基于PIN二极管的EUV / X射线探测器
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Rigaku xPIN计量探测器是一种基于PIN二极管的EUV / X射线探测器，具有紧凑灵活的设计，是实验室光源强度监测和光学对准的理想工具。适用于从实验室设备的校准和测试到光源强度的长期精确监测等各种应用，是任何EUV/X射线实验室不可缺少的理想专业工具。
如图1所示，该探测器可用作手持式监视器或固定在光学台上，探测器有自己的长寿命内部电池，充电或供电操作可以通过标准USB电缆从任何USB设备；当连接到PC时，USB电缆也用于数据传输。多种类型的二极管可选使得Rigaku xPIN能够用于广泛的能量范围，涵盖EUV到x射线辐射，如图2所示。
图1.Rigaku xPIN读出单元（左图/中图），二极管探头（右图）
图2.Rigaku xPIN装载的标准二极管类型，其他类型可定制
EUV版本的Rigaku xPIN装载了OPTO DIODE生产的AXUV或SXUV系列二极管，从NIR到软X射线波段有非常高的量子效率和响应度，如图3所示。AXUV和SXUV系列与传统的二极管相比，表现出非常低的暗噪声，优异的量子效率、稳定性、空间均匀性，大动态范围，以及超高真空兼容。
由于这些独特的性能，它们已经成功应用于SOHO、GOES等太空望远镜，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的环形加速器实验，世界各地的同步辐射和聚变研究实验室。同样也被广泛用于EUV光刻、软x射线显微镜、XUV光谱和等离子体诊断研究。AXUV表面带有6-8 nm的SiO2钝化层，对于UV / EUV的响应度较高，但SiO2钝化层在接受高达几个Grad辐照剂量后，SiO2出现辐照缺陷，会发生表面复合现象，导致响应度略微下降。而SXUV系列则是专为同步辐射和准分子激光器等高通量水平的应用检测而开发的，表面采用金属硅化物，辐照硬度更强，更适合脉冲辐射检测，尤其是在脉冲光能量密度高于0.1μJ/cm2时，但在UV / EUV附近的响应度会低于AXUV系列。
图3. AXUV100GDS响应度曲线(上)，SXUV100DS响应度曲线(下)
Rigaku xPIN的一般在光伏模式下工作，具有极低的暗电流和良好的温度稳定性，也可以在光导模式下工作，拓展量程从200nA到20μA。读出单元采用科学级数字直流nA表，分辨率达1pA。并且集成sigma-delta ADC，能以每秒10次的采样频率输出和显示光电流。Rigaku xPIN还可以添加内嵌的脉冲整形器来实现重频大于100Hz的脉冲光测量，可以通过测量到的平均光电流、响应度和已知的脉冲重频，反推到单发脉冲的功率。
在计量实验中，通常需要标定二极管的响应度。Rigaku xPIN能为有度量需求的客户提供PTB同步辐射的标定服务，如图4所示，为搭载SXUV100DS的Rigaku xPIN在PTB的13.5nm光下标定的响应度，并对整个探测靶面进行mapping。
图4. 经PTB标定的SXUV100DS在13.5nm的响应度
当特定光子能量下的响应度被精确标定后，输入该能量的单能光子，可以得到度量后的平均输入功率和光子数。在输入二极管类型、指定能量、响应度、光源重频后，Rigaku xPIN的操作软件可以实时显示并记录平均光电流、平均光通量或单发光通量，如图5所示。
图5. Rigaku xPIN操作软件便于用户计算光通量
此外，灵活的定制能力为用户提供更便利的安装方式。Rigaku xPIN可在二极管前端集成可更换的滤片，如200nm的Zr滤片等，当滤片损坏或污染，可以快速更换。真空法兰可搭配CF或KF法兰，利用真空内线缆连接二极管，也可以将二极管固定在真空法兰上，如图6所示。
图6. 二极管通过KF40法兰和真空线缆连接(左图)，二极管固定在真空法兰上(右图)
装载XR50-OS或XR100-OS二极管的Rigaku xPIN可用于实验室X射线光源的强度监测和光学对准，包括常规的Cu靶、Mo靶X射线光管或液态金属流光源。XR50-OS二极管具有300μm硅传感器厚度，在6~8keV附近有最高的响应度，大约为0.25A/W。柏林工业大学的研究人员在微区XRF实验中，使用了Rigaku xPIN进行光学对准。如图7所示，在液态金属流光源前放置一个聚焦型多毛细管透镜，在激发端90度处放置SDD探测器，在激发端和探测端45度的位置放置样品。
将Rigaku xPIN放置在多毛细透镜后面，通过实时监测Rigaku xPIN上的光电流变化，可实现系统光学对准以及测量过程中的对准控制。
图7.Rigaku xPIN用于μXRF的光学对准
德隆大学的研究人员在X射线显微CT实验中，使用了Rigaku xPIN进行光源强度测量以及长期稳定性表征。如图8所示，右侧为微焦点Cu靶光源，中间为样品台，左侧为透镜耦合相机。在实验开始前，利用Rigaku xPIN在光源前42mm处测量光源强度，经过换算光强大约在4^10ph/s，在64小时连续监测过程中，光通量稳定，仅有很小的波动。
此外，最近ELI Beamline的研究人员在新投入使用的1 kHz超快激光驱动Cu靶等离子体X射线源中，使用了Rigaku xPIN进行单发X射线通量的测量。经过简单改造，即增加50V高偏压和高频示波器后，该二极管能以1kHz的重复频率捕获每一脉冲的X射线强度信息，为实验提供有效的参考数据。
图8.Rigaku xPIN用于显微CT中光源的强度和稳定性监测
关于Rigaku：
Rigaku Innovative Technologies Europe s.r.o. (下简称“RITE”)于2008年在捷克首都布拉格成立 ，配有多个专业的X射线实验室，RITE前身却在业内有着超过50年的发展历史。团队创始成员来自捷克科学院和捷克理工大学，参与了多项（原）捷克斯洛伐克空间探测项目，是目前捷克X射线光学领域的领先研究学者。凭借自身在X射线、极紫外光学领域多年的积累，RITE秉承着开放合作的理念，向全球的工业客户、实验室科研用户提供标准或定制型 EUV/X-RAY光学镜片和高分辨X射线相机等。
北京众星联恒科技有限公司作为捷克RITE公司中国区授权总代理商，为中国客户提供RITE所有产品的售前咨询，销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的EUV、X射线产品及解决方案。如果您有任何问题，欢迎联系我们进行交流和探讨。
参考文献：
1. Bauer L J, Gnewkow R, Förste F, et al. Increasing the sensitivity of micro X-ray fluorescence spectroscopy through an optimized adaptation of polycapillary lenses to a liquid metal jet source. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2021, 36(11): 2519-2527.
2. Dierks H, Stjärneblad P, Wallentin J. A versatile laboratory setup for high resolution X-ray phase contrast tomography and scintillator characterization. Journal of X-ray Science and Technology, 2023, 31(1): 1-12.
3. Pulnova Y, Parkman T, Angelov B, et al. Compact laser-driven plasma X-ray source for time-resolved diffraction, spectroscopy, and imaging experiments at ELI Beamlines. arXiv preprint arXiv:2410.03313, 2024.
内容 β · Lee
审核 Yee
编辑 小乔
