高エネルギーX線画像技術

高エネルギーX線イメージング技術（HEXITEC ）は、高エネルギーX線およびガンマ線分光法のアプリケーション向けに開発された分光、単一光子計数、ピクセル検出器のファミリーです。 ^{[1] [2]}

HEXITECコンソーシアムは、英国工学物理科学研究会議の資金提供を受けて2006年に設立されました。^{[3] [4]このコンソーシアムは}マンチェスター大学が主導し、他のメンバーには科学技術施設評議会、サリー大学、ダラム大学、ロンドン大学バークベック校などがあります。2010年にコンソーシアムは拡大し、ロイヤルサリーカウンティ病院とユニバーシティカレッジロンドンが加わりました。コンソーシアムのビジョンは、「英国を拠点とした高エネルギーX線画像技術の能力を開発する」ことでした。現在、 Quantum Detectorsを通じて商業的に利用可能です。

X 線分光法は、試料内の元素組成や内部応力および歪みに関する定性情報を提供する強力な実験技術です。高エネルギー X 線は材料の奥深くまで浸透する能力があり、鋼の溶接部、石油やガスを含む地質学的コアセクションなどの高密度物体の検査や、重機や機械内部の化学反応の内部観察が可能です。X線蛍光イメージングやX 線回折イメージングなどのさまざまな実験技術では、広範囲のエネルギーに対して感度を持つ X 線検出器が必要です。シリコンとゲルマニウムをベースとする確立された半導体検出器技術は、30 keV 未満の X 線エネルギーでは優れたエネルギー分解能を発揮しますが、これを超えると、材料の質量減衰係数が低下するため、検出効率が大幅に低下します。高エネルギー X 線を検出するには、より高密度の材料から製造された検出器が必要です。

高密度の化合物半導体であるテルル化カドミウム (CdTe)、テルル化亜鉛カドミウム (CdZnTe)、ガリウムヒ素 (GaAs)、ヨウ化水銀、臭化タリウムなどは、高エネルギー X 線検出に使用するために広範囲に研究されてきました。 CdTe と CdZnTe は電荷輸送特性に優れ、電気抵抗率が高いため、より高い X 線エネルギーでの分光法を必要とする用途に最適です。SPECTなどのイメージング用途では、物体を 2D および 3D でイメージングできるピクセル化された電極を備えた検出器が必要です。 検出器の各ピクセルには独自の読み出し電子機器のチェーンが必要であり、ピクセル化された検出器を高度に組み合わせるには、高感度の特定用途向け集積回路を使用する必要があります。

HEXITEC特定用途向け集積回路(ASIC) は、科学技術施設協議会 ラザフォード・アップルトン研究所によってコンソーシアム向けに開発されました。最初のプロトタイプは、0.35μm CMOSプロセスを使用して製造された 250μm ピッチの 20 x 20 ピクセルのアレイで構成されていました。^[5] ASIC の第 2 世代では、アレイのサイズが 80 x 80 ピクセル (4 cm ² ) に拡張されました。各 ASIC ピクセルには、チャージ アンプ、CR-RC 整形アンプ、ピーク トラック アンド ホールド回路が含まれています。ASIC は、検出された各 X 線イベントの位置と蓄積された総電荷を記録します。

PIXIE ASIC は、科学技術施設評議会 ラザフォード・アップルトン研究所がコンソーシアムのために開発した研究開発用 ASIC です。この ASIC は、ショックレー・ラモ定理^[6]で説明されているように、半導体検出器における電荷誘導と小ピクセル効果を調査するために使用されています。この ASIC は、250μm ピッチの 3 x 3 ピクセルの 3 つの独立したアレイと、500μm ピッチの 3 x 3 ピクセルの単一のアレイで構成されています。各ピクセルには電荷増幅器と出力バッファが含まれており、各ピクセルの誘導電荷パルスを記録できます。

オリジナルの HEXITEC ASIC は 2010 年代初頭に提供され、最大フレーム レート 10 kHz で動作していました。この速度では、検出器システムは 1 keV 未満のエネルギー分解能でピクセルあたりの X 線分光を提供できましたが、10 ⁴光子 s ^-1 mm ^-2のフラックスに制限されていました。回折限界ストレージ リングシンクロトロンの開発により、一般的な実験で生成される X 線の強度は 100 倍以上増加しました。これらの施設で分光 X 線イメージング機能を引き続き提供するには、新世代の HEXITEC ASIC を開発する必要がありました。HEXITEC-MHz ASIC の開発は、カメラ システムのフレーム レートを 1 MHz に上げ、同じ分光性能を維持しながら 10 ⁶光子 s ^-1 mm ^-2を超える光子フラックスでの分光イメージングを可能にすることを目的として、2018 年に開始されました。最初のASICは2022年に納品され、現在は科学技術施設評議会 ラザフォードアップルトン研究所とダイヤモンド光源でテストが行​​われています。^[7]

HEXITEC ASIC は、ハイブリッド検出器配置において低温 (~100 °C) 硬化銀エポキシと金スタッド技術を使用して直接変換半導体検出器にフリップチップ接合されています。X 線検出器層は半導体で、通常は 1 ～ 3 mm の厚さのテルル化カドミウム (CdTe)またはテルル化カドミウム亜鉛 (CdZnTe)です。検出器は平面カソードとピクセル化されたアノードで構成され、負のバイアス電圧で動作します。検出器層内で相互作用する X 線とガンマ線は、カソードからアノード ピクセルに漂う電子正孔対の電荷雲を形成します。検出器を横切って漂う電荷は、ショックレー-ラモ定理で説明されるように、ASIC ピクセルに電荷を誘導し、検出信号を形成します。検出器は、 3 ～ 200 keV のエネルギー範囲で 1 keV 程度の光ピークFWHMを測定できます。 ^[8]

HEXITEC検出器は、材料科学、^[9]、 医療用画像、^{[10]、[11]、} 違法物質検出、^[12] 、X線天文学^[13]など、さまざまな応用分野で使用されてい ます。