Timepix3芯片原理及多种应用介绍(应用篇)
混合像素探测器技术最初是为了满足欧洲核子中心（CERN） 大型强子对撞机LHC 粒子追迹需求而开发的。来自CERN和一些外部合作小组的研究人员看到了将混合像素探测器技术应用到高能物理以外领域的机会，于是Medipix1 Collaboration 诞生了。
Timepix系列是从 Medipix系列开发演变而来的，用于探测单个粒子的探测以获得时间、空间、能量信息，历经Timepix2，Timepix3，目前Timepix4正在开发中，其目标是获得更好的空间和时间分辨能力。Timepix3 是一种通用集成电路，适用于读出半导体探测器和充气探测器，可以同时获得入射粒子或辐射的到达时间、空间及能量信息。与 Timepix1 相比，Timepix3具有更多功能、更好的时间分辨率和更先进的架构，可用于零抑制的连续稀疏数据读出。
上一篇文章我们着重介绍了有关Timepix3芯片原理的基础知识：Timepix3芯片原理及应用介绍(原理篇)。
这一章为应用篇，主要内容是基于Timepix3/Timepix芯片的光子计数、像素化探测器的最新应用。
基于Timepix3/Timepix芯片探测器/相机 应用篇
1
基本Timepix3芯片的AdvaPIX TPX3电子探测器用于4D STEM
四维扫描透射电子显微镜(4D STEM)可详细记录了电子在材料中的散射。4D STEM提供的好处是巨大的，它提供了丰富的数据，例如，通过质心或ptychography为基础的分析提供了高精度、高电子剂量效率的相位成像。然而，长期以来，需要在每个探头位置记录二维散射图像严重限制了4D STEM的扫描速度。近年来相机技术的进步大大提高了扫描速度，直接电子探测器的探测效率特别适合4D STEM。然而，即使是高帧率像素探测器，数据容易漂移，用于4D STEM，扫描速度仍然受到了显著限制，得到的数据容易漂移。高帧率像素探测器也不适合用于低剂量光束敏感应用。
比利时安特卫普大学jo.verbeeck教授和他的研究团队基于Advacam公司的AdvaPIX探测器改造了一台基于事件驱动的 Timepix3 直接电子探测相机，将 4D STEM 停留时间降至 100 ns，比基于帧读出直接电子探测相机快几个数量级。同时用不同加速电压对探测器进行了表征，结果表明Timepix3直接电子探测相机特别适用于低剂量成像，和传统的 STEM 成像技术相比，可以在不影响停留时间的情况下提供丰富的数据。
2
基于Timepix3/Timepix芯片的MiniPIX TP3探测器用于辐射源的探测
RaDron项目旨在开发一种小型设备，用于快速定位静态或移动的伽马辐射源，并将其集成到一架小型自主飞机(无人机)中。将来，探测器将被改装成手持辐射成像仪，并作为手机附件使用。
相关报道：
3
用于软x射线成像和光谱应用的光子计数MCP/Timepix探测器
微通道板 (MCP)探测器有以高空间分辨率 (<10 mm) 和时间分辨率(<25 ps) 探测单光子的能力。尽管这种探测技术最初是为低事件率的应用而开发的，但读出电子设备的最新进展，使这种技术能够以更高的速度同时探测多个粒子。美国伯克利国家实验室和肯塔基大学的科学家团队研究了Timepix读出芯片和MCP组合的探测器在需要记录每个光子的位置和到达时间的软 X 射线成像和光谱应用中的潜在用途。在 Advanced Light Source 进行的原理验证实验证明了MCP/Timepix 探测器能在相对较高的输入计数率下工作，为这些探测器在共振非弹性 X 射线散射和 X 射线光子相关光谱 (XPCS) 应用中的应用铺平了道路。原理性实验研究了 MCP/Timepix 探测器的局部计数率饱和度，这是特定散射图样需要优化的数据获取参数。为消除探测器电荷扩散效应，提高空间分辨率至亚像素水平，开发了单光子簇（cluster）分析算法。这些实验结果将指导未来 MCP 设备的持续开发，并针对软 X 射线光子计数应用进行优化，这将使 XPCS 动态测量能够降至亚微秒时间尺度。
参考文献：Tremsin, Anton S., et al. "Photon-counting MCP/Timepix detectors for soft X-ray imaging and spectroscopic applications." Journal of Synchrotron Radiation 28.4 (2021).
4
一种简单的实验表征和验证质子束轮廓的方法-基于MiniPIX TPX探测器
MiniPIX TPX探测器，采用Timepix ASIC和 300 μm Si传感器（左）和从测量中获得的示例图像（右）。团簇是由水中铅直质子束混合辐射场中的不同粒子产生的。低LET、窄、卷曲的团簇是电子的典型特征，高 LET、宽、直的簇是高能带电重粒子（如质子）的特征，而低 LET、直的簇是光子的典型特征。在图像的右侧，显示了重叠簇的示例。
质子治疗铅直束的精确表征对于任何治疗程序系统 (TPS) 的调试都是必不可少的。剂量分布特征包括在所谓的低剂量包络中测量质子束中心和远离中心的剂量剖面，并且需要具有几个数量级动态范围的复杂检测系统。来及芬兰、法国、捷克和意大利的研究团队使用了单光子灵敏的 MINIPIX TIMEPIX 探测器以及内部设计的支架来测量空气和水中的质子束剂量分布。研究人员使用各种能量质子束，验证了 MINIPIX TIMEPIX 探测器出厂能量刻度，将得到能谱与蒙特卡罗 (MC) 模拟能谱进行了比较。剖面剂量分布测量的精度用克拉科夫质子设施调试数据进行了验证，用 MC 代码 GATE/Geant4 和 FRED 进行剂量分布模拟。MINIPIX TIMEPIX 测量和模拟之间有极好的一致性，证明了该系统对质子束进行简单表征和验证的可行性，表明此方法可以在任何质子治疗设施中实施，以获取调试、验证分析和基于蒙特卡罗(MC) 的治疗计划系统(TPS)所需的实验数据。
参考文献：Stasica, Paulina, et al. "A simple approach for experimental characterization and validation of proton pencil beam profiles." Frontiers in Physics (2020): 346.
5
使用 CdTe Timepix3 探测器的能量敏感 X 射线相衬成像
CdTe Timepix3 是一种光子计数半导体探测器，能够同时测量每个入射 X 射线光子的能量和到达时间。高空间分辨率和CdTe 的高量子效率，高效率使其可用于多种成像应用，例如 X 射线相衬成像 (XPCI)。
XPCI 依赖于 X 射线在穿过样品时的相移。本研究侧重于自由空间传播 XPCI 和单掩模边缘照明 XPCI 方法，这两种方法非常适合实验室实施。
由于这两种技术都对电荷共享高度敏感，基于Timepix3探测器获得的每个光子能量和时间信息，使用像素簇分析方法可以将电荷共享的影响减小到最低程度。此外，研究人员使用探测器的能量分辨能力研究了两种 XPCI 技术在 30kVp 源光谱中的性能。在这两种情况下，相位对比度和信噪比 (SNR) 都被评估为能量的函数。最后，对两种 XPCI 技术，证明了像素簇分析和能量选择用于相位衬度是可行的。
参考文献：Navarrete, C., et al. "Energy sensitive X-ray phase contrast imaging with a CdTe-Timepix3 detector." 2019 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). IEEE, 2020.
6
带有板载数据处理的小型化辐射相机用于宽强度范围混合辐射场在线表征-MiniPIX Timepix3
空间、放射治疗、环境和辐射监测等应用需要紧凑型仪器的远程和简化部署，同时需要实时评估数据。直接在探测器上处理数据，而不是在外部计算机/PC中处理，将是有价值且非常实用的。性能、处理速度、分辨率、功耗和检测器操作占空比之间的平衡是必要的。来自捷克、荷兰和波兰的研究团队基于MiniPIX TP3探测器设计这一套系统，提供了对于主要辐射成分、粒子通量和剂量率的有限分辨能力。
参考文献：
T. Poikela , et al., Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA /ToT and sparse readout, J. of Instrum .JINST 9 (2014) C05013.
C. Granja, J. Jakubek, S. Polansky, et al., Resolving power of pixel detector Timepix for wide range electron, proton and ion detection, Nuclear Instr. Methods A 908 (2018) 60 71.
Granja, C., et al. "MiniPIX Timepix3—a miniaturized radiation camera with onboard data processing for online characterization of wide-intensity mixed-radiation fields." Journal of Instrumentation 17.03 (2022): C03019.
相关报道：
Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。Advacam最核心的技术特点是其X射线探制器（应用CERN Timepix、Medipix芯片），没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam与NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持长期良好的项目合作关系。2021年，spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。
北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司中国区的总代理，也在积极推广Timex / Medipix芯片技术，并探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。