Гиперспектральная рентгеновская камера на базе матриц прямого преобразования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Pеализован позиционно-чувствительный спектрометр с субпиксельным пространственным разрешением на базе матричной ПЗС-камеры. Работа спектрометра основана на представленном алгоритме анализа кадров с единичными индуцированными воздействием фотонов событиями в режиме реального времени. Проведен анализ факторов, влияющих на энергетическое разрешение, формирование артефактов в энергетических спектрах, эффективность счета. Предложен алгоритм получения субпиксельного разрешения с применением сингулярного матричного разложения. Работа алгоритма протестирована на синтезированных экспериментальных данных, а также в реальном эксперименте с регистрацией пространственно-энергетической структуры флуоресцентного излучения слоистой системы. Продемонстрирован потенциал применения гиперспектральной визуализации для экспериментального метода стоячих рентгеновских волн в геометрии нормального падения и скользящего выхода флуоресцентного излучения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Сафонов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: Safonov_AIg@nrcki.ru
Россия, Москва

К. В. Николаев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Московский физико-технологический институт

Email: Safonov_AIg@nrcki.ru
Россия, Москва; Москва

С. Н. Якунин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: Safonov_AIg@nrcki.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Zegenhagen J., Kazimirov A. X-ray Standing Wave Technique, The Principles And Applications. World Scientific, 2013. V. 7.
  2. Ковальчук М.В., Новикова Н.Н., Якунин С.Н. // Природа. 2012. № 12. С. 3.
  3. Kossel W., Loeck V., Voges H. // Z. Phys. 1935. B. 94. № 1. S. 139. https://doi.org/10.1007/BF01330803
  4. Baumann J., Kayser Y., Kanngießer B. // Phys. Status Solidi. B. 2021. V. 258. № 3. P. 2000471.
  5. Bergmann U., Glatzel P. // Photosynth. Res. 2009. V. 102. P. 255. Https://doi.org/10.1007/s11120-009-9483-6
  6. Лидер В.В. // Успехи физ. наук. 2018. Т. 188. № 10. С. 1081. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.07.038174
  7. Schioppa E.J. The Color of X-Rays: Spectral X-Ray Computed Tomography using Energy Sensitive Pixel Detectors. Amsterdam U., 2014. № CERN-THESIS-2014–179.
  8. Lazzari O., Jacques S., Sochi T., Barnes P. // Analyst. 2009. V. 134. № 9. P. 1802. https://doi.org/10.1039/B901726G
  9. Hönicke P., Kayser Y., Nikolaev K.V. et al. // Small. 2022. V. 18. P. 2105776. https://doi.org/10.1002/smll.202105776
  10. Staeck S., Andrle A., Hönicke P. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 3766. https://doi.org/10.3390/nano12213766
  11. Skroblin D., Herrero A.F., Siefke T. et al. // Nanoscale. 2022. V. 14. № 41. P. 15475. https://doi.org/10.1039/D2NR03046B
  12. Maiden A.M., Morrison G.R., Kaulich B. et al. // Nat. Commun. 2013. V. 4. № 1. P. 1669. https://doi.org/10.1038/ncomms2640
  13. Batey D.J., Cipiccia S., Van Assche F. et al. // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 12278. https://doi.org/10.1038/s41598-019-48642-y
  14. Fröjdh E. Hybrid Pixel Detectors: Characterization and Optimization: Thesis. Mid Sweden University, 2015.
  15. Pennicard D., Lange S., Smoljanin S. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 425. № 6. P. 062010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/425/6/062010
  16. Catura R.C., Smithson R.C. // Rev. Sci. Instrum. 1979. V. 50. № 2. P. 219. https://doi.org/10.1063/1.1135790
  17. Bailey R., Damerell C.J.S., English R.L. et al. // Nucl. Instrum. Methods. 1983. V. 213. № 2–3. P. 201. https://doi.org/10.1016/0167-5087(83)90413-1
  18. Walton D., Stem R.A., Catura R.C. et al. // Proc. SPIE. 1984. V. 501. P. 306. https://doi.org/10.1117/12.944675
  19. Pinotti E., Bräuninger H., Findeis N. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1993. V. 326. № 1–2. P. 85. https://doi.org/10.1016/0168-9002(93)90337-H
  20. Hynecek J. // IEEE Trans. Electron Devices. 1992. V. 39. № 8. P. 1972. https://doi.org/10.1109/16.144694
  21. Turner M.J.L., Abbey A., Arnaud M. et al. // Astron. Astrophys. 2001. V. 365. № 1. P. L27. https://doi.org/10.1051/0004-6361:20000087
  22. Gendreau K.C. X-Ray CCDS for Space Applications: Calibration, Radiation Hardness, and Use for Measuring the Spectrum of the Cosmic X-Ray Background: Thesis. Massachusetts Institute of Technology, 1995.
  23. Baumann J., Gnewkow R., Staeck S. et al. // J. Anal. At. Spectrom. 2018. V. 33. № 12. P. 2043. https://doi.org/10.1039/C8JA00212F
  24. Allen F.G., Gobeli G.W. // Phys. Rev. 1962. V. 127. № 1. P. 150. https://doi.org/10.1103/PhysRev.127.150
  25. Tamm I. // Z. Phys. 1932. B. 76. № 11–12. S. 849. https://doi.org/10.1007/BF01341581
  26. El Gamal A., Eltoukhy H. // IEEE Circuit. Devic. 2005. V. 21. № 3. P. 6. https://doi.org/10.1109/MCD.2005.1438751
  27. Белоус Д.А. // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 3. С. 60.
  28. Ильин А.А., Виноградов А.Н., Егоров В.В. и др. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 3. С. 106.
  29. Юшкин М.В., Клочкова В.Г. Комплекс программ обработки эшелле-спектров. Препринт САО. 2004. № 206.
  30. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Кэбин Э.И. Частицы и ядра. Эксперимент. М.: МАКС Пресс, 2013. С. 260.
  31. Jakubek J. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2009. V. 607. № 1. P. 192. https://doi.org/10.1016/j.nima.2009.03.148
  32. Prigozhin G., Butler N.R., Kissel S.E., Ricker G.R. // IEEE Trans. Electron Devices. 2003. V. 50. № 1. P. 246. https://doi.org/10.1109/TED.2002.806470
  33. Abboud A., Send S., Pashniak N. et al. // J. Instrum. 2013. V. 8. № 05. P. P05005. https://doi.org/10.1088/1748-0221/8/05/P05005
  34. Blaj G., Chang C.E., Kenney C.J. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2054. № 1. P. 060077. https://doi.org/10.1063/1.5084708
  35. Hernández G., Fernández F. // Appl. Phys. B. 2018. V. 124. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00340-018-6982-1
  36. Shustov A.E., Ulin S.E. // Phys. Proc. 2015. V. 74. P. 399. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.09.210
  37. Dutton T.E., Woodward W.F., Lomheim T.S. // P. Soc. Photo. Opt. Ins. 1998. V. 3301. P. 52. https://doi.org/10.1117/12.304568
  38. Тучин М.С., Бирюков А.В., Захаров А.И., Прохоров М.Е. // Механика, управление и информатика. 2013. № 13. С. 249.
  39. Christen F., Kuijken K., Baade D. et al. // Scientific Detectors for Astronomy 2005: Explorers of the Photon Odyssey. Dordrecht: Springer Netherlands, 2006. P. 543.
  40. Fumo P., Waldron E., Laine J.P., Evans G. // J. Astron. Telesc. Instrum. Syst. 2015. V. 1. № 2. P. 028002. https://doi.org/10.1117/1.JATIS.1.2.028002
  41. Старовойтов В.В. // Информатика. 2017. № 2. С. 70.
  42. Narwaria M., Lin W. // IEEE Trans. Systems, Man, Cybernetics. B. 2011. V. 42. № 2. P. 347. https://doi.org/10.1109/TSMCB.2011.2163391
  43. Gerbrands J.J. // Pattern Recognit. 1981. V. 14. № 1–6. P. 375. https://doi.org/10.1016/0031-3203(81)90082-0
  44. Jha S.K., Yadava R.D.S. // IEEE Sens. J. 2010. V. 11. № 1. P. 35. https://doi.org/10.1109/JSEN.2010.2049351
  45. Feller W. Courant Anniversary Volume. New York, 1948. P. 105.
  46. Evans R.D., Evans R.D. The Atomic Nucleus. New York: McGraw-Hill, 1955. P. 582.
  47. Lee S.H., Gardner R.P. // Appl. Radiat. Isot. 2000. V. 53. № 4–5. P. 731. https://doi.org/10.1016/S0969-8043(00)00261-X
  48. Patil A., Usman S. // Nucl. Technol. 2009. V. 165. № 2. P. 249. https://doi.org/10.13182/NT09-A4090
  49. Fano U. // Phys. Rev. 1947. V. 72. № 1. P. 26. https://doi.org/10.1103/PhysRev.72.26
  50. Abboud A., Send S., Pashniak N. et al. // J. Instrum. 2013. V. 8. P. P05005. https://doi.org/10.1088/1748-0221/8/05/P05005
  51. Kondratev O.A., Makhotkin I.A., Yakunin S.N. // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 574. P. 151573. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151573
  52. Nikolaev K.V., Safonov A.I., Kondratev O.A. et al. // J. Appl. Cryst. 2023. V. 56. № 5. P. 1435. https://doi.org/10.1107/S1600576723007112
  53. Solé V.A., Papillon E., Cotte M. et al. // Spectrochim. Acta. B. 2007. V. 62. № 1. P. 63. https://doi.org/10.1016/j.sab.2006.12.002

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Блок-схема алгоритма, реализующего позиционно-чувствительный энергодисперсионный анализатор.

Скачать (212KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Энергетическое распределение шумов считывания и Kα-линии бора.

Скачать (148KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость энергетического распределения Kα-линии (8047 эВ) и Kβ-линии (8905 эВ) меди от номера строки (а) и в крайних строках (б).

Скачать (113KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость регистрируемого потока фотонов (а) и эффективности счета (б) от загрузки детектора.

Скачать (158KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры, полученные из серии моделированных кадров (квадраты – пики наложений).

Скачать (204KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Флуоресцентный спектр образца W(3 нм)/Ti(16 нм)/W(3 нм): звездочки – флуоресцентные линии экспериментального оборудования, треугольники – пики вылета, квадраты – пики наложений.

Скачать (118KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Гиперспектральное изображение (а) и пространственные распределения дублета Kα-линии титана (б) и Lα1-линии вольфрама (в) по ПЗС-матрице.

Скачать (580KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024