X射線被廣泛應(yīng)用于元素辨析，納米結(jié)構(gòu)，醫(yī)學(xué)分析，半導(dǎo)體加工等領(lǐng)域，例如：相干X射線衍射成像，X射線顯微鏡，X射線等離診斷，深紫外刻蝕技術(shù)。 一款合適的X射線相機(jī)對(duì)于高質(zhì)量的成像和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析尤為關(guān)鍵。本文將從X射線能量和使用環(huán)境兩個(gè)角度來(lái)探討如何初步挑選適合的相機(jī)。

1. X射線能量范圍

從30eV到1000eV能量范圍的X光子，容易被鍍膜，窗片和電極等材料吸收。這時(shí)就需要選擇一款無(wú)鍍膜，無(wú)真空窗片，無(wú)前端電極的后照型CCD探測(cè)器 (Back-illuminated CCD)，有利于提高X射線的吸收效率，其原理如下圖所示。

從1000eV 到 10keV能量范圍的X光，透能力強(qiáng)，能穿透芯片上的電極，這時(shí)探測(cè)器的吸收效率主要取決于耗盡層(depletion layer)的深度，而非光子照射到CCD上的方向。 X射線能量越高，在耗盡層中被吸收的深度越深，所有整體上來(lái)講，深耗盡的CCD芯片有利于提高X射線的吸收效率。對(duì)于下圖為不同類型直接探測(cè)型相機(jī)對(duì)X射線的吸收效率。

能量>10keV的X射線，穿透能力太強(qiáng)，如果采用直接探測(cè)的方法，反而收集效率會(huì)下降。如果允許非真空條件下使用，通常采用間接探測(cè)的方法。

而對(duì)于高于30keV能量的X射線，已經(jīng)無(wú)法采用直接探測(cè)的辦法，因?yàn)楦吣芰康腦射線容易損壞CCD芯片的光敏材料。這時(shí)采用熒光屏(Phosphors)將X射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，再用CCD收集可見(jiàn)光成像。

熒光屏對(duì)X射線的吸收效率決定了相機(jī)的探測(cè)效率，普林斯頓儀器的X射線相機(jī)可以配置多款在不同能量區(qū)間效率優(yōu)化的熒光屏，來(lái)匹配不同的實(shí)驗(yàn)需求。

2. 使用環(huán)境

使用環(huán)境也是決定相機(jī)選型的重要因素。 因?yàn)殚_(kāi)口型CCD的芯片直接暴露在外面，因此需要真空環(huán)境才能深度制冷，降低暗噪聲。普林斯頓儀器兩款直接探測(cè)型的X射線相機(jī)，PIXIS-XO與PI-MTE都具備超高真空的兼容能力(低于10^-8 torr)。

而對(duì)于某些應(yīng)用情況，需要在非真空環(huán)境下使用直接探測(cè)型的相機(jī)，這時(shí)可以選擇PIXIS-XB，這款相機(jī)在芯片前加上了一塊鈹窗，即保護(hù)了CCD芯片，又可以濾去可見(jiàn)光到深紫外光。

上圖中從左至右分別是 PI-MTE，PIXIS-XB 和 PIXIS-XO 三款直接探測(cè)型X射線相機(jī)。

而對(duì)于間接探測(cè)型的相機(jī)，因?yàn)槭褂昧斯饫w將熒光屏耦合到CCD芯片，所以適合在非真空環(huán)境中使用。

普林斯頓儀器的X射線相機(jī)在世界各地的高能物理實(shí)驗(yàn)中被頻繁使用，用優(yōu)異的性能默默推動(dòng)著前沿科學(xué)的探索。普林斯頓儀器又推出了新款的大面陣CCD相機(jī)SOPHIA，其”大低快好“的特點(diǎn)，為X射線工作者提供了更優(yōu)秀的探測(cè)質(zhì)量。

審核編輯 黃宇