X射线探测|先锋科技(香港)股份有限公司
技术文章

X射线探测

直接和间接探测

针对不同的x射线应用,不管是影像,还是光谱,Andor都可以提供全面的CCD探测系统。根据应用和能量不同,这些系统可以放置在真空内使用,或者通过法兰和真空腔相连,也可以是单独使用。另外,如果您的应用需要对x射线进行间接探测,Andor 也可以提供各种光纤耦合的CCD相机.
Andor高端x射线探测方案有益于如下各种应用:

  1. X射线/中子断层扫描
  2. X射线光谱
  3. X射线显微
  4. X射线光斑检测
  5. X射线衍射
  6. X射线平板印刷术
  7. X射线地形学
  8. 等离子体研究
  9. 医疗影像

汤姆森散射

X射线可以大致可以分为几个范围,虽然几个范围没有严格清晰的定义,但是大致可以如下分类:

  1. VUV 到XUV= 0.01 - 0.1 keV
  2. XUV 到 软X射线 = 0.1 - 1 keV
  3. 软x射线到硬x射线 = 1 - 10 keV
  4. 硬x射线 = 10 - 100 keV 

 


 电磁波及能量

公式1:单位换算

直接探测

 


在这类应用中,相机的感光芯片是直接暴露在入射射线中,这些射线光子被芯片中的灵敏的掺杂层所吸收,这样就产生几个电子空穴对。和间接探
测及传统的胶片成像相比,这种方法有如下优点:

  1. 更高的量子效率
  2. 单光子的灵敏度,且无需采用EMCCD或者ICCD
  3. 更好的空间及能量分辨率

直接探测相机中的量子效率

量子效率是光子被CCD探测到的可能性概率。然而我们要记住,在对x射线束流进行直接探测时,一个入射光子,能够产生几个光电子,这样就可以达到单光子的灵敏度。光电子产生的数量,和射线的能量有关,参见公式2.

公式2: 每个光子所能产生的光电子
直接探测中,每个像素所能产生的光电子数量=x射线光子能量/3.65
下图所示,是几款直接探测CCD的量子效率曲线。

 

 


FI 是前照明的芯片,FI-DD表示深度掺杂的选项,和前照的芯片相比,这个选项对于硬x射线有更好的响应。BN是背照明的芯片,只是没有增透膜(和BV选项恰恰相反),对于软x射线和中x射线有更好的响应。和前照明的芯片相比,BN选项除了有更高的响应外,BN选项对于芯片的保护有大幅提高的作用,可以有效防护因为过饱和所造成的芯片老化。对于直接探测,我们推荐BN选项的芯片。
CCD相机直接探测的优缺点:

 

优点

缺点

                        空间分辨率更好              

        单光子的灵敏度 

                  可以实现能量分辨          

                                 好的量子效率 响应线性                    

               
            高的动态范围 间接探测

对于>20keV的射线,不能探测

芯片大小受限(典型值为25*25mm)

芯片会逐渐损坏

 

间接探测


当您需要测量硬x射线,并且有如下要求时:(甚至在大的缩比光锥情况下,也需要单光子的灵敏度(EMCCD是更好的选项))

  1. 量子效率好,且能延伸至硬x射线范围
  2. 大面积(通过缩比光锥)
  3. 更高能量时,需要高的动态范围
  4. 需要对CCD进行防护时

直接探测用CCD相机,是利用在光锥前端面的荧光涂层,把x射线转换成可见光进行探测。对于间接探测用CCD,它的主要性能,比如量子效率,空间分辨率等等,取决于所选荧光屏的参数,比如,屏的厚度,化学成分以及颗粒大小等。
由Andor供应商提供的独特的荧光材料沉积方法,用于间接探测所用的光纤面板前,可以达到极其卓越的分辨率:和传统的批量沉积方法相比,分辨率可以提高四倍。量体裁衣,能够良好的匹配您的应用。

 

 

 


示例:用于光谱探测的光纤面板,带GdO荧光涂层

光纤面板镀了荧光涂层后,能够非常好的保护芯片避免因为x射线而老化。通过改善荧光屏的空间分辨率,再用EMCCD来提高灵敏度,对于5keV以下的能量,就能进行卓有成效的间接探测。

 

右图所示,加涂了荧光层的光纤面板CCD,对于入射光子的探测
效率,系统增益有了大幅提高。所谓的系统增益,是指对于每个入射射线光子,系统所能测试到的光电子。这里的系统增益,也和荧光涂层的类型,厚度及颗粒大小有关。也与CCD芯片的量子效率和光纤面板有关。
 

面所说的例子,是指在1:1光纤面板的涂层。荧光涂层优化用于5-25keV的能量,其转换峰值在15keV。 对于大面积的,缩比的光纤锥,系统增益自然会下降,这时,可以采用EMCCD的技术来把这种稍高高于噪声水平的弱信号进行放大,而读出速度可以达到几MHz,这对于快速的断层扫描类的应用非常适合。


间接探测的优缺点

 

优点

缺点

高动态范围        
EMCCD兼容-单光子灵敏度 
大靶面缩比光锥 
CCD芯片被光纤面板保护 
较宽的光子能量覆盖范围

低空间分辨率
低的能量分辨率

 

 


EMCCD在X射线探测中开创性的应用:
在x射线间接探测中,开创性的方法之一,就是最新一代的光纤耦合的EMCCD在其中的应用。通过大比例的缩比光纤,可以实现单光子的灵敏度及几MHz的读出速度。

Andor X射线应用相机

 

 
编号
 
描述
 
直接探测/间接探测
 
DO
 
耦合安装在真空外
 
直接探测+间接探测
 
DX
 
真空腔内使用
 
直接探测+间接探测
 
DY
 
独立使用
 
直接探测+直接探测
 
DV
 
VUV/XUV(到120nm) MgF2 窗口
 
直接探测
 
DF
 
光纤面板带荧光涂层,几MHz读出,(EMCCD可用)
 
间接探测

 

Andor 提供一系列专用的CCD和EMCCD相机,可以用于直接和间接探测,同时具有光谱和影像类的芯片格式。多个相机设计平台,可以适用于不同种类和尺寸的芯片,从128*128的EMCCD,到2K*2K的CCD. Andor针对不同的实验研发了各种x射线相机,系统包括独立使用的相机,真空腔耦合的相机,或者真空腔内使用的相机。


应用案例研究

射线激光器研发


贝尔法斯特女王大学的等离子体与激光反应物理研究分部的研究人员,在实验中采用了x射线相机。 其研究重点包括:

  1. 激光诱导等离子体(0.05-1KeV)
  2. X射线结晶学(1KeV左右)
  3. X射线激光研究(0.06-0.3keV)
  4. X射线光谱(0.04-0.4keV)

研究团队使用了多个X射线CCD相机。在如瑟夫阿普尔顿实验室利用Vulcan玻璃激光器装置,团队所从事的一个研究领域,就是研发x射线激光器。
研究所主要采用的芯片为1024*2048个像素,13um大小,背照明的量子效率。这款相机的量子效率很高,分辨率非常理想,并且靶面很大。相机采用开口设计,直接采用法兰连接到真空腔。同时使用平场谱仪和CCD相机对射线激光器光束进行分析。和相机连用的还有x射线光学器件,把x射线激光器成像到出口,从而实现激光器光斑的分析。

 

 


X射线激光光斑

另外一个研究领域,是对喷射电离气体的x射
线光谱分析。在女王大学,采用低温等离子体
(0.03-0.08keV)来对成像x射线镜
片作反射率特性分析。把Andor DO420相机
耦合到平场光谱仪上,等离子体及x射线反射
镜的反射光谱就可以得到。通过把等离子源所
造成的反射光谱分开,就可以得到波长所导致
的反射率变化。

本图片由贝尔法斯特,女王大学,等离子体与

激光反应物理研究分部的Lewis教授及其团队

提供。

 

高能激光反应实验


在如瑟夫阿普尔顿试验,在Vulcan和ASTRA这两个激光器装置上,高能激光相互作用的试验大量采用了基于CCD的探测器。他们包括:

  1. 在(2-6keV)范围的单光子能量测量
  2. 0.5-3Kev范围内的共振线谱测量
  3. 50-500eV范围内的软X射线探测
  4. 可见及IR范围内的探测(IR到1.2um)

     

     
    要想实现尽可能多的数据收集及尽可能宽的测量范围,有必要要求CCD探测器有高的动态范围(12-16bit)和更多的像素(300K-2M像素)。不仅需要动态范围,还需要高的灵敏度和低的噪声水平,这点非常必要,尤其是信噪比的问题关系到测量团队的物理极限。

     

最近若干年,因为CCD芯片半导体制冷技术的引入,降低了暗噪声,以及A/D转换性能的提升,这些都极大的帮助相机得到意想不到的探测性能。

截止目前,已经有十多台相机在Vulcan和Astra装置上使用,所采用的芯片为1024*256。由于采用这些独到的CCD探测器所衍生的很多新技术,帮助我们有效对超短脉冲等离子体的相互作用进行研究。
由于更大的CCD阵列探测器的引入,以及更经济的处理能力,数字化的数据采集技术在将来的试验分析中,会发挥更主导的作用。


感谢D. Neely博士牛津郡,如瑟夫阿普尔顿试验室,中心激光装置

显微成像

基于EMCCD的单光子发射显微系统 I-125(碘125),用于小动物成像.一直有人在努力得到小动物的显微成像。采用I-125作为跟踪试剂变得越来越普遍。

 


孟玲,密歇根大学的核工程与放射科学学院博士,联合安纳堡(Ann Arbor)的V. A.医疗中心,和位于密歇根州大溪地(Grand Rapid)的温安洛(Van Andel)研究所的研究人员,采用I
-125作标记的抗体,缩氨酸和其他成分的合成物作为发光跟踪剂,来进行各种癌症的分析检测以及治疗用放射性药品的研究。

I-125通过捕获电子而衰减。I-125衰减的三个较高的光子发射概率为:27.5keV时为76%,31keV时为13%,35keV时为7%,其半衰期为60.14天。低带隙能量和长半衰期这两个特点,使其非常有利于单光子成像端面扫描计算成像(Single Photon Imaging Computed Tomography:SPECT)。

  • 因为所需光子能量比较低,就可以非常准确的进行光子耦合和探测。
  • 成像空间分辨率有可能达到小于100um级别。

 

最近,他们又开始研发新一代SPECT技术,以期对射线光子进行快速,高灵敏度的探测。其所采用的相机就是Andor光纤耦合的EMCCD(DF-897-FB)

产品目录

XRF,光电传感器,红外探测器,红外气体传感器,X射线探测器,光电倍增管,冷CCD,光电探测器

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