X-ray imaging using 100 µm thick Gas Electron Multipliers operating in Kr-CO2 mixtures

Abstract

O crípton é o gás nobre que possui os melhores valores de resolução espacial para energias entre 14−34 keV, o que o torna um bom candidato para aplicações de imagiologia. Além disso, a escolha de Gas Electron Multipliers (GEM) com 100 μm de espessura ao invés de um GEM standard representa uma vantagem inegável; os primeiros são mais robustos a descargas, atingindo coeficientes de multiplicação semelhantes. Combinando estas duas características, é possível atingir ganhos em carga mais elevados e melhores valores de resolução espacial, o que permite obter imagens mais detalhadas no intervalo de energias 14−34 keV. Uma cascata de dois GEMs não convencionais (com o dobro da espessura de um GEM standard) fabricados no CERN foi associada a uma placa resistiva de leitura bidimensional, com uma área ativa de 10×10 cm2 . Esta montagem permite recolher informação sobre a energia e a posição de cada evento usando apenas quatro canais, simplificando a eletrónica associada, bem como a própria reconstrução das imagens. Este detetor foi operado em misturas baseadas em crípton e irradiado com uma fonte de 55Fe e com uma fonte contínua de raios-x. Sempre que possível, os resultados foram comparados com as medidas obtidas com uma mistura Ar-CO2 (70:30). Parâmetros como ganho em carga, resolução em energia, relação sinal ruído das imagens, resolução espacial e resposta em contraste foram determinados nestas condições. Para as misturas baseadas em crípton, verificou-se uma redução na resolução espacial para energias acima dos 18 keV. O valor da MTF a 10% no intervalo de energias 22−24 keV foi também avaliado, sendo 0.5876(342) lp/cm para Ar-CO2 (70:30) e cerca de 3 lp/cm para misturas de Kr-CO2.

Krypton is known to have the best value of position resolution amongst the noble gases within the range 14−34 keV, which makes it a good candidate for imaging applications. Also, the choosing of 100 μm thick Gas Electron Multipliers (GEM) over the standard GEM plates presents an undeniable advantage as the former is more robust to sparking while achieving similar multiplication coefficients. By taking these factors into account, higher charge gains and lower values of position resolution can be achieved to produce cleaner imaging data in the energy range 14−34 keV. A cascade of two non-standard GEM plates (twice the thickness of a standard GEM) fabricated at CERN was coupled to a 2D resistive readout with an active area of 10×10 cm2. This setup allows event energy and interaction position information to be recorded using only four channels, simplifying the electronic system and the image reconstruction process. This detection system was operated in krypton-based mixtures and irradiated by a 55Fe and a continuous x-ray source. Whenever possible, the results were compared to the ones achieved in a Ar-CO2 (70:30) mixture. Parameters such as the charge gain, energy resolution, image signal-to-noise ratio, position resolution and contrast response were measured under the described conditions. For krypton-based mixtures, the reduction of position resolution happened for radiation energies higher than 18 keV. The Modulation Transfer Function value at 10% in the energy interval 22−24 keV was also evaluated, being 0.5876(342) lp/cm for Ar-CO2 (70:30) and around 3 lp/cm for Kr-CO2 mixtures.