所见即所得：混合光子计数探测器—您的调光神器
调光系统结构不紧凑，调光步骤复杂，调光存在安全隐患……
你还在用传统的平板探测器调光吗？那你真的有必要知道这款由捷克Advacam公司提供的像素化的小型混合光子计数探测器MiniPIX，它具有单光子灵敏和能量阈值设定等特点，可以同时获得光斑的位置、尺寸和强度分布信息，体积仅有U盘大小，让你从此告别复杂的低灵敏的光路调节。
图1 MiniPIX探测器实物图
经过多年的市场和实验验证，MiniPIX在实现光学元件的在线装调、X射线光斑分布和能量测量等众多场景的调光应用均展现出非常优异的性能，解决了调光过程中的诸多痛点和难点问题。
图2 利用平板探测（左图）和MiniPIX探测器（右图）对准直型毛细管光源光斑测试的结果。MiniPIX探测器可以获得光斑的位置、尺寸和光强分布信息。
图2展示了利用平板探测器和MiniPIX对一个准直型毛细管光源光斑测试的结果。可以看出，对于传统平板探测器而言，受探测器灵敏度限制，要想获得清晰的光斑图像，需要较高通量的X射线照射或较长的曝光时间。并且为了更好的保证毛细管耦合的X射线光源是否达到最佳输出效果，还需要利用SDD探测器对X射线输出的光通量进行记录。这个过程一般需要多次重复调试，极大地增加了调光操作的复杂性。
得益于高的探测灵敏度，MiniPIX探测器能够在低功率X射线运行条件下，实现在更短的曝光时间内准确获得光斑的位置、尺寸和光通量信息，同时利用其阈值扫描功能还可以观察不同能量X射线的光斑分布。
这很好地解决了传统平板探测器低灵敏度和占空大等对X射线调光所带来的阻碍，也减少了操作人员受辐射照射的剂量风险，大大提高了调光操作的安全性。
除了实现日常实验调光应用外，利用MiniPIX探测器进行实验前期射线束的精细调节，优化系统空间几何结构对提升系统效率和分辨率也至关重要。
图3 基于MediPIX3RX探测器的光束位置在线监测实验系统LancelotRX（左图）及其实验操作原则（右图）[1]。
2017年英国曼切斯特大学联合钻石光源等研究人员搭建了一套多功能能谱成像系统LancelotRX[1]。
系统集成了基于MediPIX3RX芯片的混合光子计数探测器，可以实现 I19 和 I24 线站的光束质量检测，如图3所示。利用康普顿散射成像原理，在尽可能不改变光束传播的前提条件下，通过MediPIX3RX探测器对散射光进行成像探测，实现了光束位置和通量的在线监测。
结果表明，系统在17.6倍的放大倍率，可以实现的最小空间分辨率为3 μm，单张图像的采集时间为10 ms（主要受散射光强度限制），这都得益于MediPIX3RX探测器具有小像素尺寸、高灵敏度、高帧率和无噪声成像等优点。如图4展示了利用高斯拟合的I24线站光束质心位置和光通量随时间的变化，该结果和钻石光源本身采用的频率为10 min的恒流注入运行模式结果一致。
图4 LancelotRX系统监测的光束成像结果（左图）及通过高斯拟合得到的质心位置和光通量随时间变化曲线（右图）[1]。
2022年中国科学院大学的研究小组利用WidePIX混合光子计数探测器探索了球面弯曲晶体对X射线的聚焦特性，装置原理如图5所示[2]。在基于球面弯曲晶体的谱仪结构中，由于X射线在沿弧矢方向和子午方向的光程差不同，在两个方向表现出不同的聚焦长度，常规的硅漂移探测器（SDD）只能够实现X射线的计数和能量分辨，不具备X射线焦斑的成像功能，因此在实际调光过程中无法利用SDD对X射线聚焦位置进行可视化。
像素化的混合光子计数探测器具备X射线光子的计数、位置和能量探测功能，同时比SDD探测器具有更高的计数率。图6展示了WidePIX探测器在罗兰圆结结构谱仪聚焦和离焦条件下对X射线焦斑的成像结果，通过可视化焦斑的形状，能够有助于精细调节系统的聚焦几何，确定焦平面位置，保证系统的能量分辨率更接近理论值。
图5 罗兰圆结构谱仪装置（左图）和球面弯曲晶体的聚焦原理（右图）[2]。
图6 利用WidePIX探测器在罗兰圆结构谱仪聚焦和离焦的不同位置处对X射线焦斑的成像结果[2]。
精细的光路调节对于同步辐射实验表征至关重要，对于实验室X射线表征更是如此。相比于同步辐射光源，实验室X射线光管光通量低，光子的有效利用率直接决定了系统的效率和能够实现的时间分辨率。2022年赫尔辛基大学的Huotari团队成员采用了捷克Advacam公司提供的MiniPIX探测器，用于实验室X射线吸收谱仪的光路调节，并研究了CuI样品原位加热氧化过程的XANES光谱变化，如图7所示。采用10°的掠入射方式能够在样品上获得大面积的线焦照明光斑，以优化测试样品的荧光产额，最终在探测器上获得了3700/s的高计数率。如图8展示了CuI样品原位加热氧化为CuO的XANES光谱变化，能够明显观测到Cu的K能量吸收边的偏移。
得益于该光路结构的精细调节，使得光子利用率和荧光产额都实现了最优化，整个系统的效率得到了约300倍的提升[3]。
图7 MiniPIX探测器和样品支架（左图）及X射线在样品上的照明和在探测器上的成像结果（右图）[3]。
图8 CuI样品原位加热氧化过程的XANES谱，时间分辨率为400s[3]。
总 结
通过以上几个典型案例，我们可以发现，不管是基于同步辐射光源还是基于实验室X射线源的光路系统，光路的精细调节是实现高空间分辨率、高能量分辨率和高时间分辨率表征的重要前提。采用光子计数、像素化的X射线探测器进行调光可以同时实现光斑位置、形状、光通量，甚至光子能量的探测，已经成为X射线实验表征的重要辅助工具。
关于Advacam
About
Advacam S.R.O.源自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 样机，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。
参考文献
[1] T.B. Garcia-Nathan, A. Kachatkou, C. Jiang, D. Omar, J. Marchal, H. Changani, N. Tartoni, R.G. van Silfhout. Compact and portable X-ray imager system using Medipix3RX. JINST, 2017, 12, C10011.
[2] Zhang KY, Liu X, Liu P, Yang XW, Weng T. X-ray focal properties of spherically bent crystals for synchrotron and XFEL spectroscopy. Proc. SPIE, 2022, 12169, 12169H.
[3] Kallio AJ, Weiß A, Bes R, Heikkilä MJ, Ritala M, Kemell M, Huotari S. Laboratory-scale X-ray absorption spectroscopy of 3d transition metals in inorganic thin films. Dalton Trans. 2022, 51, 18593.
内容 Garret
审核 凯文
编辑 小乔
