Performance and limitations of high granularity single photon processing X-ray imaging detectors

Progress in CMOS technology and in fine pitch bump bonding has made possible the development of single photon counting detectors for X-ray imaging with pixel pitches on the order of 50 pm giving a spatial resolution which is comparable to conventional CCD and flat panel detectors.This thesis studies the interaction of X-ray photons in the energy range of 5 keY to 70 keY with various sensor materials as well as the response of the Medipix2 readout system to both monochromatic and wide spectrum X-ray sources .Single photon processing offers the potential for spectroscopic imaging.However, this thesis demonstrates using simulations and measurements that the charge deposition and collection within the semiconductor sensor impose fundamental limits on the achievable energy resolution.In particular the diffusion of charge during collection in the sensor and the generation of fluorescence photons in heavier sensor materials contribute to the appearance of a low energy tail on the detected spectrum of an incoming beam.On the other hand, with the application of appropriate flat-field correction maps, the system operates to the Poisson limit.As the electronic noise in a pixel channel is around 100 e-rms and typical energy thresholds are over 1000 e-excellent quality images of low contrast objects have been produced using both intense and weak X-ray sources.The Modulation Transfer Function has been measured to be 9.1Ip/mm corresponding to the pixel aperture function.The Detective Quantum Efficiency is only limited by the sensor material used and does not change as a function of dose, highlighting the enormous potential for low dose imaging with such a system.The Medipix2 system has an upper threshold in each pixel too which allows an energy window of down to 1.4 keY FWHM to be selected and scanned in the range of 4 keY to 100 keY.First images using the energy threshold window demonstrate the potential of the technique to extract a spectral image when only a broad band source of X-rays is available.v • Kurzfassung Der rasante Fortschritt in der CMOS Technologie und in den Verbindungstechniken zwischen Halbleiterdetektor und elektronischem Auslesechip (Flip-Chip Technologie) erlauben die Entwicklung von photonenzählenden Detektorkonzepten für Anwendungen in der Röntgenbildgebung.Pixelabstände in der Größenordnung von 50 /-Lmsind machbar und stellen eine Ortsaufiösung zur Verfügung, die vergleichbar ist mit der von konventionellen CCDs und Flachbilddetektoren. Die Verarbeitung des Signals einzelner Photonen eröffnet die Möglichkeit, Detektoren für spektrale Bildgebung zu konstruieren.Im Rahmen dieser Dissertation wurde sowohl die Wechselwirkung von Röntgenphotonen im Energiebereich von 5-70 keV mit verschiedenen Detektormaterialen untersucht, als auch das Ansprechverhalten des Medipix2 Detektorsystems auf monoenergetische und spektrale Röntgenquellen studiert.Die Simulationen und Messungen zeigen, dass die erreichbare Ortsaufiösung und die Energieaufiösung durch die Ladungsdeposition und die Diffusion in Halbleitersensor begrenzt sind.Insbesondere die Diffusion während der Ladungsammlung im Sensor und die Emission charakteristischer Röntgenstrahlung in Sensormaterialien höherer Ordnungszahl führen zu einem niederenergetischen Hintergrund im detektierten Energiespektrum.Die daraus resultierenden Schwankungen in der Anzahl der registrierten Photonen können mit Hilfe geeigneter Flatfield-Korrekturen korrigiert werden.Das Bildrauschen folgt dann der Poisson Statistik.Das Rauschen einer Pixelelektronik des Medipix2 Chips ist rv 100 e-rms und die untere Energieschwelle für die Detektion typischerweise rv 1000 e-.Hervorragende Bildqualität wurde erzielt, sowohl bei Verwendung von Röntgenquellen hoher als auch niedriger Intensität.Die gemessene Modulations-Transfer-Funktion folgt derjenigen der Pixelapertur mit einer Ortsaufiösung von 9.1 lp/mm.Die Detektor-Quanteneffizienz ist limitiert durch die Absorptionseffizienz des Sensormaterials und ist unabhängig von der Bilddosis.Die Ergebnisse zeigen das große Potential, das photonenzählende Detektoren für die Röntgenbildgebung, speziell bei niedriger Dosis, bieten.Der Medipix2 Detektor verfügt über einen zweiten, oberen Schwellwert, der dazu genutzt werden kann, ein Energiefenster mit einer minimalen Breite von 1.4 keV FWHM zu definieren, das in einem Bereich von 4 bis 100 keV gesetzt werden kann.Erste Aufnahmen, die dieses Energiefenster verwenden, demonstrieren, dass mit Hilfe dieser Technik spektrale Information gewonnen werden kann, selbst wenn nur Röntgenquellen mit breitem Energiespektrum zur Verfügung stehen.

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