Tecnología de imágenes de rayos X de alta energía

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 con financiación del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido . ^{[ 3 ] [ 4 ]} El consorcio está liderado por la Universidad de Manchester ; otros miembros incluyen el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas , la Universidad de Surrey , la Universidad de Durham y la Universidad de Londres, Birkbeck . En 2010, el consorcio se amplió para incluir el Hospital Royal Surrey County y el University College London . La visión del consorcio era "desarrollar una capacidad 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 potente técnica experimental que proporciona información cualitativa sobre la composición elemental y las tensiones y deformaciones internas de una muestra. Los rayos X de alta energía tienen la capacidad de penetrar profundamente en los materiales, lo que permite examinar objetos densos como soldaduras en acero, secciones de núcleos geológicos con petróleo o gas, o la observación interna de reacciones químicas en maquinaria pesada. Diferentes técnicas experimentales, como la imagen por fluorescencia de rayos X y la imagen por difracción de rayos X, requieren detectores de rayos X sensibles a un amplio rango de energías. La tecnología de detectores semiconductores establecida , basada en silicio y germanio, ofrece una excelente resolución energética para energías de rayos X inferiores a 30 keV, pero por encima de este valor, debido a una reducción en el coeficiente de atenuación másica del material , la eficiencia de detección se reduce drásticamente. Para detectar rayos X de alta energía, se requieren detectores fabricados con 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 extensa 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 imagen, como SPECT , requieren detectores con un electrodo pixelado que permite 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 de aplicación específica de alta sensibilidad .

El circuito integrado de aplicación específica (ASIC) HEXITEC fue desarrollado para el consorcio por el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas . El prototipo inicial consistía en una matriz de 20 x 20 píxeles con un paso de 250 μm fabricada mediante 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 conformación CR-RC y un circuito de seguimiento y retención de pico. 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 Científicas y Tecnológicas para el consorcio. El ASIC se utiliza para investigar la inducción de carga y el efecto de píxeles pequeños en detectores semiconductores, tal como lo describe el teorema de Shockley-Ramo . ^{[ 6 ]} El ASIC consta de tres matrices separadas de 3 x 3 píxeles con un paso de 250 μm y una matriz única 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 inducidos en cada píxel.

El ASIC HEXITEC original se entregó a principios de la década de 2010 y funcionaba a una velocidad máxima de fotogramas de 10  kHz. A esta velocidad, el sistema detector podía proporcionar espectroscopia de rayos X por píxel con una resolución energética de <1 keV, pero estaba limitado a flujos de 10⁴ ^fotones s⁻¹ ^mm⁻² . ^Con el desarrollo de sincrotrones de anillo de almacenamiento limitados por difracción , la intensidad de los rayos X producidos en experimentos típicos aumentó en más de 100 veces. Para seguir proporcionando capacidad de imagen espectroscópica de rayos X en estas instalaciones, fue necesario desarrollar una nueva generación del ASIC HEXITEC. El desarrollo del ASIC HEXITEC-MHz comenzó en 2018 con el objetivo de aumentar la velocidad de fotogramas del sistema de cámara a 1 ^MHz  para permitir la obtención de imágenes espectroscópicas con flujos de fotones superiores a 10⁶ ^fotones s⁻¹ ^mm⁻² manteniendo el mismo rendimiento espectroscópico. Los primeros ASIC se entregaron en 2022 y actualmente se están probando en el Laboratorio Rutherford Appleton del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas y en la Fuente de Luz Diamond . ^{[ 7 ]}

Los ASIC de HEXITEC se ensamblan mediante la técnica flip-chip a un detector semiconductor  de conversión directa, utilizando una resina epoxi de plata de curado a baja temperatura (~100 °C) y una técnica de pernos de oro en una configuración 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) , con un espesor de entre 1 y 3  mm. Los detectores constan de un cátodo plano y un ánodo pixelado, y funcionan bajo una tensión de polarización negativa. 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 los píxeles del cátodo hacia los 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, lo que genera 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 las que se incluyen: ciencia de los materiales , ^{[ 9 ]} imágenes médicas , ^{[ 10 ] [ 11 ]} detección de materiales ilícitos , ^{[ 12 ]} y astronomía de rayos X. ^{[ 13 ]}