X射線相干衍射成像原理示意圖

X射線的應(yīng)用十分廣泛，包括X射線相干性衍射成像、X射線等離子體診斷、EUV光刻、軟X射線顯微成像、X射線譜、條紋相機(jī)和微區(qū)CT探測(cè)等。

相干衍射成像(Coherent diffraction imaging， CDI)是近年來自由電子激光的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。 利用自由電子激光產(chǎn)生的紫外或者X射線，CDI技術(shù)可以10nm級(jí)甚至更優(yōu)的空間分辨率，突破傳統(tǒng)光學(xué)成像的局限。

以Henry N. Chapman發(fā)表在Nature Physics 論文(doi:10.1038/nphys461)為例，作者利用了德國(guó)DESY光源的自由電子激光首次實(shí)現(xiàn)了單脈沖CDI成像：波長(zhǎng)32nm，25fs的超短脈沖，單脈沖光子數(shù)高達(dá)10^12個(gè)光子。且如圖所示，CDI 成像分辨率高達(dá)62nm，是32nm波長(zhǎng)的采樣極限。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

重建的X射線圖像未被毀壞，分辨率可達(dá)62nm

在前沿的CDI實(shí)驗(yàn)中，除了需要高質(zhì)量的光源，科研級(jí)的探測(cè)器也十分關(guān)鍵。而相干衍射成像技術(shù)中，對(duì)探測(cè)器最重要的兩點(diǎn)要求就是：1. 滿井容量大2. 芯片面積大

在一副衍射圖像中，通常中心透射光斑的亮度是衍射光斑的10000倍以上，實(shí)驗(yàn)中需要用遮光板遮擋直接透射的信號(hào)，避免損傷探測(cè)器。除此之外，靠近中心的低階衍射光斑也比遠(yuǎn)離中心的高階衍射強(qiáng)很多。這就需要我們?cè)谔綔y(cè)到足夠強(qiáng)的高階弱信號(hào)同時(shí)，保證低階強(qiáng)信號(hào)不飽和。這樣滿井容量越大，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析越有利。

為X射線研究而生的新產(chǎn)品——SOPHIA-XO相機(jī)

普林斯頓儀器最新推出的SOPHIA-XO相機(jī)，采用最新的230CCD 芯片，單個(gè)像元尺寸為15X15μm，感光面積比傳統(tǒng)的13.5μm像元提升了23%，更重要的是，滿井容量提升了50%，高達(dá)150Ke-/pixel，為高質(zhì)量CDI數(shù)據(jù)提供保證。

更大的像元尺寸——15μm

除此之外新一代的SOPHIA-XO大面陣相機(jī)還提供4096x4096的芯片格式，芯片整體尺寸高達(dá)61.9x61.9mm。更大的成像市場(chǎng)可以有效提升實(shí)驗(yàn)的靈活度和數(shù)據(jù)采集能力。在CDI實(shí)驗(yàn)中可以將探測(cè)器放置在距離樣品更遠(yuǎn)的位置，獲得更高的空間采樣分辨率。

更大的芯片面積——4k×4k格式

大面陣CCD雖然能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)帶來很多便利，但是其漫長(zhǎng)的讀出時(shí)間卻成為提升實(shí)驗(yàn)效率最大的瓶頸。

普林斯頓儀器新一代SOPHIA-XO相機(jī)采用最新的4讀出口并行設(shè)計(jì)，最快ADC效率高達(dá)16MHz，1600萬像素點(diǎn)全部讀出也僅需1.2秒，是傳統(tǒng)大面陣CCD速度的5倍。

更快的讀出速度

普林斯頓儀器的采用熱電制冷的高靈敏度、高速成像的SOPHIA-XO相機(jī)采用背照式CCD芯片，可直接檢測(cè)VUV和X射線(~ 5 eV到30 keV)寬范圍能量的光子。

SOPHIA-XO相機(jī)是專門為科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，可應(yīng)用在VUV/ EUV/ XUV成像、X射線衍射、X射線顯微術(shù)、X射線全息術(shù)、X射線光譜學(xué)和X射線等離子體等領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇