[論文レビュー] Medipix3 Demonstration and understanding of near ideal detector performance for 60 & 80 keV electrons

J.A. Mir, R. Clough+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Medipix3ハイブリッドピクセル検出器が、60および80 keVの電子に対して、単一ピクセルモード（SPM）およびチャージサミングモード（CSM）の両方で、ほぼ理想に近い検出量子効率（DQE）とモード変換関数（MTF）を達成することを示している。単一電子イベントの分析と経験的モデルの構築により、著者らはCSMが同時にDQEとMTFを最大化しており、高しきい値においても理想の検出器性能を上回るMTFを示していることを明らかにした。これは、2次元材料などのビーム感受性材料の低線量・高分解能イメージングに極めて効果的である。

ABSTRACT

In our article we report first quantitative measurements of imaging performance for the current generation of hybrid pixel detector, Medipix3, as direct electron detector. Utilising beam energies of 60 & 80 keV, measurements of modulation transfer function (MTF) and detective quantum efficiency (DQE) have revealed that, in single pixel mode (SPM), energy threshold values can be chosen to maximize either the MTF or DQE, obtaining values near to, or even exceeding, those for an ideal detector. We have demonstrated that the Medipix3 charge summing mode (CSM) can deliver simultaneous, near ideal values of both MTF and DQE. To understand direct detection performance further we have characterized the detector response to single electron events, building an empirical model which can predict detector MTF and DQE performance based on energy threshold. Exemplifying our findings we demonstrate the Medipix3 imaging performance, recording a fully exposed electron diffraction pattern at 24-bit depth and images in SPM and CSM modes. Taken together our findings highlight that for transmission electron microscopy performed at low energies (energies <100 keV) thick hybrid pixel detectors provide an advantageous and alternative architecture for direct electron imaging

研究の動機と目的

• 60–80 keVの低電子ビームエネルギーにおけるMedipix3検出器のイメージング性能を評価すること。
• 単一ピクセルモード（SPM）における限界を克服するために、チャージサミングモード（CSM）がDQEとMTFの両方を同時に最適化できるかどうかを特定すること。
• 単一電子イベントの分析に基づく経験的モデルを構築し、エネルギーしきい値の関数としての検出器のMTFおよびDQEを予測すること。
• 24ビットの高ダイナミックレンジイメージングを実証し、電子回折パターンおよびナノ結晶イメージングを用いて性能を検証すること。

提案手法

• 刃縁法を用いてMTFを測定し、短時間露光によるフラットフィールド画像からの新しいポイントスプレッド関数（PSF）再構成により検証した。
• 標準式を用いてDQEを計算した：DQE(f) = [SNR_out(f)]² / [SNR_in(f)]²。空間周波数fにおける出力と入力の信号対雑音比を比較した。
• 調整可能な下限しきい値（TH0）を有する単一ピクセルモード（SPM）を用い、DQEまたはMTFを個別に最適化した。
• 隣接ピクセルのコーナーにおける電荷を加算し、信号が最大のピクセルに再構成された電荷を割り当てる方法で、チャージサミングモード（CSM）を実装した。2つのしきい値を用いた：TH0（個々のピクセル）およびTH1（加算クラスタ）。
• 統合強度および単一イベントカウントデータへのフィッティングに基づく経験的モデルを構築し、しきい値設定に応じたMTF性能を予測した。
• SPMおよびCSMモードの両方で24ビットの深度イメージを取得した。露光時間500–1000 msの間、完全露光の電子回折パターンおよびナノ結晶イメージングを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Medipix3検出器は、60および80 keVの電子ビームエネルギーにおいて、ほぼ理想のDQEおよびMTF性能を達成できるか？
• RQ2 チャージサミングモード（CSM）は、SPMに内在するトレードオフを克服し、DQEとMTFの両方を同時に最適化できるか？
• RQ3 検出器が単一電子イベントに応答する仕組みがMTFおよびDQEに与える影響は何か？ また、これを経験的にモデル化できるか？
• RQ4 CSMは、2次元材料のようなビーム感受性材料のイメージング性能をどの程度向上させるか？

主な発見

• SPMモードでは、高いエネルギーしきい値（例：TH0 = 40 keV）を選択することで、有効ピクセルサイズの縮小に起因し、理論的なピクセル化検出器の限界を超えるMTF値が得られるが、DQEは著しく低下する。
• TH0 = 20 keVで、Medipix3は理想の検出器と同等またはそれを上回るDQE値を達成しており、低線量イメージングにおける高い量子効率を示している。
• CSMモードでは、TH0 = 3.0 keVおよびTH1 = 19.7 keVの条件下で、DQEとMTFの両方を高い水準で同時に達成しており、500 ms露光で格子縞およびモアレコントラストが明確に観察された。これは、高しきい値での1000 ms SPM露光の信号対雑音比に相当する。
• 単一電子イベントの分析に基づく経験的モデルは、しきち値設定に応じたMTF応答を正確に予測しており、刃縁法による測定値と良好に一致した。
• CSMモードは、電荷共有の低減により空間分解能と感度を向上させるが、空間的に分散された電荷を完全に回復できないため、性能はわずかに理想値を下回る。
• 24ビットのダイナミックレンジイメージングが成功裏に実証され、SPMおよびCSMモードの両方で、完全露光の電子回折パターンおよびナノ結晶特徴の高忠実度記録が可能となった。