CdTe and CdZnTe detectors and CMOS readout electronics for high energy resolution X-ray imagers with high photon flux capabilities

X-ray image sensors with photon counting and energy resolving capabilities have a great impact in a wide range of fields both in scientific research and industrial contexts. Among them, an emerging X-ray imaging application is non-destructive real-time controls in the food, pharma and recycling industry; requiring the study and development of dedicated high energy resolution and high photon count rate sensors, based on CdTe and CdZnTe detectors with dedicated CMOS front-end electronics. An extensive experimental activity was conducted, coupling CdTe and CdZnTe pixel detectors to research-grade ultra-low noise Charge Sensitive Amplifiers (CSA), to demonstrate state-of-the-art energy resolution at room temperature. A width less than 600 eV FWHM was achieved for the 241Am 59.5 keV line at the optimum peaking time of 1 μs, while also retaining a line width less than 1 keV at a 50 ns peaking time, unlocking spectroscopy-grade energy resolution for this class of detectors also in high input count rate scenarios, higher than 1 Mcounts per second on each pixel. However, the system energy resolution performance has been found to be also limited by non-idealities in the detector response, such as the poorer transport properties and the higher fluorescence yield of high atomic number materials. This aspect stimulated the development of a custom simulation toolkit that could reliably predict the detector response simulating both photon energy deposition within the detector volume and signal induction at its electrodes, proposing novel approaches for the simulation of charge cloud broadening under carrier diffusion and electrostatic repulsion effects. Non-stationary gain effects present in pulsed-reset CSA operated in wide dynamic range scenarios were also studied, developing an analytical model that could quantitatively describe the non-stationary gain induced distortion in charge read-out. Part of the work was also devoted to a technology transfer collaboration with a leading company in real-time defects and contaminants detection, primarily tailored to the food industry, for the development of CMOS Application Specific Integrated Circuits (ASIC) that were ultimately embedded at the core of their inspection technology.

I sensori di immagini a raggi X con capacità di conteggio dei fotoni e risoluzione energetica hanno un grande impatto in vari campi sia nella ricerca scientifica che nei contesti industriali. Tra questi, un'applicazione emergente dell'imaging a raggi X è il controllo non distruttivo in tempo reale nell’industria alimentare, farmaceutica e del riciclo; ciò richiede lo studio e lo sviluppo di sensori dedicati ad alta risoluzione energetica e ad alto tasso di conteggio dei fotoni, basati su rivelatori CdTe e CdZnTe con elettronica CMOS dedicata. Un'ampia attività sperimentale è stata condotta, accoppiando rivelatori a pixel CdTe e CdZnTe a amplificatori di carica (CSA) a basso rumore, per dimostrare una risoluzione energetica allo stato dell’arte a temperatura ambiente. È stata raggiunta una risoluzione inferiore a 600 eV FWHM per la linea da 59,5 keV della sorgente 241Am al tempo di picco ottimale di 1 μs, mantenendo allo stesso tempo una risoluzione inferiore a 1 keV a un tempo di picco di 50 ns, permettendo una risoluzione energetica di grado spettroscopico per questa classe di rivelatori anche in scenari ad alto tasso di conteggi in ingresso, superiore a 1 milione di conteggi al secondo per ogni pixel. Tuttavia, si è riscontrato che la prestazione della risoluzione energetica del sistema è limitata anche da non idealità nella risposta del rivelatore, come le peggiori proprietà di trasporto e la maggior produzione di fotoni di fluorescenza dei materiali ad alto numero atomico. Questo aspetto ha stimolato lo sviluppo di un toolkit di simulazione che potesse prevedere in modo affidabile la risposta del rivelatore simulando sia il deposito di energia dei fotoni all'interno del volume del rivelatore sia l'induzione del segnale ai suoi elettrodi, proponendo nuovi approcci per la simulazione dell'allargamento della nuvola di carica sotto effetti di diffusione dei portatori e repulsione elettrostatica. Gli effetti di guadagno non stazionario presenti in CSA a reset pulsato operati in scenari di ampia gamma dinamica sono stati inoltre studiati, sviluppando un modello analitico che potesse descrivere quantitativamente la distorsione indotta dal guadagno non stazionario nella lettura della carica. Parte del lavoro è stata inoltre dedicata a una collaborazione con un'azienda leader nella rilevazione di difetti e contaminanti in tempo reale nell'industria alimentare, per lo sviluppo di circuiti integrati CMOS (ASIC) che sono stati infine incorporati al nucleo della loro tecnologia di ispezione.