18/06/27知識(shí)背景
波長(zhǎng)介于10-100埃范圍的X射線稱為軟X射線。入射X射線光子同晶體原子中與核結(jié)合較緊的電子進(jìn)行彈性碰撞產(chǎn)生，輻射出的散射波僅改變方向，無(wú)能量損失，波長(zhǎng)和位相不變，該現(xiàn)象稱為X射線相干散射。依托該原理可以做分子和超分子結(jié)構(gòu)類型的檢測(cè)，以及材料分析和醫(yī)學(xué)診斷等。
雖然X射線的相干散射現(xiàn)象為世人發(fā)現(xiàn)已久，但是礙于技術(shù)條件發(fā)展，仍未能普遍應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷和材料分析中，這里除了射線源的限制，檢測(cè)器本身的發(fā)展也是一個(gè)關(guān)鍵條件。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
當(dāng)前絕大多數(shù)的軟X射線束，比如SOLEIL同步中心的SEXTANT射線束，使用的都是內(nèi)置在真空環(huán)境中的背照CCD。探索道路上的科學(xué)家永遠(yuǎn)無(wú)法被當(dāng)下技術(shù)滿足，事實(shí)也證明這些主流背照CCD仍會(huì)有一些令人煩躁的缺點(diǎn)，比如采集時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，圖像對(duì)比度低，邊緣不清晰，容易出現(xiàn)像素溢出現(xiàn)象等。
市面上的CMOS的確常被作為X射線的非直接檢測(cè)器組件,用于硬X光斷層成像或者Ptychography實(shí)驗(yàn)性終端平臺(tái)。但是很多軟X射線（能量在幾十到2keV之間）的應(yīng)用并未得益，比如X射線全息成像。目前商用化的sCMOS多是前照式結(jié)構(gòu)，其像素雖然可以通過(guò)加裝微透鏡提高進(jìn)光量，但這對(duì)1keV以下的X射線卻是個(gè)致命的威脅。
解決方案
Dhyana 95（TUCSEN PHOTONICS）作為新一代sCMOS的典型代表，搭載了最新背照式sCMOS芯片，光譜響應(yīng)覆蓋180-1100nm，同時(shí)擁有22.5mmx22.5mm大面陣，11μmx11μm像素尺寸，95%QE超高量子效率，以及高幀率與低噪聲等優(yōu)秀品質(zhì)，完全有能力成為軟X射線研究的新寵。
應(yīng)用示例
來(lái)自法國(guó)SOLEIL synchrotron(同步加速器研發(fā)中心)的科學(xué)家Kewin與其同事正在研究如何提高軟x射線相干散射信號(hào)的獲取能力，他們使用Dhyana 95相機(jī)做了一些初步的測(cè)試評(píng)估。
圖1: Dhyana 相機(jī)被安裝在METROLOGIE光束線的反射計(jì)腔體內(nèi)
下圖的右圖是由Dhyana 95采集到的衍射圖，其衍射級(jí)數(shù)達(dá)到極大值6階，表明Dhyana 95具有非常優(yōu)秀的的動(dòng)態(tài)范圍。
圖2:由Dhyana 95記錄的186 eV的一個(gè)5微米針孔的衍射光斑
下圖的右圖是由Dhyana95拍攝的50張100 ms曝光時(shí)間的圖像累積而成的輻照?qǐng)D，總采集時(shí)間小于10 s，而同樣的圖像效果通過(guò)背照式CCD相機(jī)需要幾分鐘才能實(shí)現(xiàn)，對(duì)比凸顯了Dhyana 95讀取速度的優(yōu)勢(shì)。
圖3:由11個(gè)直徑為200納米，x射線能量束為700 eV的測(cè)試掩模在六色體波束上的輻照反應(yīng)
應(yīng)用總結(jié)
客戶評(píng)價(jià)：“Dhyana 95擁有的鮮明特性使其成為上一代同步加速器的軟X射線應(yīng)用中常用的背照式CCD的一個(gè)絕佳替代，比如相干散射實(shí)驗(yàn)，就會(huì)因其高幀率完全受益。”
現(xiàn)階段Kewin團(tuán)隊(duì)對(duì)Dhyana 95十分滿意。它不僅表現(xiàn)出了優(yōu)秀的線性度，動(dòng)態(tài)范圍和量子效率，極大地縮減了成像時(shí)間，而且性價(jià)比極高，截至目前Dhyana 95出色的成像能力使得他們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展非常順利。
Kewin及其同事的此項(xiàng)初步研究成果已在SRI2018年會(huì)上進(jìn)行了展演。接下來(lái)他將和他的同事們進(jìn)一步探索背照式sCMOS以及Dhyana 95相機(jī)在X射線方向的應(yīng)用潛力，Tucsen也將一如既往助力他們獲得更多豐碩成果。
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感謝來(lái)自法國(guó)SOLEIL synchrotron的科學(xué)家Kewin Desjardins提供以上資料。
參考資料：
Kewin Desjardins, Horia Popesc1, Pascal Mercère, Claude Menneglier,Roland Gaudemer, Karina Th?nel and Nicolas Jaouen. SRI2018.
Characterization of a back-illuminated CMOS Camera for soft x-ray coherent scattering
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