多功能粒子辐射探测器MiniPIX应用之：点亮QXAFS新视界

自X射线穿透物质的迷雾，人类便拥有了洞察微观世界的慧眼。在诸多表征方法之中，X射线吸收精细结构（XAFS）技术以独有的灵敏度，捕捉元素的价态指纹与原子配位，成为了解析材料内在机理的重要手段。

传统XAFS依赖于物质整体平均探测，只能得到光束范围内的平均信号，无法分辨样品内部的成分不均、局部相变与微区反应，极易造成谱图的失真。随着材料研究越来越注重原位动态与空间分布，同时实现“空间分辨+时间分辨”已成为XAFS的迫切需求。在之前的文章中我们介绍了尺寸小巧、功能强大、现货交付的混合像素探测器（光子计数、像素化辐射、粒子探测器）-Minipix探测器在X射线衍射（XRD）、背散电子衍射（EBSD）、菊池衍射（TDK）、四维扫描透射电子显微术（4DSTEM）、X射线精细结构吸收谱、低能X射线泄漏检测、X射线显微成像、空间探测、光学器件调试及测试等领域中的应用。为了让各位读者能够全面且容易得了解Minipix探测器系列的广泛应用。所以我们计划推出多功能粒子辐射探测器MiniPIX应用之系列报道，我们会持续报告，并整理成册，以给您的科学研究和工程集成提供些许参考。

在之前的文章《MiniPIX多功能探测器用于提升基于罗兰圆几何的X射线吸收精细结构谱仪性能》中，我们详细介绍了MiniPIX探测器在实验室XAFS系统中的应用，它将单光子计数、二维成像、高帧率读出三大能力集成于方寸之间，既保留了传统探测器的能量甄别与高灵敏度优势，又赋予了XAFS逐像素采集和动态追踪的全新能力，不仅提升了实验室级XAFS的能量分辨率，更让单色XAS-CT、三维化学态成像成为可能。今天我们将给大家进一步介绍一下MiniPIX探测器在同步辐射XAFS技术中的应用，看看它是如何为XAFS技术打开一扇通往“时间-空间-能量”多维度表征的新窗口。

传统同步辐射透射式XAFS依靠电离室完成信号采集，X射线穿过样品后，所有位置的吸收信息被揉成一束总光强，最终只输出一条平滑的吸收谱线。这条曲线看似规整，却在无形中抹平了样品内部的全部差异。在催化、电池等原位工况条件下，材料局部效应主导性能，这种信号“平均”反而变得最不可靠。

图1 利用MiniPIX TPX3探测器在意大利Elettra同步辐射QXAFS线站的实验光路

对此，意大利Elettra同步辐射的Ralf Hendrik Menk教授及其研究团队在2026年发表于JINST的文章《Enhancing X-ray absorption spectroscopy with time-resolved pixel detectors》中提出了基于时间分辨、像素探测器的透射式QXAFS实验光路[1]——如上图1所示。整个实验沿用标准透射式QXAFS光路，采用众星联恒捷克Advacam公司提供的小型混合像素X射线探测器——MiniPIX TPX3，探测器被放置在第二电离室后方，与传统探测方式并行采集信号。利用探测器像素阵列将探测面划分成256×256个独立的探测单元，对样品不同位置的透射信息进行记录。在双晶单色器进行能量扫描的过程中，探测器记录的是每个像素位置的透射强度分布-样品的单色几何投影成像，并随光子能量变化逐点累积-一系列不同能量的单色几何投影成像，最终在每一个像素位置上生成一张独立、完整的XAFS谱图，而非信号的统计平均。样品的厚度分布、化学态差异、组分不均匀性都在这张时空谱图上被完整呈现，那些被电离室探测器永久掩盖的空间信息，最终以真实、清晰的形态被观测与记录。

图2 MiniPIX在Cu K边单帧成像与不同ROI区域的光谱结果

为了验证该系统对多化学态组成的精准成像能力，研究人员设计了一个环氧树脂包裹的Cu单质、Cu2O和CuSO4混合物样品。在Cu K边高能段的单帧二维成像中，MiniPIX清晰呈现了样品内部不同ROI区域的吸收差异，如上图2所示。通过对各区域的计数强度随能量变化提取光谱信息后，可以看到不同吸收区域的吸收边位置、白线强度及边后振荡趋势存在显著差别，直接对应了不同的化学价态和配位环境。

图3 Cu、Cu2O和CuSO4的Cu K边XAFS参考谱图（a）与各区域的光谱拟合结果（b-d）

在此基础上，研究人员利用标准参考谱图对各区域光谱进行定量拟合，结果如上图3所示，Cu、Cu2O和CuSO4的参考谱图与各ROI区域的光谱拟合结果高度一致。与此同时，借助MiniPIX的全像素成像，研究团队直观观测到了样品内部元素的浓度或厚度分布和化学态分布，如下图4所示，全局拟合误差仅有1%-2%，进一步证明了该定量结果的可靠性。

图4 样品内部不同Cu元素化学态的浓度或厚度分布及拟合误差分布

模型样品验证之后，研究人员选用了典型的MnHCF电池阴极材料作为实验对象，对比了材料在首次充电前后的结构演变，详细结果如下图5所示。原始电极材料中Mn以Mn(II)-NC形式存在，表现出优异的结构均一性，而首次充电后Mn分布表现出明显的不均与局部富集现象，内部局域位置有MnO2新相析出。该结果充分证实了Mn元素的局部富集区域是不可逆氧化相变的优先发生区域，明确揭示了Mn(II)向Mn(IV)转变的不可逆氧化相变，是导致电池容量快速衰减的核心微观机制。

图5 MnHCF电极材料首次充电前后Mn K边成像和光谱拟合结果

值得一提的是，除了优异的空间分辨和微区定量能力，MiniPIX探测器（MiniPIX SPRINTE帧率高达99FPS）在时间分辨动态表征领域的巨大应用潜力同样极具革新价值。该探测器依托单光子计数、二维成像、高帧速读出的核心特性，可完美适配同步辐射QXAS快速扫描模式，能够在毫秒级时间尺度下连续采集光谱图像数据。凭借时空同步采集的独特优势，该探测器可同步捕捉材料反应过程中空间形貌演变、化学价态迁移、瞬时结构相变的动态全过程，摆脱了传统XAFS只能获取静态平均信息的局限。这一能力可充分适配电池充放电、催化反应、超快相变等动态演变体系，能够精准捕捉各类瞬态中间过程与微观反应热点，为解析材料动态演化机理提供高维度、高精度的原位表征手段，也为后续四维（空间-能量-时间-组分）高分辨XAFS表征技术的发展提供了全新的技术路径。

一束X光，一方像素；一帧影像，一部微观演化史。众星联恒现货供应的尺寸小巧、功能强大、的混合像素探测器—MiniPIX探测器以玲珑之姿，为XAFS赋予了空间的视力与时间的流速。它将传统XAFS从“一条平均曲线”升级为“一张张时空分辨谱图”，既实现了异质材料微区化学态的精准定量成像，又展现出捕捉快速动态反应过程的巨大潜力。从二维化学态成像，到毫秒级动态谱学；从局域相变识别，到复杂材料真实反应路径重建——MiniPIX推动了XAFS技术从“平均谱学”迈向“时空分辨谱学”。对于能源材料、催化科学、环境科学以及先进功能材料研究而言，这不仅是探测器性能的升级，更是一种研究范式的跃迁。

ADVACAM产品系列

ADVACAM s.r.o.是AdVisiones Technologies集团旗下一家专注于光子计数探测器研发与制造领域的子公司。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AdVisiones Technologies集团在中国及东南亚市场的长期战略伙伴与独家代理商，众星联恒远不止于渠道。我们是技术价值的“翻译者”与“传播者”。我们深刻理解，将历经NASA、ESA任务验证的“太空级”成像能力，转化为服务本土高端制造、前沿科研、航空航天、生命健康及文化遗产保护领域的解决方案，需要不仅仅是引进设备，更需要深度的行业洞察、技术理解、工程集成、技术适配与持续的服务支持。所以我们建立一个专业性技术和市场团队，及X射线现货库和分析实验室以更好的服务各领域的用户。我们X射线开放实验室，配备了多套先进的X射线光源系统、光学元件以及探测器，可支持包括X射线成像、相衬成像、衍射分析、荧光检测以及X射线源性能表征在内的多样化的测试、预研和论证工作。

我们是一支对极紫外、X射线技术充满热情的团队，如果你有任何疑问想要和我们交流、探讨，不要犹豫请直接联系我们。

参考文献

[1] R.H. Menk, et al., Enhancing X-ray absorption spectroscopy with time-resolved pixel detectors. JINST, 2026, 21, C01039.