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自1895年威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen)发现X射线以来，经过一个多世纪的发展，我们在对于X光产生、调制、探测和相应的分析法及算法都有长足的进步。X射线同步辐射光源和FEL作为最先进的X射线源，提供了极高的亮度，支撑了尖端的科学研究和高端制造业的研发，并为新型表征方法的开发创造了条件。然而，同步辐射光源的成本高昂，且机时资源有限，难以普及使用。因此，科研和工业界根据各自的需求，开发了多种专用的实验室设备，例如医用CT、工业和科研级的台式CT以及实验室X射线精细结构吸收谱仪（XAFS）。这一发展轨迹显示了从同步辐射到实验室设备的技术演变趋势。


近年来，基于强场激光与物质相互作用的实验室超快X射线源发展迅速（预算1500万欧元的激光驱动X射线光源-XProLas项目-推动动力电池的性能改进），激光尾波场加速产生的Betatron辐射源，以及基于内壳层电离机制的激光驱动Kα特征X射线源等。这些方案在脉冲宽度（fs–ps）、光子能量（keV–MeV）及空间相干性方面各具优势，他们突破了传统X射线管的亮度局限，并用于FEL超短脉冲宽度的特点，推动了实验室尺度超快X射线衍射、吸收和成像等时间分辨实验的发展。与此同时，我们之前大量文章中介绍了尺寸小巧、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探测器等在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。


那么我们的单像素计数率为百万次的Timepix/Medipix光子计数、像素化X射线探测器能数的过来超快脉冲吗？ 答案明显是否定的。


接下来，让我们一起来探究，实验室物理学家们是如何巧妙的把基于Timepix/Medipix混合像素X射线探测器用于超快脉冲探测的。


01


使用Timepix3测试高亮、高准直

X射线Betatron光源的单发能谱

Betatron 光源（Betatron X-ray source）是一种基于激光尾波场加速器（LWFA）的超快X射线源。它通常是使用低重频、几十至百太瓦的激光驱动气体靶材产生的，它具有宽谱（10KeV-MeV）、fs级脉冲、微米光源尺寸、高度准直、高通量和小型化的特点。为了利用Betatron X射线源并研究其特性，需要单次快照、具有光谱分辨能力的X射线探测器。但是由于其巨大的光子通量使得传统的如果硅漂移 X射线探测器无法适用：一是探测不到MeV光子，二是数不过来，三是重频过低，没有机会数。


来及英国思克莱德大学的Silvia Cipiccia，Dino A. Jaroszynski1*等人在Nature Physics发表的工作便展示了他们用于单发能谱测试的巧妙方案：光路中引入铝棒+TimPix3光子计数、像素化、能量分辨X射线探测器测量康普顿侧向散射。

图1 F/16球面镜将激光脉冲（5J、55±5 fs、800 nm）聚焦到4 cm长、300 µm直径预成型等离子体毛细管波导入口处的40 ± 5 µm直径点，600 µm厚的铝箔可阻挡来自X射线探测器的激光，Lanex 1和图像板1用于测量电子光谱的高能部分同时测量X射线束轮廓或单独测量电子束轮廓，图像板2放置在轴上记录X射线轮廓、相衬图像以及带有截止滤光片的光谱，Timepix3放置在屏蔽外壳中记录康普顿侧向散射辐射


如上图1实验装置所示，研究人员使用的5J，55fs强激光驱动的Betatron X射线/伽马射线源。在该装置中，通过使用电子能谱仪、LANEX屏幕和IP成像监测电子束特性，同时利用1 mm  CdTe混合像素探测器Timepix3监测X射线光子特性。由于直径12 mm铝棒的引入，使得侧向散射的康普顿散射X射线谱发生能量“下移（downshift）”，从而使原本处于MeV范围的能谱能够仅使用厚度为1 mm的半导体探测器进行测量，并且该探测器的有效响应范围为20 keV到600 keV。此外，入射辐射的通量被降低，而这一过程无需使用滤波器或衰减片，使得到达Timepix3探测器的单个55μm*55μm像素尽量只有一个光子或者没有(每帧光子数少于总像素的1%，即少于655个)，这样基于Timepix3的TOT（过阈时间）模式，可以测试每个光子的能量，最终通过直方图统计可以得到光谱图。

图2 使用Timepix3测量的两个单发X射线光谱与预测的同步加速器光谱（红色）（a）弱共振情况：谱峰位于50 keV（b）强共振情况：谱峰位于150 keV。两种情况下测得的电子能量均为 633±70 MeV


如上图2，单次测量了弱共振和强共振下的X射线光谱，并与理论模拟匹配的较好，这结果证明，在激光尾波场加速器中，决定从几十 keV 到多 MeV 能谱转变的关键因素，并不是电子能量的变化，而是横向电子振荡的共振增强效应。Silvia Cipiccia等人在Review of Scientific Instruments发表的后续工作（http://dx.doi.org/10.1063/1.4825374）详细介绍了该基于康普顿侧散射的单发能谱测量方案。


02


使用基于medipix3芯片的WidePIX

探测器进行K-alpha超快X射线源表征

和乳腺CT成像

激光驱动 K-alpha 超快X 射线源通常是使用kHZ, mJ级，飞秒激光轰击Cu或Mo金属靶材，以产生内层电子跃迁过程。此类射线源有光谱相对单色（以 Kα特征线为主）、fs/ps级脉冲、高亮度、微米光源尺寸和小型化的特点。但是值得注意是相较于betatron光源，K-alpha源是向4π方向辐射的。如同我们之前文章“单掩模X射线相衬成像技术助力微钙化分类及乳腺癌早期检测”和“MediPix在医学成像中的应用”中报道到的，激光驱动 K-alpha 超快X 射线源+基于midepix3芯片的WidePIX探测器方案，由于相对单色的光谱和直接探测技术带来的高灵敏度、高成像衬度，使之成为低剂量乳腺癌变早期诊断的另一个技术路线。

图3 激光等离子体X射线源研发和性能验证平台。激光系统由振荡器、展宽器和再生放大器组成（未在图示中暂时），激光脉冲被压缩至1.7ps后，被引入包含移动带状Mo靶系统的大型真空容器中，X射线成像和射束计量在右侧的诊断台上完成。


如上图3，是在XPulse项目的支持下法国Amplitude、ALPhANOV和波尔多大学的研究团队开发了一套基于超强激光等离子体X射线源的“低剂量相位衬度3D乳腺CT成像系统”的结构示意图。驱动激光为1000 Hz、25 mJ、1.7 ps的光纤激光器。靶材为可移动Mo带靶材。

图4  钼带靶激光驱动X射线源的计量数据：X射线通量稳定性、源尺寸和源位置测量均在源连续发射的30分钟内进行。每个数据点都是通过对曝光时间为1秒的图像（即1000次激光照射）进行分析得出的。垂直和水平是指垂直于探测器视线的两个方向. 在源位置图中，颜色用于标识带靶盒（cassette）横向位置的连续变化（即不同颜色的点云表示在一次卷带运动过程中采集的数据）。


如上图4，在光源开发阶段研究人员对光源的特征进行的详细的表征。如左上图，研究人员使用碲化镉(CdTe) X射线光谱仪进行测量，由于此探测器的最大计划计数率约为2 x 105，所以在面对飞秒X射线脉冲也是数不过来，好好在不同于高度准直、低重频的Betatron，K-alpha是4π发散的，通过探测器放在里光源较远的位置，确保在每一发飞秒脉冲，都有只有一个光子或者没有都只有一个光子落到探测器上，重复累计直至得到较高信噪比的光谱——其发射辐射谱以能量 17.4 千电子伏的Mo Kα 特征谱线为主。如上图右和下两图，同时研究人员使用众星联恒合伙伙伴捷克Advacam的混合光子计数X射线探测器——WidePix 2×5和锐利的钨刀边（10倍放大倍率）对K-alpha源尺寸和位置稳定性测量、X射线通量进行测量。同样的逻辑，通过拉远探测器距光源的距离以确保每发飞秒脉冲只有一个X射线光子或没有光子（约为0.374光子每像素）到达一个55μm*55μm的像素。我们可以看到30 分钟平均表观尺寸为 21×22 μm2。将传动带从一个卷轴完全收卷至另一卷轴的全过程中，辐射源位置稳定性通常优于 10 微米。若横向偏移带靶盒以切换至靶带全新区域，辐射源位置会在单方向或双向产生数十微米的偏移。该现象成因可归结为传动机构与靶带平面存在机械对准偏差，或是靶带自身平整度不足。结合探测器光谱灵敏度积分计算，辐射源光子通量量级为 10¹⁰ ph/s/sr,。结合辐射源表观尺寸，可算出其光子亮度为3.1013 ph/s/sr/mm2.。

图5  CT成像装置使用激光驱动的X射线源，成像样品是约2厘米的核桃，X射线窗口将X射线的自然孔径限制为约5°的锥体


如上图5，研究人员紧接着搭建了一套显微 CT 成像实验平台，用于评测该辐射源的稳定性，并推进其自动化运行能力。该系统采用锥形束、圆形断层扫描几何结构，利用WidePix 2×5作为成像探测器，如图下图7所示。以核桃作为测试样本，源到探测器的距离为570 mm，样品放大倍数为1.4，采集序列由以等间隔角度拍摄的360张图像组成，每张图像的曝光时间为2秒，总采集时间为12分钟，图8所示的重建体积使其能够执行密度分割，从而将核桃仁和壳从核桃整齐地分离出来。

图6 使用X射线激光驱动源对核桃进行3D成像(a)断层扫描采集序列中的单个射线照片(b)使用内部软件重建的样本体积(c)使用Amira软件渲染重建体积


图7 3D乳腺成像原型机


如上图7， 首台原型机现已安装于佩勒格兰大学医院院区的生物成像研究所（IBIO）。研究人员采用商用微焦点 X 射线源（该商用光源并不适用于临床场景，原因是其功率偏低，会大幅延长曝光时长。）作为参照，分别在吸收衬度成像与相位衬度成像两种工作模式下完成了本系统的性能验证。


小结：小编有话说

正如中国科学院丁洪院士在一次采访中提到 ：“就物理研究而言，尤其是实验物理研究，对学生的能力要求很高。从事实验物理就像成为一个'小作坊主'，要能提出好的科学问题，能规划实验路线，并懂得和人打交道；同时也需要有组装集成的能力，因为实验物理越来越向大科学方向发展；要有很强的动手能力，因为很多实验器材未必是现成的，要自己动手做才行。”


我们常常不得不在有限的资源和时间下完成物理实验。在上述的列子中我们可以看到，通过合理的实验设计，混合光子计数X射线探测器可以成为超快 X 射线实验中的关键读出工具。其中的关键就是“以空间换时间”，通过散射或衰减控制使得到达探测器为每发1个或者没有，使得探测飞秒X射线脉冲变得可行。Timepix3得益于强大的处理能力，它可以同时基于到达粒子或射线的位置、时间和能量，使得Betatron光源的单发光谱测量成为可能。而众星联恒合伙伙伴捷克Advacam的大靶面混合光子计数X射线探测器——WidePix 2×5和4π发散、Khz飞秒K alpha 射线源的结合，也是以空间换时间的典范。既然我数不过来，我就离“你”远一些，以保证一发至多只有一个光子到达单个像素。同时为了保证低剂量乳腺成像，所以需要探测器足够大，以保证没有珍贵的光子被浪费。同时WidePix 2×5探测器的可调阈值带来的零噪声和对于Mo k alpha 的近100%探测效率也起到了关键的作用。


我们可以看到在上个世纪由欧洲核子研究组织（CERN）联合多家机构开发的用于大型对撞实验粒子探测而开发的Medipix/Timepix系列探测器，如今仍在众多领域的成功应用。如同万维网的故事，Medipix/Timepix项目的成功，让我们更加相信长期科研投资会产生巨大的社会回报。


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。

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关于众星联恒 

作为AdVisiones Technologies集团子公司捷克ADVACAM在中国及东南亚市场的长期战略伙伴与独家代理商，众星联恒专注于紫外（EUV）与 X 射线核心部件领域，致力于提供专业技术服务与前沿解决方案。我们是技术价值的“翻译者”与“传播者”，并且深刻理解，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。所以我们建立了一个专业的技术和市场团队，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. Cipiccia S. et al. Gamma-rays from harmonically resonant betatron oscillations in a plasma wake. Nature Physics, 2011. DOI: 10.1038/NPHYS2090.

2. Cipiccia S. et al. Compton scattering for spectroscopic detection of ultra-fast, high flux, broad energy range X-rays. Review of Scientific Instruments, 2013. DOI: 10.1063/1.4825374.

3. Song P. et al. A novel robust pulsed laser driven X-ray source suitable for medical application. Proc. SPIE 12031, 2022. DOI: 10.1117/12.2607282.

4. Barbrel B. et al. Demonstration of a robust laser-driven X-ray source for CT. iCT 2024 / e-Journal of Nondestructive Testing, 2024. DOI: 10.58286/29239.

END

内容：Simon & 凯文

校对：凯文

排版：Sylvia


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