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實驗室X射線相襯成像技術—核心調制和探測器件技術分析(下)

2022-11-29 10:11:19

上篇我們談到了使用毛細管調制來提高光源利用率以及采用單光柵/掩模法來降低系統(tǒng)復雜度的兩種思路,下面我們來談談關于光柵/微結構技術指標權衡、高能大視場器件選擇的其他思路。

 2.1 

大視場光柵/微結構—成本vs指標

接下來,回到光柵法相襯的光柵問題。我們都知道探測器前的分析光柵的透過率對可見度的影響是非常大的。如果光柵對 X 射線的截止能力不足,那么會極大的增加探測器的噪聲,從而淹沒相襯的信號。
以邊緣照明光路為例,在以下實驗中,作者分析了不同的透過率對邊緣增強效果的影響。可以看到:10%左右的透過率才能保證對相襯的探測效果:
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不同厚度金箔的X射線能量透過率 

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透過率對邊緣增強效果的影響

但是目前,對于2-3μm 的小周期光柵,受到工藝的制約,其深寬比很難做的很高(典型的技術指標如下所示):

周期:3±0.1μm;占空比:0.5±0.05;光柵面積:50mm x 50mm;光柵厚度:25-29μm

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這使得幾十keV水平的應用很難開展。而且,對于 2μm 以下的周期,必須用到電子束光刻來制作掩模版,這也大大增加了成本。但如果能將周期妥協(xié)到 10μm 以上,那么獲得 25 倍以上的深寬比還是可以實現(xiàn)的。
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以上是我們?yōu)榭蛻舳ㄖ频囊惶坠鈻牛?span style="font-size: 12px;color: rgb(54, 120, 223);box-sizing: border-box;">通過拼接和多次曝光,G2 光柵的尺寸可以達到 400mm*80mm,可以滿足大視場成像的需求。同時 G2 的厚度在 250μm 以上,完全滿足有效射束能量在 40keV,即約 70KV 管電壓的應用場景。

 2.2 

二維光柵/微結構—成本vs指標

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不同厚度金箔的 X 射線能量透過率 

結合實際應用場景,選擇合適的技術路線和技術參數(shù),將微結構尺度控制在15-30μm 范圍,深寬比甚至可以達到30;那么無論是從技術實行難度還是成本方面,都是非常有意義的。這些能力也完全能夠支撐邊緣照明技術路線的微結構制作??梢钥吹?,400μm 的厚度,完全可以支撐 60-80keV 的高能應用。

高縱橫比針孔

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目前我司有備有大量針孔現(xiàn)貨與試用樣品,歡迎感興趣的老師聯(lián)系我們。

 3.1 

高能大視場相襯的技術路線和器件簡析

光柵法相襯成像

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基于光柵法的相襯成像,目前的另一個痛點是適用于100keV 水平的高能高縱橫比光柵難以獲得。
一種思路是將光柵翻轉 90 度,使柵線和光軸同軸,通過柵線的長度來吸收高能 X 射線:
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但這種方式犧牲了一維方向上的視場。既然光柵這條路不好走,那么我們可能需要轉換思路。

對于光源來說,100KV 以上的微焦點光源是可以獲得的,但是其光通量必然較低。在高投影放大倍數(shù)的情況下,落到每一個像素的光子數(shù)極其有限。顯然,如果要用同軸法來實現(xiàn)高能的寬視場相襯成像,對探測器的要求有:小像素、低串擾以保證高空間分辨、高能高靈敏響應以保證實驗效率、視場大小則制約樣品尺寸。

而目前,加拿大滑鐵盧大學研發(fā)了一款 8μm 像素的直接探測型 a-Se CMOS 探測器,并由加拿大 KA Imaging 公司成功商業(yè)化,非常適用于高能相襯場景:
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8μm 像素的直接探測型4K芯片

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 a-Se CMOS 探測器 BrillianSe?

BrillianSe?探測器介紹:跨向理想X射線探測器的一小步-高分辨、非晶硒X射線探測器及其應用

APS 線站上進行分辨率測試的裝置照片及測試結果:

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APS Beamline 1-BM;21keV, 250ms, 100幀平均;JIMA RT RC-05分辨率測試卡

可以看到:無論是 8μm 的高分辨線對卡,還是 15-30μm 的低分辨卡,強度調制都非常明顯。說明 BrillianSe? 的空間分辨能力非常優(yōu)秀。

接下來通過刀邊成像,提取線分布函數(shù):

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146pixels x 274-pixels ROI

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可以看到:其半高全寬為 9.7μm,僅為像素尺寸的1.1倍。而同樣是 9μm 像素的間接探測 CCD 相機參數(shù):其點擴散(FWHM = 27μm),一般是像素尺寸的 3 倍。所以,這個數(shù)據(jù)再次說明,直接探測型 a-Se CMOS 探測器的空間分辨能力是非常優(yōu)越的。

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同時,這款探測器是直接探測,具有天然的靈敏度優(yōu)勢,其采用100μm 厚的 a-Se 傳感器,高能響應可以覆蓋100keV。所以,該款探測器為高能寬視場同軸相襯成像的實現(xiàn)提供了可能。

a-Se CMOS 探測器 BrillianSe? 測試結果:

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陶瓷封裝的內(nèi)部 IC 直徑為 24μm 的金屬線

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直徑為 8μm 的軟排線


References

6. Pil-Ali, Abdollah, et al. "Direct Conversion X-ray Detector with Micron-Scale Pixel Pitch for Edge-Illumination and Propagation-Based X-ray Phase-Contrast Imaging." Sensors 22.15 (2022): 5890.

7.Li, Xinbin, et al. "A preclinical large-field-of-view x-ray multi-contrast lung imaging prototype." Medical Imaging 2020: Physics of Medical Imaging. Vol. 11312. SPIE, 2020.

8. Thüring, Thomas, et al. "X-ray phase-contrast imaging at 100 keV on a conventional source." Scientific reports 4.1 (2014): 1-4.

9. Scott, Christopher C., et al. "High-energy micrometre-scale pixel direct conversion X-ray detector." Journal of Synchrotron Radiation 28.4 (2021): 1081-1089.


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