新型自由電子激光X射線探測(cè)器 ePix10k，每秒可獲1000張圖像
新型ePix X射線探測(cè)器每秒可拍攝1000張圖像，并已在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室APS的BioCARS實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試過程中用相機(jī)記錄的這段視頻顯示了一種晶體散射花樣的改變。
同步輻射與自由電子激光通常都用于研究自然界中一些肉眼無法觀察到的超快現(xiàn)象。這些裝置可產(chǎn)生的超亮且超快的X射線，就像巨大的頻閃燈一樣，“凍結(jié)”了快速的運(yùn)動(dòng)，它們可以捕捉到分子、原子的動(dòng)態(tài)影像，研究人員就能夠拍出清晰的快照，探究看不見的微觀世界的秘密，為人類對(duì)自然的研究工程服務(wù)。
美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了新一代的X射線探測(cè)器ePix10k,新的探測(cè)器每秒最多可獲1000張圖像，速度約是上一代的10倍。這大大提高了光源的有效利用率，即每秒可發(fā)射數(shù)千次x射線。相比于舊款ePix及其它探測(cè)器，ePix10K可以處理強(qiáng)度更高的X射線，同時(shí)靈敏度提高了3倍，且像素高達(dá)200萬。
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ePix10k概述
ePix10K 是由SLAC開發(fā)的一種用于自由電子激光裝置（FEL）的混合像素探測(cè)器，可通過自動(dòng)調(diào)節(jié)增益提供超高探測(cè)范圍（245 eV至88 MeV）。它具有三種增益模式（高，中和低）和兩種自動(dòng)調(diào)節(jié)增益模式（高至低和中至低）。
首批ePix10K探測(cè)器圍繞模塊構(gòu)建，該模塊由與4個(gè)ASIC結(jié)合的傳感器倒裝芯片組成，從而產(chǎn)生352×384個(gè)像素，每個(gè)像素100 μm x 100 μm。
ePix10K由兩個(gè)主要的核心部分組成：感光傳感器和專用集成電路（ASIC）。后者處理傳感器采集的信號(hào)，賦予ePix10K獨(dú)特的性能。
以前的探測(cè)器（例如LCLS科學(xué)家使用了幾年的ePix100）經(jīng)過定制，可以在x射線激光每秒120脈沖的發(fā)射速率下最大化性能。SLAC的探測(cè)器團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了該技術(shù)，現(xiàn)在它每秒可以捕獲1,000張圖像。
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ePix10k的主要規(guī)格
Specification | 135k,2M |
of Pixels/module | 384 x 352 |
Pixel Size | 100μm |
Active Area Dimensions | 38.4 x 35.2mm2 |
Max signal(8 keV photons equivalent) | 11000 |
Frame rate (Hz) | 120 Hz (or up to 1kHz) |
Sensor thickness (μm) | 500 |
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ePix10k的應(yīng)用
SLAC的ePix 旨在滿足使用強(qiáng)大X射線光源研究化學(xué)、生物和材料的原子細(xì)節(jié)的科學(xué)家的特定需求。它們速度快，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定并且對(duì)大范圍的X射線強(qiáng)度敏感，這意味著它們可以處理非常明亮的X射線束以及單個(gè)光子。
ePix10k將成為SLAC的直線加速器相干光源（LCLS） X射線激光器中X射線科學(xué)的新主力，它也將使其他設(shè)備受益。美國(guó)能源部的Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源（APS）和歐洲XFEL已經(jīng)在使用該技術(shù)。
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具體案例
去年，研究人員把ePix10k帶到了APS的BioCARS光束線站，這是一個(gè)研究生物學(xué)和化學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)站。
該線站使用了一種被稱為時(shí)間分辨串行晶體學(xué)的技術(shù)，研究人員用激光照射微小晶體，并使用APS 的X射線探究晶體的原子結(jié)構(gòu)如何響應(yīng)激光刺激。
“我們將這種方法應(yīng)用于蛋白質(zhì)，例如，了解酶如何催化重要的生物反應(yīng)，”芝加哥大學(xué)的BioCARS運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Robert Henning說，“原則上，我們可以在APS上以每秒1,000個(gè)X射線脈沖的速度進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，但是大多數(shù)探測(cè)器無法處理與該速率相關(guān)的全部強(qiáng)度?！?/span>
新的探測(cè)器將使科學(xué)家充分利用X射線源的能量，節(jié)省大量時(shí)間。Henning說：“要獲得完整的數(shù)據(jù)，我們通常需要拍攝數(shù)千張X光照片，能夠利用到APS的每一個(gè)脈沖，將減少完成這一任務(wù)所需的時(shí)間?！?/p>
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ePix10k系列前景
SLAC的探測(cè)器團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)在開發(fā)新一代的探測(cè)器ePixHR，它將能夠每秒拍攝5,000到25,000張圖片。SLAC的最終目標(biāo)是每秒能得到10萬張圖片?！?/span>
此外，該團(tuán)隊(duì)正在研究一種革命性的新型探測(cè)器SparkPix，它將能以LCLS-II發(fā)射X射線脈沖的高速率采集圖像并實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)。
參考資料
【1】G. Blaj, A. Dragone, C. J. Kenney, F. Abu-Nimeh, P. Caragiulo, D. Doering, M. Kwiatkowski, B. Markovic, J. Pines, M. Weaver, S. Boutet, G. Carini, C.-E. Chang, P. Hart, J. Hasi, M. Hayes, R. Herbst, J. Koglin, K. Nakahara, J. Segal and G. Haller,“Performance of ePix10K, a high dynamic range, gain auto-ranging pixel detector for FELs.”AIP Conference Proceedings 2054, 060062 (2019) ,submitted.
【2】P. Caragiulo et al., "Design and characterization of the ePix10k prototype: A high dynamic range integrating pixel ASIC for LCLS detectors," 2014 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), Seattle, WA, 2014, pp. 1-3, doi: 10.1109/NSSMIC.2014.7431049.
【3】
https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-08-20-new-x-ray-detector-snaps-1000-atomic-level-pictures-second-natures-ultrafast