Détecteurs radiologiques grande surface, multi-énergie

par Amr Habib

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de Gilles Sicard et de Marc Arques.

Le président du jury était Sylvain Bourdel.

Le jury était composé de Gilles Sicard, Marc Arques, Olivier Limousin.

Les rapporteurs étaient Pierre Magnan, Dominique Ginhac.


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est de proposer une solution pour un circuit intégré matriciel pour l'imagerie de rayons X fonctionnant, soit en mode spectrométrique où l'énergie de chaque photon X est mesurée, soit en mode d'intégration de charges où l'énergie totale déposée par les rayons X pendant une image est mesurée, la solution devant être à terme compatible avec un détecteur de grande surface typiquement de 20 cm x 20 cm. Un circuit de test (ASIC), ‘Sphinx' de 20 x 20 pixels au pas de 200 µm x 200 µm, en technologie CMOS 0.13 µm a été conçu pour servir de preuve du concept proposé. L'architecture de pixel retenue permet la quantification de la charge incidente par des paquets de contre-charges aussi bas que 100 électrons, ces contre-charges étant comptabilisées, soit pour chaque photon X (mode spectrométrique), soit pour la totalité des photons détectés pendant une image (mode intégration). Les premières mesures de caractérisation prouvent la validité du concept avec de bonnes performances en termes de consommation, bruit et linéarité. Une partie des pixels est dédiée à la détection directe des rayons X, ceux-ci étant alors convertis en charges électriques dans un semi-conducteur, tel que CdZnTe par exemple, lequel semiconducteur est couplé pixel à pixel à l'ASIC. Une autre partie des pixels est dédiée à la détection indirecte des rayons X, ceux-ci étant alors convertis en photons visibles dans une couche scintillatrice, telle CsI : Tl par exemple, et chaque pixel de l'ASIC possédant alors une photodiode. Pour ce dernier mode, de nouvelles formes de photodiodes rapides et peu capacitives ont de plus été conçues, simulées, et fabriquées en technologie CMOS 0.13 µm sur un autre ASIC. Enfin, la thèse se conclut en proposant des idées d'amélioration de performances à réaliser potentiellement dans un futur prototype.

  • Titre traduit

    Large area, multi-energy radiological detectors


  • Résumé

    The objective of the thesis is to propose a solution for a 2D integrated circuit X-ray imager working, either in spectrometric mode where each X photon energy is measured, or in charge integration mode where the total energy deposited by X-ray during an image is measured, the solution being compatible with large area detectors typically of 20 cm x 20 cm. A proof of concept prototype ASIC 'Sphinx' was designed and fabricated in CMOS 0.13 µm technology; the ASIC being formed of a matrix of 20 x 20 pixels with a 200 µm pixel pitch. The designed architecture allows the quantification of the incoming charge through the use of counter-charge packets as low as 100 electrons. The injected packets are counted for each X photon (in the spectrometric photon counting mode), or for all charges integrated during the image period (in charge integration mode). First characterization measurements prove the validity of the concept with good performance in terms of power consumption, noise, and linearity. A first part of the ASIC is dedicated to X-ray direct detection where a semiconductor, e.g. CdZnTe, hybridized to the ASIC's pixels converts X-photons to electrical charge. Another part of the ASIC is dedicated indirect X-ray detection where a scintillator, e.g. CsI:Tl, is used to convert X-photons to visible photons which are then detected by in-pixel photodiodes. For the latter mode, new forms of photodiodes characterized by fast detection and low capacity were designed, simulated, and fabricated in CMOS 0.13 µm technology on a different ASIC. Finally, the thesis concludes with proposing performance enhancing ideas to be potentially implemented in a future prototype.

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