Timepix2—多功能辐射、粒子探测器的“反思型回归”

Timepix系列芯片的发展史，起源于欧洲核子研究中心（CERN）的Medipix合作组，是一个由前沿科研需求驱动、技术路径分叉演进的典型故事。其发展脉络并非一条简单的直线，而是两条主线并行：一条是追求性能突破的“革命性”路线，另一条是满足实际应用的“渐进式”路线。

图1. 历代Medipix和Timepix芯片的参数指标

如上图1，概述了历代Medipix和Timepix芯片的制造工艺、性能参数和发展时间线。

1990年左右，CERN 面临一个非常“尴尬”的问题：下一代大型强子对撞机（LHC）要来了，需要高精度探测器来追踪对撞产生的高能粒子轨迹，但当时的探测器技术跟不上，无论是闪烁体探测器、气体探测器和CCD都无法满足。正是这一科学需求促使了混合像素探测器的诞生。

1997年，CERN联合多家科研机构成立了Medipix合作组，并制造了首款Medipix混合像素探测器，让其不再仅仅是为粒子物理服务，而是开创一种全新的成像模式—光子计数成像，能用于材料科学、核物理、医学成像等领域。“Medi”代表医学成像“Medical”，揭示了它在新兴医疗诊断领域的巨大潜力。“pix”则代表混合像素技术。

2005年，Medipix2诞生，在上一代的基础上将像素尺寸从170μm缩小至55μm，并引入双阈值功能，使其在X射线衍射和能谱成像等领域大放光彩。与此同时，一些物理学家提出了一个需求：能否用Medipix2记录粒子的到达时间？这个需求驱动了设计变更，于是芯片设计师提出了“时间与阈值比较”的创意，在继承Medipix2芯片的架构下引入了“达到时间”模式和“过阈时间”模式，再加上原来的计数模式，使得芯片可以在三种工作模式间切换，测量粒子的计数、达到时间和能量信息。于是就诞生了Timepix芯片，“Time”则代表像素里增加的时间维度信息。Timepix衍生自Medipix2，但开辟了全新的应用方向。

2013年，Medipix3和Timepix3诞生，它们属于同一代次的并行项目。Medipix3在Medipix2的基础上引入电荷求和模式提供电荷共享校正，从而提升成像质量，以及2×2像素联用功能拓展到8阈值的彩色成像模式。而Timepix3则在Timepix的基础上做了大刀阔斧的升级，目标是解决“事例驱动”架构和同时测量粒子能量与时间，致力于解决时间测量和高速应用的根本性技术瓶颈。其设计初衷是为LHC升级服务，而不是为通用科研，它更像一个“前沿物理专用芯片”。所以Medipix合作组在推出Timepix3后发现了一个问题：Timepix3 功能确实很强大，但通用性不强，有许多功能用户用不上，存在功能“浪费”的问题。

于是在2018年，Timepix2 被立项，这意味着一次“反思型回归”。它的设计目标非常务实：在保持原有Timepix帧模式读出架构的基础上，增加同时测量粒子能量和时间的功能，并要求能够以最小的改动替换现有的Timepix系统。可以理解为Timepix2是Timepix的“成熟版”或“加强版”，其核心改进点在噪声水平、响应均匀性和阈值稳定性等方面。

Timepix2和Timepix3二者目标不同，因此开发并不同步，也导致了“二代晚于三代”的现象。而最新一代的Timepix4和Medipix4正在研发阶段，尚未商业化，在此就先不介绍了，系列芯片的详细规格如图1。

首先，在Timepix2之前的芯片中，电荷灵敏放大器的增益是固定值，它与反馈电容成反比，Timepix2前端引入了为自由电子激光开发的自适应增益方案。对于低能信号，自适应增益变为高增益，提高灵敏度和探测下限；对于高能信号，自适应增益变为低增益，使信号不饱和且提高探测能量上限。这样的设计优化带来了低前端噪声、低阈值弥散以及极宽的动态范围，可探测的电荷量可覆盖0.38Ke-到950Ke-，使单像素能处理从噪声附近到数百万电子的电荷。这在混合辐射场探测、高动态范围X射线成像、束流监测等领域，能让单次测量就能同时捕获极强和极弱信号。

图2.Timepix2的阈值分辨率测试和最低阈值测试

如上图2，在用阈值扫描测试了超过20台的Timepix2探测器（300μm硅传感器）后，发现其阈值分辨率极高，约0.55keV (σ)，且最低探测下限在2.5keV到3keV左右。这将大大有利于X射线衍射仪，实现超高动态范围与极致的本底抑制，提升衍射信号的信噪比。

此外，Timepix2新增了同时测量单个粒子的能量和达到时间的功能，使其成功“侵入”了原本由 Timepix3 独占的应用领域，而这些领域是原来的Timepix无法涉足的，比如粒子三维径迹重建、飞行时间法粒子鉴别等领域。

图3.Timepix2根据快门状态进行事件选择

最后，Timepix2拥有多个计数器，计数器交替工作可以实现连续读写即无读出死时间，如上图3所示。对于同时测量粒子到达时间和能量的模式，计数器被占用完，数据只能按序读写，在快门关闭后计数器需要读出时间，存在死时间。但对于计数模式和能量模式，计数器充足，可交替使用，数据可以连续读写，此时快门信号则成为计数器的选择信号。这消除了帧模式探测器“曝光-读出”循环中的数据黑洞，在同样时间可以获得更多有效数据，解决了因死时间导致的测量计数率低于真实计数率的问题。

Timepix2通过确保数据的完整性和时间序列的连续性，在连续扫描X射线衍射、自由电子激光单发超快实验及动态过程研究等领域中，成为获得可靠结果的关键保障。

图4 MiniPIX SPRINTER探测器在1.5M计数每像素下的单帧响应

如上图4.Timepix2极高的响应均匀性和稳定性表现在长时间、高计数率条件下，成像信号仍然接近理想的统计行为（泊松分布），并且电子学不引入额外噪声或漂移。如图所示，Timepix2探测器在约1.5M ph/s/pixel的高通量光照下，探测器呈现的SNR（avrg/std）约1280，与泊松极限1209非常接近。这种特性使 Timepix2 特别适用于长时间积分、高通量条件下的定量 X 射线成像与散射实验，如 XRD、XRF 及同步辐射应用，在这些场景中探测器噪声不应成为测量不确定度的主要来源。

图5. MiniPIX SPRINTER探测器

众星联恒的合作伙伴捷克ADVACAM是目前全球唯一获得全系列Timepix与Medipix芯片完整开发授权的企业，也是率先实现Timepix2探测器商业化应用的厂商。其推出的MiniPIX SPRINTER探测器（如上图5所示）具备紧凑结构与多功能特性，适用于X射线成像、粒子物理实验、辐射环境监测、粒子轨迹追踪等领域，并在材料科学研究中广泛应用于X射线衍射、电子显微成像及X射线荧光分析等场景。

图6.大靶面WidePIX DYNAMIC探测器（左），

超高帧率ePIX-TPX2探测器（右）

如上图6（左），除了MiniPIX SPRINTER外，ADVACAM还开发了适用于材料分析、医学X射线成像和无损检测的更大靶面的WidePIX DYNAMIC混合像素探测器（又称光子计数像素化X射线直接探测器），它提供了最高的对比度。它具有超过2000的信噪比。它是基于Timepix2芯片进行1×5（14mm*70mm）或2×5（28mm*70mm）拼接的大面阵相机，芯片阵列几乎是无缝隙的，整个成像区域是完全敏感的，没有明显的死区，间隙大小小于4个像素。探测器可以在实现高达170fps的帧率下，保持最低3keV的探测能量下限。

值得一提的是，为了满足电子显微镜等领域的高帧率需求，一款基于Timepix2芯片的超高帧率相机ePIX-TPX2也正在研发中，预期帧率高达5000fps，如上图6（右）。

这些产品充分体现了ADVACAM在像素探测器领域的技术积累与创新能力，其基于Timepix2的探测器系列不仅在性能上覆盖从便携探测到高帧率成像的多种需求，更在材料分析、辐射监测、高能物理及电子显微等前沿科研与工业应用中展现出广阔的应用前景。

ADVACAM S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所，致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。ADVACAM最核心的技术特点是其X射线探制器（应用CERN Timepix、Medipix芯片），没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、空间探测、艺术品鉴定及中子成像方面有极其突出的表现。ADVACAM与NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持长期良好的项目合作关系。2021年，spin off子公司Advascope专为电子显微镜EM应用提供定制化粒子探测系统。

任何顶尖技术的价值最终实现，都离不开与本地化需求的深度咬合。这正是众星联恒扮演的关键角色。作为ADVACAM在中国及东南亚市场的长期战略伙伴与独家代理商，我们深刻理解，我们需要做的不仅仅是引进设备，更需要配备深度技术理解、工程集成、技术适配与持续的本地服务支持。同时，我们也在积极推广Timepix/Medipix芯片技术、ADVACAM光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将ADVACAM成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。我们非常欢迎对探测器感兴趣或基于探测器应用有新idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。此外，我们也建立了强大的现货库存及X射线分析平台，可为相关研究提供支持。

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