Utilisation de capteurs CMOS rapides pour l'imagerie X à très haute sensibilité

Use of swift CMOS sensors for X ray imaging with high sensitivity

• Auteur / Autrice : Mario Bachaalany
• Direction : Marc Winter, Jérôme Baudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules élémentaires
• Date : Soutenance le 07/12/2012
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : David Brasse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Barbier, Philippe Moretto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X

Capteurs d'images à pixels actifs

MOS complémentaires

Détecteurs à semiconducteurs

Mots clés libres

Rayons X

Photons uniques

Capteurs à pixel CMOS

Imagerie par comptage

X-rays

Single photons

CMOS pixel sensors

Counting image

Résumé

Cette étude évalue le potentiel, comme détecteur de rayons X, des capteurs à pixel CMOS conçus pour la trajectométrie des particules chargée. Nous démontrons l’intérêt de la construction d’une image par comptage de photons uniques pour la définition de celle-ci. Un dispositif exploitant une source X est développé pour mesurer la résolution spatiale sur l’impact des photons. Une simulation complète sous GEANT4 montre que le système permet d’estimer cette résolution avec une incertitude de 2 µm. L’application du protocole caractérise la détection directe des rayons X de basse énergie (< 10 keV) par un capteur CMOS avec une résolution de 52 lp/mm. Une méthode de détection indirecte, couplant un cristal de CsI(Tl) finement segmenté au capteur CMOS, est employée pour les énergies supérieures à 10 keV. La résolution spatiale dans ces conditions atteint 15 lp/mm. Une simulation détaillée explique cette performance limitée par les caractéristiques d’émission de lumière du cristal employé.

This work investigates the potential application of CMOS pixel sensors, designed for particle tracking, for the detection of X rays. We explain how the image definition can be improved exploiting the single photon counting technique. An experimental system, based on an X ray source, is developed to measure the single point resolution of photons. Thanks to a full GEANT4 simulation of the device, the evaluation uncertainty is predicted to be 2 µm. We apply our method to the direct detection of low energy (< 10 keV) X rays by a CMOS pixel to measure a spatial resolution of 52 lp/mm. For higher energies, an hybrid device, coupling a CSi(Tl) highly segmented crystal with a CMOS sensor, is used. The spatial resolution reaches in this case 15 lp/mm. A detailed simulation study demonstrated that this limited performance is related to the characteristics of the light emitted by the crystal.