Investigation of photon counting pixel detectors for X-ray spectroscopy and imaging

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-05-12
Issue Year
2011
Authors
Takoukam Talla, Patrick
Editor
Abstract

The Medipix2 and Medipix3 detectors are hybrid pixelated photon counting detectors with a pixel pitch of 55 µm. The sensor material used in this thesis was silicon. Because of their small pixel size they suffer from charge sharing i.e. an incoming photon can be registered by more than one pixel. In order to correct for charge sharing due to lateral diffusion of charge carriers, the Medipix3 detector was developed: with its Charge Summing Mode, the charge collected in a cluster of 2x2 pixel is added up and attributed to only one pixel whose counter is incremented. The adjustable threshold of the detectors allows to count the photons and to gain information on their energy. The main purposes of the thesis are to investigate spectral and imaging properties of pixelated photon counting detectors from the Medipix family such as Medipix2 and Medipix3. The investigations are based on simulations and measurements. In order to investigate the spectral properties of the detectors measurements were performed using fluorescence lines of materials such as molybdenum, silver but also some radioactive sources such as Am-241 or Cd-109. From the measured data, parameters like the threshold dispersion and the gain variation from pixel-to-pixel were extracted and used as input in the Monte Carlo code ROSI to model the responses of the detector to monoenergetic photons. The measured data are well described by the simulations for Medipix2 and for Medipix3 operating in Charge Summing Mode. Due to charge sharing and due to the energy dependence of attenuation processes in silicon and to Compton scattering the incoming and the measured spectrum differ substantially from each other. Since the responses to monoenergetic photons are known, a deconvolution was performed to determine the true incoming spectrum. Several direct and iterative methods were successfully applied on measured and simulated data of an X-ray tube and radioactive sources. The knowlegde of the X-ray spectrum is important for quality assurance and constancy checks in hospitals. The second part of the thesis is about the imaging properties of the Medipix detectors. Images of samples (cash card, human bone) were taken with the Medipix3 chip in Single Pixel Mode (equivalent to the counting mode of the Medipix2 detector) and in Charge Summing Mode. The images in Single Pixel Mode were sharper than the ones taken in Charge Summing Mode. The latter show high granularity. This is due to high pixel-to-pixel variation in threshold in Charge Summing Mode. A redesign of the Medipix3 detector is proposed in order to correct for this problem. The determination of the spatial resolution confirms that Single Pixel Mode is better for imaging. Energy resolved material reconstruction was also performed with Medipix3 programmed in Single Pixel Mode and Charge Summing Mode. The combination method was applied to determine the concentration of elements in a compound object. The Downhill Simplex and Simulated Annealing methods were used to minimize the likelihood function delivered by the combination method. In a first step, the reconstruction method was tested using simulated data. The results of the reconstruction show that the reconstruction is better in Charge Summing Mode than in Single Pixel Mode. The method of material reconstruction was also applied with success to data taken with the Medipix3 detector programmed in Single Pixel Mode. In summary, the Medipix detectors were successfully used in spectroscopy and imaging. An improvement of Charge Summing Mode of Medipix3 is necessary in order to reach at least the same image quality as in Single Pixel Mode.

Abstract

Die Medipix2 und Medipix3 Detektoren sind hybride photonenzählende Halbleiterdetektoren mit 256x256 Pixel mit einer Pixelgröße von 55 µm x 55 µm. Für die Anfertigung dieser Arbeit wurden Medipix-Detektoren mit 300 µm dickem Sensor aus Silizium verwendet. Aufgrund der geringen Pixelgröße, leiden die Detektoren unter „Charge Sharing„ , das heißt ein einfallendes Photon kann von mehr als einem Pixel detektiert werden. Um den Einfluss des Charge Sharings (hervorgerufen durch laterale Diffusion von Ladungsträger) zu verringern, wurde der Medipix3 entwickelt: mit dem ladungsummierenden Modus (Charge Summing Mode) sollten Ladungsträgermengen, die in einem Cluster von 2x2 Pixel registriert wurden, wieder zusammengefasst und nur einem Pixel zugewiesen werden. Mit einstellbaren Diskriminatorschwellen, können diese Detektoren Photonen zählen und gleichzeitig Information über die Energie der Photonen liefern. Die Hauptziele dieser Dissertation sind die Untersuchungen von spektralen und bildgebenden Eigenschaften von pixelierten photonenzählenden Detektoren der Medipix Familie am Beispiel von Medipix2 und Medipix3. Diese Untersuchungen wurden mit Simulationen und Messungen durchgeführt. Um die spektralen Eigenschaften der Detektoren zu untersuchen, wurden Messungen von Röntgenfluoreszenzlinien von Silber und Molybdän durchgeführt. Spektren von radioaktiven Stoffen wie Am-241 oder Cd-109 wurden ebenfalls verwendet. Aus den gemessenen Daten wurden Parametern wie die Schwellendispersion oder die Variation in den Verstärkungsfaktoren der Pixel bestimmt, um damit in Monte Carlo Simulationen die Antwortspektren der Detektoren auf Einstrahlung monoenergetischer Photonen zu modellieren. Gute Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Antwortspektren wurde erzielt sowohl für den zählenden Modus des Medipix2 (entspricht dem Single Pixel Mode des Medipix3) als auch für den Charge Summing Modus des Medipix3. Aufgrund des Charge Sharings, der Energieabhängigkeit von Absorptionsprozessen in Silizium sowie der Verteilung von Elektronenenergien beim Compton-Effekt, unterscheidet sich das einfallende Spektrum vom gemessenen Spektrum. Mittels Entfaltungsalgorithmen kombiniert mit simulierten Antwortspektren kann das tatsächlich einfallende Spektrum rekonstruiert werden. Mehrere Entfaltungsmethoden wurden mit Erfolg auf simulierte und gemessene Spektren einer Röntgenröhre und auf gemessene Spektren radioaktiver Materialien angewendet. Das Wissen über das Spektrum einer Röntgenröhre ist wichtig für Qualitätssicherung und Konstanzprüfung von Röntgenanlagen, z.B. in Krankenhäusern. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den bildgebenden Eigenschaften der Medipix-Detektoren. Bilder von verschiedenen Proben (menschlicher Knochen, EC Karte) wurde mit dem Medipix3 im einfachen Zählmodus (Single Pixel Mode) und im Charge Summing Modus aufgenommen. Die Bilder in Single Pixel Mode zeigten eine höhere Ortsauflösung als die im ladungssummierenden Modus. Letztere zeigen eine hohe Granularität hervorgerufen durch die große Schwellendispersion in Charge Summing Modus. Ein Vergleich der Modulationtransferfunktionen (MTF) in beiden Modi bestätigt, dass der Single Pixel Mode wesentlich besser für die Bildgebung geeignet ist. Ein Redesign der Charge Summing Pixelelektronik ist vorgeschlagen, um die Bildqualität in diesem Modus zu erhöhen. Die Energiesensitivität der Detektoren wurde ausgenutzt, um Flächendichte von Materialien in einem zusammengesetzen Objekt zu bestimmen. Eine sogenannte kombinierte Methode wurde angewendet um die Flächenbeläge zu bestimmen. Downhill Simplex und Simulated Annealing Methoden wurden benuzt um die verwendete Likelihood-Funktion zu minimieren. Die Methode der Materialrekonstruktion wurde zunächst an simulierten Daten, gewonnen mit dem Medipix2 Detektor und mit dem Medipix3 im Charge Summing Modus, untersucht. Die Rekonstruktion zeigte im Charge Summing Modus bessere Ergebnisse. Die Methode wurde auch erfolgreich an mit Medipix3 im Single Pixel Mode gewonnenen Daten angewendet. Die Medipix-Detektoren konnten mit Erfolg in der Röntgen-Spektroskopie und Bildgebung eingesetzt werden. Ein Redesign der Pixelelektronik des ladungssummierenden Modus ist notwendig um mindestens eine vergleichbar gute Bildqualität wie im Single Pixel Modus zu erzielen.

DOI
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