Study of a system for the identification of materials by energy dispersive X-ray diffraction

La diffraction des rayons X apparait comme une modalité prometteuse pour l'inspection non invasive de bagages. Par comparaison aux techniques traditionnelles d'imagerie par transmission, cette technique permet de révéler davantage d'informations caractéristiques sur les matériaux, comme les distances inter-réticulaires pour les matériaux cristallins ou la fonction d'interférence moléculaire pour les matériaux amorphes. La méthode de diffraction par énergie dispersive (EDXRD), qui travaille à angle fixe avec un faisceau polychromatique et un détecteur résolu en énergie, est plus particulièrement adaptée à la problématique de contrôle de bagages, car elle permet d'envisager une architecture parallélisée pour imager un bagage complet en un temps raisonnable. Les travaux proposés dans cette thèse ont donc pour but d'étudier un système EDXRD utilisant un détecteur spectrométrique CdZnTe multi pixels pour l'identification des matériaux illicites dans les bagages. Une première étape a consisté à prendre en main cette technique à la fois expérimentalement avec un banc de diffraction mis à disposition et théoriquement par le biais du développement d'un outil de simulation élaboré. La confrontation entre l'expérimentation et la simulation a permis de bien comprendre la physique d'un tel système et de mieux analyser ses faiblesses pour pouvoir les corriger. En nous appuyant sur ces deux outils, nous avons ensuite étudié et mis en oeuvre de nouveaux concepts pour améliorer les performances du système EDXRD, en termes de résolution, d'intensité et de stabilité des pics de diffraction. Ainsi, une architecture novatrice, s'appuyant sur un traitement des signaux transitoires délivrés par les détecteurs CdZnTe, est proposée afin d'améliorer le compromis entre la résolution des pics de diffraction et leur intensité. Cette architecture est basée sur la sur-pixellisation du détecteur par la méthode de localisation barycentrique et sur une adaptation géométrique du système collimateur/détecteur. Enfin, le problème d'instabilité des pics de diffraction, due à l'effet d'orientation des grains des matériaux cristallins, est également traité.X-ray diffraction is becoming a prevailing technique for non invasive inspection of luggage. Compared to traditional techniques of transmission imaging, the diffraction technique can extract more characteristic information of materials, such as the Bragg peaks for crystalline materials or the molecular interference function for amorphous materials. The method of energy dispersive X Ray diffraction (EDXRD), which works at a fixed low scatter angle but with a polychromatic X-ray beam and a energy resolved detector, is particularly suited to the problem of luggage control as it allows parallelized architectures to inspect an entire object in a reasonable time. The work proposed in this thesis is to study an EDXRD system using a multi-pixelated CdZnTe detector to identify illicit materials in baggage. A first step has been to take control of this technique both experimentally with a diffraction bench and theoretically through the development of an elaborate simulation tool. The comparison between experiment and simulation has allowed to understand the physics of such a system and to better analyze its weaknesses to correct them. Relying on these two tools, we studied and implemented new concepts to improve performances of EDXRD systems, in terms of resolution, intensity and stability of the diffraction peaks. Thus, an innovative architecture, based on a dedicated treatment of transient signals delivered by the CdZnTe detectors, is proposed to significantly improve the compromise between the resolution of the diffraction peaks and their intensity. This architecture is based on an over-pixelation (1D) of the detector by an electronic positioning method and on a geometric adaptation of the system collimator/detector. The problem of instability of the diffraction peaks due to the effect of grain orientation in crystals is also handled

Etude d'un système d'identification de matériaux par diffraction de rayons X à partir d'acquisitions spectrométriques multi pixels

X-ray diffraction is becoming a prevailing technique for non invasive inspection of luggage. Compared to traditional techniques of transmission imaging, the diffraction technique can extract more characteristic information of materials, such as the Bragg peaks for crystalline materials or the molecular interference function for amorphous materials. The method of energy dispersive X Ray diffraction (EDXRD), which works at a fixed low scatter angle but with a polychromatic X-ray beam and a energy resolved detector, is particularly suited to the problem of luggage control as it allows parallelized architectures to inspect an entire object in a reasonable time. The work proposed in this thesis is to study an EDXRD system using a multi-pixelated CdZnTe detector to identify illicit materials in baggage. A first step has been to take control of this technique both experimentally with a diffraction bench and theoretically through the development of an elaborate simulation tool. The comparison between experiment and simulation has allowed to understand the physics of such a system and to better analyze its weaknesses to correct them. Relying on these two tools, we studied and implemented new concepts to improve performances of EDXRD systems, in terms of resolution, intensity and stability of the diffraction peaks. Thus, an innovative architecture, based on a dedicated treatment of transient signals delivered by the CdZnTe detectors, is proposed to significantly improve the compromise between the resolution of the diffraction peaks and their intensity. This architecture is based on an over-pixelation (1D) of the detector by an electronic positioning method and on a geometric adaptation of the system collimator/detector. The problem of instability of the diffraction peaks due to the effect of grain orientation in crystals is also handled.La diffraction des rayons X apparait comme une modalité prometteuse pour l'inspection non invasive de bagages. Par comparaison aux techniques traditionnelles d'imagerie par transmission, cette technique permet de révéler davantage d'informations caractéristiques sur les matériaux, comme les distances inter-réticulaires pour les matériaux cristallins ou la fonction d'interférence moléculaire pour les matériaux amorphes. La méthode de diffraction par énergie dispersive (EDXRD), qui travaille à angle fixe avec un faisceau polychromatique et un détecteur résolu en énergie, est plus particulièrement adaptée à la problématique de contrôle de bagages, car elle permet d'envisager une architecture parallélisée pour imager un bagage complet en un temps raisonnable. Les travaux proposés dans cette thèse ont donc pour but d'étudier un système EDXRD utilisant un détecteur spectrométrique CdZnTe multi pixels pour l'identification des matériaux illicites dans les bagages. Une première étape a consisté à prendre en main cette technique à la fois expérimentalement avec un banc de diffraction mis à disposition et théoriquement par le biais du développement d'un outil de simulation élaboré. La confrontation entre l'expérimentation et la simulation a permis de bien comprendre la physique d'un tel système et de mieux analyser ses faiblesses pour pouvoir les corriger. En nous appuyant sur ces deux outils, nous avons ensuite étudié et mis en oeuvre de nouveaux concepts pour améliorer les performances du système EDXRD, en termes de résolution, d'intensité et de stabilité des pics de diffraction. Ainsi, une architecture novatrice, s'appuyant sur un traitement des signaux transitoires délivrés par les détecteurs CdZnTe, est proposée afin d'améliorer le compromis entre la résolution des pics de diffraction et leur intensité. Cette architecture est basée sur la sur-pixellisation du détecteur par la méthode de localisation barycentrique et sur une adaptation géométrique du système collimateur/détecteur. Enfin, le problème d'instabilité des pics de diffraction, due à l'effet d'orientation des grains des matériaux cristallins, est également traité

Identification of amyloid plaques in the brain using an x-ray photon-counting strip detector.

Brain aggregates of β amyloid (βA) protein plaques have been widely recognized as associated with many neurodegenerative diseases, and their identification can assist in the early diagnosis of Alzheimer's disease. We investigate the feasibility of using a spectral x-ray coherent scatter system with a silicon strip photon-counting detector for identifying brain βA protein plaques. This approach is based on differences in the structure of amyloid, white and grey matter in the brain. We simulated an energy- and angular-dispersive X-ray diffraction system with an x-ray pencil beam and Silicon strip sensor, energy-resolving detectors. The polychromatic beam is geometrically focused toward a region of interest in the brain. First, the open-source MC-GPU code for Monte Carlo transport was modified to accommodate the detector model. Second, brain phantoms with and without βA were simulated to assess the method and determine the radiation dose required to obtain acceptable statistical power. For βA targets of 3, 4 and 5 mm sizes in a 15-cm brain model, the required incident exposure was about 0.44 mR from a 60 kVp tungsten spectrum and 3.5 mm of added aluminum filtration. The results suggest that the proposed x-ray coherent scatter technique enables the use of high energy x-ray spectra and therefore has the potential to be used for accurate in vivo detection and quantification of βA in the brain within acceptable radiation dose levels

Compilation of the angular location of characteristic peaks.

<p>Compilation of the angular location of characteristic peaks.</p

SNR of each material for simulations with or without a skull.

<p>White matter (WM), Gray matter (GM).</p

Small-angle X-ray scattering characteristics of mouse brain: Planar imaging measurements and tomographic imaging simulations - Fig 6

<p>(A.) Photograph of a coronal slice in a second mouse brain. Dotted yellow line indicates region that was imaged. (B.) An intensity map at <i>q</i> = 1.01 nm⁻¹ where the first peak appeared in the scatter profiles. (C.) First region where intensity was higher than 0.7 cm⁻¹ sr⁻¹ in B. (D.) Second region where the intensity was between 0.3 and 0.7 cm⁻¹ sr⁻¹ in B. (E.) Third region where the intensity was between 0.1 and 0.3 cm⁻¹ sr⁻¹ in B.(Bottom) Scatter profiles of the average of pixels in the three regions depicted in C,D and E. Error bars are ±<i>σ</i> of the pixels in each region. They are plotted every 10 points for clarity.</p

Block diagram of pSAXS data processing.

<p>Block diagram of pSAXS data processing.</p

Schematic of the imaging setup for planar SAXS (left) and SAXS-CT (right).

<p>Schematic of the imaging setup for planar SAXS (left) and SAXS-CT (right).</p

Assessment of task‐based performance from five clinical DBT systems using an anthropomorphic breast phantom

Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/167063/1/mp14568.pdfhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/167063/2/mp14568_am.pd