MPGDs based radiation imaging devices and applications

Abstract

Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de sistemas baseados em detetores gasosos microestruturados, para imagiologia de fluorescência de raios-X por dispersão em energia (EDXRF). A técnica de imagiologia por fluorescência de raios-X assume-se como uma técnica poderosa, não-destrutiva, em análises da distribuição espacial de elementos em materiais. Os sistemas para imagiologia de EDXRF desenvolvidos são constituídos por: um tubo de raios-X, usado para excitar os elementos da amostra; um detetor gasoso microestruturado; e uma lente pinhole que foca a radiação de fluorescência no plano do detetor formando assim a imagem e permitindo a sua ampliação. Por outro lado é estudada a influência do diâmetro da abertura do pinhole bem como do fator de ampliação obtido para a imagem, na resolução em posição do sistema. Foram usados dois conceitos diferentes de detetores gasosos microestruturados. O primeiro, baseado na microestrutura designada por 2D-Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) com uma área ativa de 3 3 cm2, enquanto que o segundo, baseado na estrutura 2D-Thick-COBRA (2D-THCOBRA) apresenta uma área ativa de deteção de 10 10 cm2. Estes detetores de raios-X de baixo custo têm a particularidade de funcionar em regime de fotão único permitindo a determinação da energia e posição de interação de cada fotão que chega ao detetor. Deste modo permitem detetar a energia dos fotões X de fluorescência, bem como obter imagens 2D da distribuição desses fotões X para o intervalo de energias desejado. São por isso adequados a aplicações de imagiologia de EDXRF. Os detetores desenvolvidos mostraram resoluções em energia de 17% e 22% para fotões incidentes com uma energia de 5.9 keV, respectivamente para o detetor 2D-MHSP e 2D-THCOBRA e resoluções em posição adequadas para um vasto número de aplicações. Ao longo deste trabalho é detalhado o desenvolvimento, o estudo das características e do desempenho de cada um dos detetores, e sua influência na performance final de cada sistema proposto. Numa fase mais avançada apresentam-se os resultados correspondentes à aplicação dos dois sistemas a diversas amostras, incluindo algumas do nosso património cultural e também uma amostra biológica.

The present document describes the development and application of two energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) imaging systems based on micropattern gaseous detectors. The X-ray fluorescence imaging technique is assumed as a powerful technique, non-destructive, on analysis of the spatial distribution of elements in materials. The imaging systems developed for EDXRF imaging consist of: an X-ray tube, acting as the external source to excite the sample; a micropattern gas detector; and a pinhole which directs the fluorescence radiation to the detector. On the other hand, the influence of the pinhole aperture diameter and the magnification factor obtained for the image in the position resolution of the system, is studied. Two different concepts of micropattern gaseous detectors were used. The first one is based on the 2D Micro-Hole & Strip Plate (2D-MHSP) microstructure with an active area of 3 3 cm2, while the second is based on the 2D Thick- COBRA (2D-THCOBRA) with a sensitive detection area of about 10 10 cm2. These X-ray detectors are single photon counting detectors, allowing the determination of the interaction position and energy of each photon reaching the detector. Therefore they can work as low cost energy dispersive detectors as well as obtain 2D images of the distribution of X photons for a range of energies required, which makes them suitable for EDXRF imaging applications. The detectors have shown an energy resolution of about 17% and 22% for 5.9 keV X-ray photons, for the 2D-MHSP detector and 2D THCOBRA, respectively, and apropriate spatial resolutions for a wide range of applications. Throughout this work, the development and study of the characteristics and the performance of each of the detectors used as well as their influence in the final performance of each proposed system is shown in detail. Results concerning the application of the two systems to several samples, including some cultural heritage samples and also a biological sample are shown.