MiniPIX多功能探測(cè)器用于提升基于羅蘭圓幾何的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀性能
X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)（XAFS）是一種重要的材料表征方法，通過(guò)X射線吸收、熒光發(fā)射等可以獲得材料的元素種類、價(jià)態(tài)及配位結(jié)構(gòu)等組成結(jié)構(gòu)信息。早期的高分辨X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（HR-XAFS）測(cè)試主要依賴于單色性好、亮度高、連續(xù)能量可調(diào)的同步輻射光源，這極大地限制了XAFS在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)室X射線光源、高質(zhì)量彎晶及X射線探測(cè)器等X射線核心元器件的發(fā)展，基于羅蘭圓幾何、非掃描von Hamos幾何等的實(shí)驗(yàn)室X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀也開(kāi)始出現(xiàn)，并已成功應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域[1]。
盡管如此，高能量分辨率和高探測(cè)效率仍然是實(shí)驗(yàn)室X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀不斷追求和發(fā)展的方向[2-4]。
今天我們將介紹基于MiniPIX的光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測(cè)器（或混合像素X射線探測(cè)器）在羅蘭圓幾何的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀中的應(yīng)用及其對(duì)譜儀性能的提升。
在羅蘭圓幾何的掃描系統(tǒng)中，所有的晶體點(diǎn)陣面被彎曲成曲率半徑為2R的圓弧，高功率的X射線源、分光晶體和探測(cè)器分別放置于半徑R的羅蘭圓周上，X射線經(jīng)球面分光晶體單色并聚焦于探測(cè)面，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)分光晶體到羅蘭圓上不同位置，可以得到不同的入射角度，探測(cè)器在相應(yīng)的聚焦位置就可以探測(cè)到不同能量的X射線。這種單色光入射測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于可以獲得高能量分辨率的光譜數(shù)據(jù)。
但實(shí)際上，X射線源的尺寸、分光晶體的達(dá)爾文寬度以及及系統(tǒng)的幾何像差等都可能導(dǎo)致羅蘭圓幾何系統(tǒng)的能量分辨率惡化[2]。傳統(tǒng)應(yīng)用于該幾何系統(tǒng)中的硅漂移（SDD）探測(cè)器的能量分辨率通?？梢赃_(dá)到100 eV以上，根本無(wú)法甄別由系統(tǒng)幾何像差引起的分辨率的能量展寬。
具有像素化特點(diǎn)的光子計(jì)數(shù)像素化X射線探測(cè)器是一類新興的X射線探測(cè)器，具有無(wú)噪聲、高效率和單光子探測(cè)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)X射線能量、位置和時(shí)間信息的采集。由于光子計(jì)數(shù)像素化X射線探測(cè)器的單個(gè)像素尺寸對(duì)應(yīng)的能量帶寬是遠(yuǎn)小于羅蘭圓幾何像差導(dǎo)致的能量展寬的，因此將其應(yīng)用于羅蘭圓幾何的譜儀系統(tǒng)中，通過(guò)能量步進(jìn)掃描的方式，可以建立探測(cè)器單個(gè)像素和能量帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，如果只針對(duì)探測(cè)面上沿分光晶體子午方向的中心單排像素陣列進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，理論上是可以極大提高羅蘭圓幾何譜儀的能量分辨能力。
為了印證這一理論猜想，2005年Huotari等人在歐洲同步輻射（ESRF）ID16線站上搭建了一套羅蘭圓幾何的X射線譜儀，在近背散幾何（入射的布拉格角近90°，此時(shí)約翰幾何的像差最?。┑那闆r下，使用基于MediPIX2芯片的混合光子計(jì)數(shù)探測(cè)器對(duì)單色聚焦的光子數(shù)目進(jìn)行采集[2]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖2所示，可以看到，采用單排像素陣列計(jì)數(shù)（PSD）得到的分辨率測(cè)試結(jié)果明顯優(yōu)于所有像素陣列積分（PISD）得到的測(cè)試結(jié)果。
為了進(jìn)一步探索這種光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測(cè)器對(duì)實(shí)驗(yàn)室X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜儀系統(tǒng)能量分辨率的影響，2021年來(lái)自赫爾辛基大學(xué)的Zaka博士及其研究團(tuán)隊(duì)首次將ADVACAM公司提供的基于TimePIX3芯片的MiniPIX探測(cè)器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室羅蘭圓幾何的X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜測(cè)試，并對(duì)比分析了使用和未使用像素色散補(bǔ)償機(jī)制兩種情況下幾種含鐵材料的光譜質(zhì)量，結(jié)果如圖3所示[5]。從這幾組對(duì)比的光譜數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，盡管未經(jīng)處理的原始光譜數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠區(qū)分出材料中不同價(jià)態(tài)的Fe的能量吸收邊位置，但和同步輻射測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果相比，光譜表現(xiàn)出明顯的能量展寬，難以滿足更高能量分辨（尤其是混價(jià)金屬）的實(shí)驗(yàn)測(cè)試需求。相比之下，經(jīng)像素色散補(bǔ)償處理的光譜數(shù)據(jù)，由于極大消除了由光源尺寸、系統(tǒng)幾何像差等引起的能量展寬，光譜的分辨率得到顯著提升。
MiniPIX探測(cè)器使得XAFS-CT聯(lián)合系統(tǒng)成為可能
多種分析技術(shù)聯(lián)用是當(dāng)前材料分析表征重要的發(fā)展方向，多種方法相互融合能夠使材料表征趨向快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便和自動(dòng)化。在羅蘭圓幾何的掃描系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)整不同元素吸收邊緣的入射X射線能量，采用混合光子計(jì)數(shù)探測(cè)器可以將CT與XAFS技術(shù)聯(lián)用獲得材料元素在2D或3D圖像中的化學(xué)映射。2023年赫爾辛基大學(xué)的研究小組將MiniPIX混合光子計(jì)數(shù)探測(cè)應(yīng)用于羅蘭圓幾何的成像譜儀，通過(guò)在元素不同吸收邊能量下采集并剪影得到了不同價(jià)態(tài)的硒物種（Se、Na2SO3和Na2SO4）在PMMA材料中的分布圖像，如圖5所示?？梢钥吹?，得益于MiniPIX探測(cè)器無(wú)噪聲和對(duì)X射線探測(cè)高靈敏度的特點(diǎn)，在非常短的時(shí)間內(nèi)便可獲得高質(zhì)量的成像和光譜數(shù)據(jù)。
圖4 XAFS-CT聯(lián)用系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖（左圖）和實(shí)物照片（右圖）。圖中應(yīng)用了基于TimePIX芯片的MiniPIX探測(cè)器[5]。
圖5 采用MiniPIX探測(cè)器在不同吸收邊能量條件下采集并剪影得到的不同價(jià)態(tài)硒物種（Se、Na2SO3和Na2SO4）的3D可視化（左上圖）和2D分布（下圖）圖像及Se的K邊吸收光譜圖（右上圖）。單個(gè)圖像采集時(shí)間為100s[6]。
光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測(cè)器（或混合像素X射線探測(cè)器）的基本結(jié)構(gòu)、原理和工作模式
關(guān)于多功能Minipix探測(cè)器
關(guān)于Advacam
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)。
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編輯 凱爾西
參考文獻(xiàn)
[2] Huotari, S., et al. Improving the performance of high-resolution X-ray spectrometers with position-sensitive pixel detectors. J. Synchrotron Rad. 12, 467–472 (2005).
[3] Honkanen, A. P., et al., Improving the energy resolution of bent crystal X-ray spectrometers with position-sensitive detectors. J. Synchrotron Rad. 21, 762–767 (2014).
[4] Genz, N. S., et al., Operando Laboratory-based X-ray AbsorptionSpectroscopy: Guidelines for Newcomers in the Field. Chemistry-Methods 4, e202300027 (2024).
[5] Zaka, A. et al. Energy resolution improvement of a laboratory scale X-ray absorption spectrometer using a position-sensitive detector. Finland, University of Helsinki (2021).
[6] Honkanen, A. P., et al., Monochromatic computed tomography using laboratory-scale setup. Sci. Rep. 13, 363 (2023)