混合像素探測(cè)器技術(shù)最初是為了滿足歐洲核子中心（CERN） 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC 粒子追跡需求而開(kāi)發(fā)的。來(lái)自CERN和一些外部合作小組的研究人員看到了將混合像素探測(cè)器技術(shù)應(yīng)用到高能物理以外領(lǐng)域的機(jī)會(huì)，于是Medipix1 Collaboration 誕生了。

Timepix系列是從 Medipix系列開(kāi)發(fā)演變而來(lái)的，用于探測(cè)單個(gè)粒子的探測(cè)以獲得時(shí)間、空間、能量信息，歷經(jīng)Timepix2，Timepix3，目前Timepix4正在開(kāi)發(fā)中，其目標(biāo)是獲得更好的空間和時(shí)間分辨能力。Timepix3 是一種通用集成電路，適用于讀出半導(dǎo)體探測(cè)器和充氣探測(cè)器，可以同時(shí)獲得入射粒子或輻射的到達(dá)時(shí)間、空間及能量信息。與 Timepix1 相比，Timepix3具有更多功能、更好的時(shí)間分辨率和更先進(jìn)的架構(gòu)，可用于零抑制的連續(xù)稀疏數(shù)據(jù)讀出。

上一篇文章我們著重介紹了有關(guān)Timepix3芯片原理的基礎(chǔ)知識(shí)：Timepix3芯片原理及應(yīng)用介紹(原理篇)。

這一章為應(yīng)用篇，主要內(nèi)容是基于Timepix3/Timepix芯片的光子計(jì)數(shù)、像素化探測(cè)器的最新應(yīng)用。

四維掃描透射電子顯微鏡(4D STEM)可詳細(xì)記錄了電子在材料中的散射。4D STEM提供的好處是巨大的，它提供了豐富的數(shù)據(jù)，例如，通過(guò)質(zhì)心或ptychography為基礎(chǔ)的分析提供了高精度、高電子劑量效率的相位成像。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，需要在每個(gè)探頭位置記錄二維散射圖像嚴(yán)重限制了4D STEM的掃描速度。近年來(lái)相機(jī)技術(shù)的進(jìn)步大大提高了掃描速度，直接電子探測(cè)器的探測(cè)效率特別適合4D STEM。然而，即使是高幀率像素探測(cè)器，數(shù)據(jù)容易漂移，用于4D STEM，掃描速度仍然受到了顯著限制，得到的數(shù)據(jù)容易漂移。高幀率像素探測(cè)器也不適合用于低劑量光束敏感應(yīng)用。

比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)jo.verbeeck教授和他的研究團(tuán)隊(duì)基于Advacam公司的AdvaPIX探測(cè)器改造了一臺(tái)基于事件驅(qū)動(dòng)的 Timepix3 直接電子探測(cè)相機(jī)，將 4D STEM 停留時(shí)間降至 100 ns，比基于幀讀出直接電子探測(cè)相機(jī)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)用不同加速電壓對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了表征，結(jié)果表明Timepix3直接電子探測(cè)相機(jī)特別適用于低劑量成像，和傳統(tǒng)的 STEM 成像技術(shù)相比，可以在不影響停留時(shí)間的情況下提供豐富的數(shù)據(jù)。

RaDron項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一種小型設(shè)備，用于快速定位靜態(tài)或移動(dòng)的伽馬輻射源，并將其集成到一架小型自主飛機(jī)(無(wú)人機(jī))中。將來(lái)，探測(cè)器將被改裝成手持輻射成像儀，并作為手機(jī)附件使用。

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用于快速定位輻射源的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)-來(lái)自ADVACAM和捷克理工的專家正在將未來(lái)的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

RaDron|用于自主搜索并快速定位伽馬輻射源的輻射探測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)展順利

微通道板 (MCP)探測(cè)器有以高空間分辨率 (<10 mm) 和時(shí)間分辨率(<25 ps) 探測(cè)單光子的能力。盡管這種探測(cè)技術(shù)最初是為低事件率的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，但讀出電子設(shè)備的最新進(jìn)展，使這種技術(shù)能夠以更高的速度同時(shí)探測(cè)多個(gè)粒子。美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和肯塔基大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究了Timepix讀出芯片和MCP組合的探測(cè)器在需要記錄每個(gè)光子的位置和到達(dá)時(shí)間的軟 X 射線成像和光譜應(yīng)用中的潛在用途。在 Advanced Light Source 進(jìn)行的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了MCP/Timepix 探測(cè)器能在相對(duì)較高的輸入計(jì)數(shù)率下工作，為這些探測(cè)器在共振非彈性 X 射線散射和 X 射線光子相關(guān)光譜 (XPCS) 應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。原理性實(shí)驗(yàn)研究了 MCP/Timepix 探測(cè)器的局部計(jì)數(shù)率飽和度，這是特定散射圖樣需要優(yōu)化的數(shù)據(jù)獲取參數(shù)。為消除探測(cè)器電荷擴(kuò)散效應(yīng)，提高空間分辨率至亞像素水平，開(kāi)發(fā)了單光子簇（cluster）分析算法。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果將指導(dǎo)未來(lái) MCP 設(shè)備的持續(xù)開(kāi)發(fā)，并針對(duì)軟 X 射線光子計(jì)數(shù)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，這將使 XPCS 動(dòng)態(tài)測(cè)量能夠降至亞微秒時(shí)間尺度。

參考文獻(xiàn)：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).

MiniPIX TPX探測(cè)器，采用Timepix ASIC和 300 μm Si傳感器（左）和從測(cè)量中獲得的示例圖像（右）。團(tuán)簇是由水中鉛直質(zhì)子束混合輻射場(chǎng)中的不同粒子產(chǎn)生的。低LET、窄、卷曲的團(tuán)簇是電子的典型特征，高 LET、寬、直的簇是高能帶電重粒子（如質(zhì)子）的特征，而低 LET、直的簇是光子的典型特征。在圖像的右側(cè)，顯示了重疊簇的示例。

質(zhì)子治療鉛直束的精確表征對(duì)于任何治療程序系統(tǒng) (TPS) 的調(diào)試都是必不可少的。劑量分布特征包括在所謂的低劑量包絡(luò)中測(cè)量質(zhì)子束中心和遠(yuǎn)離中心的劑量剖面，并且需要具有幾個(gè)數(shù)量級(jí)動(dòng)態(tài)范圍的復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)。來(lái)及芬蘭、法國(guó)、捷克和意大利的研究團(tuán)隊(duì)使用了單光子靈敏的 MINIPIX TIMEPIX 探測(cè)器以及內(nèi)部設(shè)計(jì)的支架來(lái)測(cè)量空氣和水中的質(zhì)子束劑量分布。研究人員使用各種能量質(zhì)子束，驗(yàn)證了 MINIPIX TIMEPIX 探測(cè)器出廠能量刻度，將得到能譜與蒙特卡羅 (MC) 模擬能譜進(jìn)行了比較。剖面劑量分布測(cè)量的精度用克拉科夫質(zhì)子設(shè)施調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，用 MC 代碼 GATE/Geant4 和 FRED 進(jìn)行劑量分布模擬。MINIPIX TIMEPIX 測(cè)量和模擬之間有極好的一致性，證明了該系統(tǒng)對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行簡(jiǎn)單表征和驗(yàn)證的可行性，表明此方法可以在任何質(zhì)子治療設(shè)施中實(shí)施，以獲取調(diào)試、驗(yàn)證分析和基于蒙特卡羅(MC) 的治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：Stasica, Paulina, et al. "A simple approach for experimental characterization and validation of proton pencil beam profiles." Frontiers in Physics (2020): 346.

CdTe Timepix3 是一種光子計(jì)數(shù)半導(dǎo)體探測(cè)器，能夠同時(shí)測(cè)量每個(gè)入射 X 射線光子的能量和到達(dá)時(shí)間。高空間分辨率和CdTe 的高量子效率，高效率使其可用于多種成像應(yīng)用，例如 X 射線相襯成像 (XPCI)。

XPCI 依賴于 X 射線在穿過(guò)樣品時(shí)的相移。本研究側(cè)重于自由空間傳播 XPCI 和單掩模邊緣照明 XPCI 方法，這兩種方法非常適合實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。

由于這兩種技術(shù)都對(duì)電荷共享高度敏感，基于Timepix3探測(cè)器獲得的每個(gè)光子能量和時(shí)間信息，使用像素簇分析方法可以將電荷共享的影響減小到最低程度。此外，研究人員使用探測(cè)器的能量分辨能力研究了兩種 XPCI 技術(shù)在 30kVp 源光譜中的性能。在這兩種情況下，相位對(duì)比度和信噪比 (SNR) 都被評(píng)估為能量的函數(shù)。最后，對(duì)兩種 XPCI 技術(shù)，證明了像素簇分析和能量選擇用于相位襯度是可行的。

參考文獻(xiàn)：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.

空間、放射治療、環(huán)境和輻射監(jiān)測(cè)等應(yīng)用需要緊湊型儀器的遠(yuǎn)程和簡(jiǎn)化部署，同時(shí)需要實(shí)時(shí)評(píng)估數(shù)據(jù)。直接在探測(cè)器上處理數(shù)據(jù)，而不是在外部計(jì)算機(jī)/PC中處理，將是有價(jià)值且非常實(shí)用的。性能、處理速度、分辨率、功耗和檢測(cè)器操作占空比之間的平衡是必要的。來(lái)自捷克、荷蘭和波蘭的研究團(tuán)隊(duì)基于MiniPIX TP3探測(cè)器設(shè)計(jì)這一套系統(tǒng)，提供了對(duì)于主要輻射成分、粒子通量和劑量率的有限分辨能力。

參考文獻(xiàn)：

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.

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Advacam S.R.O.源至捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機(jī)和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探制器（應(yīng)用CERN Timepix、Medipix芯片），沒(méi)有拼接縫隙（No Gap），因此在無(wú)損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、空間探測(cè)、藝術(shù)品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam與NASA（美國(guó)航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長(zhǎng)期良好的項(xiàng)目合作關(guān)系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應(yīng)用提供定制化粒子探測(cè)系統(tǒng)。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克Advacam公司中國(guó)區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術(shù)，并探索和推廣光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應(yīng)用于空間輻射探測(cè)、X射線小角散射、X射線光譜學(xué)、X射線應(yīng)力分析和X射線能譜成像等領(lǐng)域。同時(shí)我們也有數(shù)臺(tái)MiniPIX樣機(jī)，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的樣機(jī)，我們也非常期待對(duì)我們探測(cè)器感興趣或基于探測(cè)器應(yīng)用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。