器 | |
优势 | 使用高原子系数传感器材料来获得足够的硬X射线探测器效率 | 使用小像素CMOS和放大光学元件分辨精细特征 |
劣势 | 相对大的像素尺寸（≥ 50 µm） | 对于大于20keV的能量不是最优的 |
局限 | 像素大小有限，因为需要将读出电路的每个像素与光电传感器通过焊锡凸块与倒装焊工艺连接 | 闪烁体必须很薄，以落在物镜的景深内，以获得最佳的空间分辨率 |
当在适于访问原位环境和深埋体积5的高穿透 x 射线能量（即＞50keV）下实施时，布拉格相干衍射成像(BCDI)，可以深入了解晶体材料的结构和动力学积。
然而，在高能量下的压缩倒易空间给现有提供足够的空间采样的探测器带来了挑战。
暗场 x 射线显微镜(DFXM)提供了对嵌入式晶粒结构的无损非破坏性观察。放置在衍射光束中的 x 射线光学器件提供了衍射颗粒的倒易空间敏感的空间映射7。然而，由于许多 x 射线光学器件的效率相对较低，故带来了挑战。当使用二维系统(如薄膜几何形状)时，这种情况更加复杂，从而大大降低了衍射强度。
由于仪器存在机械不稳定性，较长的曝光时间导致较低的分辨率，降低了这项技术的优势7。
BCDI 和 DFXM 是将极大地受益于具有微米级分辨率的高效，直接转换探测器的技术案例。
加拿大 KA imaging Inc. 生产了一种新的 1600 万像素 X 射线成像探测器，像素尺寸为 8 μ m，对 20 keV 以上的硬 X 射线能量具有很高的探测效率。在 Advanced Photon Source 上使用光束线 1-BM-B，使用高达 63 keV 的硬 x 射线能量对 100 万像素原型机进行了表征。用微聚焦源对 60 kV 下的探测量子效率(DQE)进行了表征。
探测器技术：
02
将 3T APS 像素设计的定制 CMOS 芯片与非晶硒（a-Se）光电导体混合（图1）
在 CMOS 上SS直接沉积了 100µm 厚的非晶硒（a-Se）层。
在对顶部电极施加偏置电压的情况下 a-Se 变得光敏区域，产生 5-10 V/µm 的电场。
a-Se/CMOS 混合探测器技术实现了对于高达 100KeV硬 X 射线能量的高探测量子效率，同时具有最小电荷扩散的像素尺寸。
图1. 定制 CMOS 读出集成电路的三晶体管（3T）像素设计。
探测器参数：
03
项目 | 参数 |
传感器 | 非晶硒 (a-Se) |
传感器厚度 | 100 µm (标称) |
量子效率 (标称) | 90% at 20 keV |
29% at 40 keV | |
11% at 60 keV | |
3% at 100 keV | |
读出芯片 | CMOS |
像素尺寸 | 8 µm x 8 µm |
像素规格 | 4096 × 4096 = 16,777,216 pixels (16- megapixel) |
缺陷像素 | <1% |
感光面积 | 32.8 mm × 32.8 mm |
探测能量范围 | 13 – 100 keV (not tested at <13 keV) |
帧率 | 0.25 – 2 Hz |
动态范围 | 180e –701250e (71.8 dB) (标称l) |
模数转换深度 | 14-bit |
尺寸 (W x H x D) | 269 mm x 245 mm x 117 mm |
重量 | 7.0 kg |
线性度
线性度（图2）作为积分时间的函数进行测量，最高可达满井容量的 34%。在 21keV 时每像素的通量为 2204 个光子/s/像素，在 63keV 时为 6865 个光子s/s/像素。
图2 . 作为积分时间函数的线性度。对于 21keV（圆形）和 63keV（正方形），线性拟合（虚线）的R2值分别为 0.99774和0.99790
空间分辨能力
JIMA线对卡（1µm金图案）的吸收能力足够在 21keV 产生高对比度条形图案图像（图3）。
以21keV获取的JIMA RT RC-05线对图案图像（左）。对比间隔为40µm、30µm、15µm和8µm的三个线对的截面衬度（右）。其中横坐标是像素，纵坐标是强度
响应度是作为 a-Se 转换增益的函数来测量的，该增益取决于所施加的电场13（图4）。在 21keV 时每像素的通量为 2381 光子/s/像素，在 63keV 时为 3851 光子/s/像素。当与非晶硒在 63keV 和 5.5V/μm 下 683EHP/光子的响应度耦合时，探测器的读出噪声为 180 电子 RMS，可以实现 4 的信噪比，这使得能够在高能下进行单光子探测。
图4. 对于21keV（圆形）和63keV（正方形），100μm a-Se作为电场函数的响应性。还显示了一个经验模型（线条）
空间分辨率
使用倾斜边缘技术测量 63keV 下的 MTF（图5）。每像素的通量为 6865 个光子/s/像素。在奈奎斯特频率 64lp/mm 下的 10% MTF 与模拟数据相差不到几个百分点。
图5. 在为63 keV下测量了MTF（蓝色）。同时展示了像素本身的模型预测（虚线）以及来自像素和a-Se的组合贡献的模型预测（黑色）
探测器量子效率
使用 Amptek CdTe-123 光谱仪测量 60kV 钨靶 x 射线光谱。观察到 X 光的堆积，因此绝对光子计数不可靠，然而，堆积抑制使光谱失真最小化。作为替代方案，使用半经验钨靶光谱模型确定每单位暴露的总通量为 1.28×108mm-2 R-1。根据测量的半值层对模型进行了调整。比较如图6所示。
图6. 校准的半经验 X 射线能谱模型和 2mm Al 过滤的 60kV 光束质量的光子计数器数据（平均能量为34.3keV）
图7. 使用倾斜边缘技术的实验预采样 MTF 与单独建模的像素进行了比较，并包括来自 a-Se 的所有贡献
使用斜边技术测量了预采样MTF(图7)，相应的 LSF 的FWHM 为 8.7 μm。使用 MTF 和 NPS(未显示)结果，以及 hvl 校准的光谱模型和暴露测量，计算了 DQE(图8)。发现Nyquist 的 DQE 略低于 10%
图8. 实验 DQE(点)和预测 DQE(黑线)
结论：
04
63keV 下测量的响应度已经证明单光子 SNR 为 4。
在 60 kV 下测量的 DQE 显示出高的探测效率。
使用 63keV 光子测量的高空间频率下的 MTF 证明了一种探测器技术的成功发展，该技术可以推进材料科学应用的研究，如相位对比层析成像和在能量 >50keV时使用 BCDI 对大块晶体材料中的纳米级晶格畸变进行高空间分辨率成像。
该技术还将促进 20 keV 或以上 x 射线能量的新型同步加速器成像应用，例如 DFXM。
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KA Imaging 源自滑铁卢大学，成立于 2015 年。作为一家专门开发 X 射线成像技术和系统的公司，KA Imaging 以创新为导向，致力于利用其先进的 X 射线技术为医疗、兽医学和无损检测工业市场提供最佳解决方案。公司拥有独家开发并自有专利的高空间高分辨率非晶硒（a-Se）X 射线探测器 BrillianSeTM，并基于此推出了商业化 X 射线桌面相衬微米 CT inCiTe™。
北京众星联恒科技有限公司作为 KA Imaging 在中国地区的独家代理，全面负责 BrillianSe™ 及 inCiTe™ 在中国市场的产品售前咨询，销售以及售后业务。KA Imaging 将对众星联恒提供全面、深度的技术培训和支持，以便更好地服务于中国客户。众星联恒及我们来自全球高科技领域的合作伙伴们将继续为中国广大科研用户及工业用户带来更多创新技术及前沿资讯！
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