The main scope of the XSpectra®  multienergy radiography, a new X-ray inspection technology developed by Xnext®, is the unique identification of the materials composing an object and, hence, the correct value of its atomic effective number Zeff. To use correctly the identification method a calibrated system is needed and so it is necessary to know the detector behavior in order to eliminate undesired distortions of the spectrum due to the single photon detection in CdTe. Starting from previous studied from the literature, we have obtained our own detector response matrices due to the charge sharing, weighting potential and escape peak flux-independent phenomena. In principle the inversion of the total response matrix should lead to the correct spectrum, ie the spectrum that would be measured with an ideal detector. The largest distortion comes from the so-called escape peak, due to the loss of collected charge by the emission of fluorescence photons from the CdTe crystal before the full photon-charge conversion process is complete. We realized some measurements with sub-mm size monochromatic beam at ESRF in June 2018: here it was possible to test the XSpectra® detector under different conditions of photons energy and flux. We have observed the increment of the “hole tailing” effect as the incident energy increases because of a higher number of charge trapping events. This phenomenon causes a very important distortion at high energy, to be added to the effect of escape peaks. The same data provided an experimental estimate of the R value, the ratio between the escape peak intensity and the main peak one. Using spectra at 40 keV, 60 keV and 100 keV we found that the R parameter follows a trend with photon energy opposite to what is published in literature. Eventually we could fit peak with an asymmetric function whose shape depends on the energy. These results are providing the basis to construct a more realistic response function than what has been proposed up to now, and will allow Xnext® to apply advanced algorithms for the recognition of low density materials in X-ray images for industrial applications.

Lo scopo principale della radiografia a più energie di XSpectra®, una nuova tecnologia di ispezione a raggi X sviluppata da Xnext®, è l'identificazione univoca dei materiali che compongono un oggetto e, quindi, il valore corretto del suo numero atomico efficace Zeff. Per utilizzare correttamente il metodo di identificazione c’è bisogno di un sistema calibrato e quindi è necessario conoscere il comportamento del detector al fine di eliminare distorsioni fisiche indesiderate dello spettro dovute alla rivelazione di singoli fotoni -single photon detection- nel CdTe. Partendo da precedenti studi in letteratura, abbiamo ottenuto le matrici di risposta del nostro rivelatore causato dai fenomeni indipendenti dal flusso di charge sharing, weighting potential e picchi di fuga. In linea di principio l’inversione della matrice di risposta totale dovrebbe condurre allo spettro corretto, cioè allo spettro che verrebbe misurato con un rilevatore ideale. La distorsione più grande deriva dai cosiddetti picchi di fuga, dovuti alla perdita della carica raccolta dall’emissione dei fotoni di fluorescenza dal cristallo di CdTe prima che il processo di conversione fotone-carica sia completo. Abbiamo realizzato alcune misure con un fascio monocromatico di dimensioni inferiori al mm all’ESRF nel giugno 2018: qui è stato possibile testare il detector XSpectra® in diverse condizioni di energia dei fotoni e flusso. Abbiamo osservato un incremento dell’effetto di "hole tailing" quando l'energia incidente aumenta a causa di un numero maggiore di eventi di intrappolamento della carica. Questo fenomeno causa una distorsione molto importante ad alta energia, da aggiungere all’effetto dei picchi di fuga. Gli stessi dati hanno fornito una stima del valore sperimentale di R, il rapporto tra l'intensità del picco di fuga e quella del picco principale. Usando gli spettri presi a 40 keV, 60 keV e 100 keV abbiamo trovato che il parametro R segue un andamento in funzione dell’energia dei fotoni opposto a quello pubblicato in letteratura. Potremmo infine fittare i picchi con una funzione asimmetrica la cui forma dipende dall’energia. Questi risultati forniscono le basi per costruire una funzione di risposta più realistica di quanto è stato proposto finora e consentiranno a Xnext® di applicare algoritmi avanzati per il riconoscimento di materiali a bassa densità nelle immagini a raggi X per applicazioni industriali.

Characterization of the response of a CdTe x-ray pixel detector using monochromatic synchrotron radiation

ARCAINI, BENEDETTA
2017/2018

Abstract

The main scope of the XSpectra®  multienergy radiography, a new X-ray inspection technology developed by Xnext®, is the unique identification of the materials composing an object and, hence, the correct value of its atomic effective number Zeff. To use correctly the identification method a calibrated system is needed and so it is necessary to know the detector behavior in order to eliminate undesired distortions of the spectrum due to the single photon detection in CdTe. Starting from previous studied from the literature, we have obtained our own detector response matrices due to the charge sharing, weighting potential and escape peak flux-independent phenomena. In principle the inversion of the total response matrix should lead to the correct spectrum, ie the spectrum that would be measured with an ideal detector. The largest distortion comes from the so-called escape peak, due to the loss of collected charge by the emission of fluorescence photons from the CdTe crystal before the full photon-charge conversion process is complete. We realized some measurements with sub-mm size monochromatic beam at ESRF in June 2018: here it was possible to test the XSpectra® detector under different conditions of photons energy and flux. We have observed the increment of the “hole tailing” effect as the incident energy increases because of a higher number of charge trapping events. This phenomenon causes a very important distortion at high energy, to be added to the effect of escape peaks. The same data provided an experimental estimate of the R value, the ratio between the escape peak intensity and the main peak one. Using spectra at 40 keV, 60 keV and 100 keV we found that the R parameter follows a trend with photon energy opposite to what is published in literature. Eventually we could fit peak with an asymmetric function whose shape depends on the energy. These results are providing the basis to construct a more realistic response function than what has been proposed up to now, and will allow Xnext® to apply advanced algorithms for the recognition of low density materials in X-ray images for industrial applications.
MACERA, DANIELE
ZANOTTI, LUCA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2018
2017/2018
Lo scopo principale della radiografia a più energie di XSpectra®, una nuova tecnologia di ispezione a raggi X sviluppata da Xnext®, è l'identificazione univoca dei materiali che compongono un oggetto e, quindi, il valore corretto del suo numero atomico efficace Zeff. Per utilizzare correttamente il metodo di identificazione c’è bisogno di un sistema calibrato e quindi è necessario conoscere il comportamento del detector al fine di eliminare distorsioni fisiche indesiderate dello spettro dovute alla rivelazione di singoli fotoni -single photon detection- nel CdTe. Partendo da precedenti studi in letteratura, abbiamo ottenuto le matrici di risposta del nostro rivelatore causato dai fenomeni indipendenti dal flusso di charge sharing, weighting potential e picchi di fuga. In linea di principio l’inversione della matrice di risposta totale dovrebbe condurre allo spettro corretto, cioè allo spettro che verrebbe misurato con un rilevatore ideale. La distorsione più grande deriva dai cosiddetti picchi di fuga, dovuti alla perdita della carica raccolta dall’emissione dei fotoni di fluorescenza dal cristallo di CdTe prima che il processo di conversione fotone-carica sia completo. Abbiamo realizzato alcune misure con un fascio monocromatico di dimensioni inferiori al mm all’ESRF nel giugno 2018: qui è stato possibile testare il detector XSpectra® in diverse condizioni di energia dei fotoni e flusso. Abbiamo osservato un incremento dell’effetto di "hole tailing" quando l'energia incidente aumenta a causa di un numero maggiore di eventi di intrappolamento della carica. Questo fenomeno causa una distorsione molto importante ad alta energia, da aggiungere all’effetto dei picchi di fuga. Gli stessi dati hanno fornito una stima del valore sperimentale di R, il rapporto tra l'intensità del picco di fuga e quella del picco principale. Usando gli spettri presi a 40 keV, 60 keV e 100 keV abbiamo trovato che il parametro R segue un andamento in funzione dell’energia dei fotoni opposto a quello pubblicato in letteratura. Potremmo infine fittare i picchi con una funzione asimmetrica la cui forma dipende dall’energia. Questi risultati forniscono le basi per costruire una funzione di risposta più realistica di quanto è stato proposto finora e consentiranno a Xnext® di applicare algoritmi avanzati per il riconoscimento di materiali a bassa densità nelle immagini a raggi X per applicazioni industriali.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/144188