软射线探测器

“对于相干衍射成像（CDI），微米级像素的非晶硒CMOS探测器将专门解决大体积晶体材料中纳米级晶格畸变在能量高于50 keV的高分辨率成像。目前可用的像素相对较大的（〜55μm像素），基于medipix3芯片光子计数、像素化、直接探测技术无法轻易支持高能布拉格条纹的分辨率，从而使衍射数据不适用于小晶体的3D重建。” 美国阿贡国家实验室先进物理光子源探测器物理小组负责人Antonino Miceli博士讲到。相干X射线衍射成像作为新兴的高分辨显微成像方法，CDI方法摆脱了由成像元件所带来的对成像分辨率的限制,其成像分辨率理论上仅受限于X射线的波长。利用第三代同步辐射光源或X射线自由电子激光，可实现样品高空间分辨率、高衬度、原位、定量的二维或三维成像，该技术在材料学、生物学及物理学等领域中具有重要的应用前景。作为一种无透镜高分辨、无损成像技术，CDI对探测器提出了较高的要求：需要探测器有单光子灵敏度、高的探测效率和高的动态范围。目前基于软X射线的相干衍射成像研究工作开展得比较多，在这种情况下科研工作者通常选用是的基于全帧芯片的软X射线直接探测相机。将CDI技术拓展到硬X射线领域（50keV）以获得更高成像分辨率是目前很多科研工作者正在尝试的，同时也对探测器和同步辐射光源提出了更好的要求。如上文提到，KAimaging公司开发了一款非晶硒、高分辨X射线探测器（BrillianSe）很好的解决的这一问题。下面我们来重点看一下BrillianSe的几个主要参数1. 高探测效率 如上图，间接探测器需要通过闪烁体将X射线转为可见光， 只有部分可见光会被光电二极管阵列，CCD或CMOS芯片接收，造成了有效信号的丢失。而BrillianSe选用了具有较高原子序数的Se作为传感器材料，可以将大部分入射的X射线直接转为光电子，并被后端电路处理。在硬X射线探测效率远高于间接探测方式。BrillianSe在60KV (2mm filtration)的探测效率为：36% at 10 cycles/mm22% at 45 cycles/mm10% at 64 cycles/mm非晶硒吸收效率（K-edge=12.26 KeV）BrillianSe在60KV with 2 mm Al filtration的探测效率，之前报到15 μm GADOX 9 μm pixel 间接探测器QE 为13%。Larsson et al., Scientific Reports 6, 20162. 高空间分辨BrillianSe的像素尺寸为8 µm x8 µm，在60KeV的点扩散为1.1 倍像素。如下是在美国ANL APS 1-BM光束线测试实验室布局使用JIMA RT RC-05测试卡，在21keV光束下测试3. 高动态范围75dB由于采用了100微米厚的非晶硒作为传感器材料。它具有较大满井为877,000 e-非晶硒材料，不同入射光子能量光子产生一个电子空穴对所需要电离能BrillianSe主要应用：高能（50KeV）布拉格相干衍射成像低密度相衬成像同步辐射微纳CT表型基因组学领域要求X射线显微CT等成像工具具有更好的可视化能力。此外需要更高的空间分辨率，活体成像的关键挑战在于限制受试者接收到的电离辐射，由于诱导的生物学效应，辐射剂量显着地限制了长期研究。可用于X射线吸收成像衬度低的物体，如生物组织的相衬X射线显微断层照相术也存在类似的挑战。此外，增加成像系统的剂量效率将可以使用低亮度X射线源，从而减少了对在同步辐射光源的依赖。在不损害生物系统的情况下，在常规实验室环境中一台低成本、紧凑型的活体成像设备，对于加速生物工程研究至关重要。同时对X射线探测器提出了更高的要求。KAimaging公司基于独家开发的、专利的高空间分辨率非晶硒（a-Se）探测器技术，开发了一套桌面高效率、高分辨的微米CT系统（inCiTe™ ）。可以从inCiTe™ 中受益的应用:• 无损检测• 增材制造• 电子工业• 农学• 地质学• 临床医学• 标本射线照相 基于相衬成像技术获得优异的相位衬度相衬成像是吸收对比（常规）X射线成像的补充。 使用常规X射线成像技术，X射线吸收弱的材料自然会导致较低的图像对比度。 在这种情况下，X射线相位变化具有更高的灵敏度。因为 inCiTe™ micro-CT可以将物体引起的相位变化转为为探测器的强度变化，所以它可以直接获取自由空间传播X射线束相位衬度。 同轴法相衬X射线成像可将X射线吸收较弱的特征的可检测性提高几个数量级。 下图展示了相衬可以更好地显示甜椒种子细节特征不含相衬信息 含相衬信息 低密度材料具有更好的成像质量钛植入样品图像显示了整形外科的钛植入物，可用于不同的应用，即检查骨-植入物的界面。 注意，相衬改善了骨骼结构的可视化。不含相衬信息 含相衬信息 生物样品inCiTe™ 显微CT可实现软组织高衬度呈现电子样品凯夫拉Kevlar复合材料样品我们使用探测器在几秒钟内快速获取了凯夫拉复合材料的相衬图像。可以清楚看到单根纤维形态（左图）和纤维分层情况（右图）。凯夫拉尔复合物3维透视图 KA Imaging KA Imaging源自滑铁卢大学，成立于2015年。作为一家专门开发x射线成像技术和系统的公司，KA Imaging以创新为导向，致力于利用其先进的X射线技术为医疗、兽医学和无损检测工业市场提供最佳解决方案。公司拥有独家开发并自有专利的高空间高分辨率非晶硒（a-Se）X射线探测器BrillianSeTM，并基于此推出了商业化X射线桌面相衬微米CT inCiTe™ 。我们有幸在此宣布，经过双方密切的交流与探讨，众星已与KA Imaging落实并达成了合作协议。众星联恒将作为KA Imaging在中国地区的独家代理，全面负责BrillianSe™ 及inCiTe™ 在中国市场的产品售前咨询，销售以及售后业务。KA Imaging将对众星联恒提供全面、深度的技术培训和支持，以便更好地服务于中国客户。众星联恒及我们来自全球高科技领域的合作伙伴们将继续为中国广大科研用户及工业用户带来更多创新技术及前沿资讯！

澳大利亚科学家使用硫化锡（SnS）纳米片制造了迄今最薄的X射线探测器。新探测器厚度不到10纳米，具有灵敏度高、响应速度快的特点，有助于实现细胞生物学的实时成像。　　SnS已经在光伏、场效应晶体管和催化等领域显示出巨大的应用前景。澳大利亚莫纳什大学、澳大利亚研究理事会（ARC）激子科学卓越中心的研究人员此次证明，SnS纳米片也是用作超薄软X射线探测器的极佳候选材料。这项发表在《先进功能材料》杂志上的研究表明，SnS纳米片具有很高的光子吸收系数，它比另一种新兴候选材料金属卤化物钙钛矿更灵敏，响应时间更短，只需几毫秒，并且可以调节整个软X射线区域的灵敏度。　　X射线大致可分为两种：“硬”X射线可用以扫描身体观察是否存在骨折和其他疾病；“软”X射线具有较低的光子能量，可用于研究湿态蛋白质和活细胞，这是细胞生物学的关键组成部分。水窗是指软X射线的波长范围在2.34—4.4纳米之间的区域，在此范围内，水对软X射线是透明的，X射线会被氮原子和其他构成生物机体的元素吸收，因此，该波长可用于对活体生物样本进行X射线显微。　　SnS X射线探测器厚度不到10纳米。相比之下，一张纸的厚度大约为10万纳米，人的指甲每秒大约长出1纳米。此前制造出的最薄X射线探测器厚度在20—50纳米之间。　　研究人员称，未来这种X射线探测器或可用来观察细胞相互作用的过程，不仅能产生静态图像，还能看到蛋白质和细胞的变化和移动。　　研究人员称，SnS纳米片的灵敏度和效率在很大程度上取决于它们的厚度和横向尺寸，而这些都不可能通过传统的制造方法来控制。使用基于液态金属的剥离方法，研究人员生产出高质量、大面积的厚度可控的薄片，这种薄片可以有效地探测水域中的软X射线光子，通过堆叠超薄层的过程，可进一步提高它们的灵敏度。与现有的直接软X射线探测器相比，它们在灵敏度和响应时间方面有了重大改进。　　研究人员希望，该发现将为研制基于超薄材料的下一代高灵敏度X射线探测器开辟新途径。

【科学背景】随着科学技术的进步，X射线检测技术在医学成像、无损检测和天体物理等领域得到了广泛应用。X射线的不同光子能量具有不同的穿透能力，这使得在不同应用中对X射线探测器的要求也各不相同。例如，软X射线（25–50 keV）主要用于乳腺摄影和胸部X光检查，而硬X射线（80–150 keV）则用于现代计算机断层扫描和工业检测。然而，现有的商业化半导体探测器，如α-Se、Si和CdZnTe（CZT），存在吸收系数低、载流子输运性能差和高制造成本等问题，亟需开发新型的高性能X射线探测材料。近年来，金属卤化物钙钛矿因其高衰减系数、大的迁移-寿命（μτ）积以及低制备成本，成为新一代X射线探测材料的研究热点。钙钛矿材料在直接X射线检测、光子计数X射线成像和能量分辨γ射线检测等方面展示了巨大的潜力。然而，钙钛矿材料中的离子迁移会导致大噪声和基线漂移，严重影响探测器的性能。特别是，对于高能量硬X射线检测（100 keV），现有钙钛矿探测器的灵敏度和检测限仍然难以满足高性能的要求。为了应对这些挑战，山东大学陶绪堂教授、张国栋教授团队合作开发了新型气氛导模法来开展了钙钛矿单晶的优化研究。通过在Ar和HBr混合气氛中生长CsPbBr3单晶，成功地改善了材料的电阻率、离子迁移活化能以及迁移-寿命（μτ）积。与传统的垂直布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶相比，EFG-CsPbBr3单晶具有显著更低的陷阱密度、更高的电阻率（1.61 × 1010 Ω cm）和更大的离子迁移活化能（0.378 eV），从而有效地降低了漏电流和基线漂移。基于EFG-CsPbBr3单晶的X射线探测器展示了优秀的平衡性能，包括极低的暗电流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、极低的检测限（10.81 nGyair s-1）以及在5,000 V cm-1高电场下的高灵敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2）。此外，该探测器在30天内保持了稳定的响应。【科学亮点】1. 实验首次采用气氛导模法，在Ar和HBr混合气氛中成功生长了高质量的形状控制CsPbBr3单晶（SCs），并获得了较低的陷阱密度、高电阻率（1.61 × 1010 Ω cm）以及较大的离子迁移活化能（0.378 eV）。2. 实验通过与采用垂直布里奇曼法生长的CsPbBr3单晶对比，验证了EFG-CsPbBr3单晶在电阻率、离子迁移活化能和漏电流控制方面的显著改进。EFG-CsPbBr3单晶显示出更低的漏电流和基线漂移，从而提高了X射线探测器的性能。3. 基于EFG-CsPbBr3单晶的X射线探测器，在5,000 V cm-1的高电场下展现出出色的性能，包括极低的暗电流漂移（1.68 × 10-9 μA cm-1 s-1 V-1）、极低的检测限（10.81 nGyair s-1）以及灵敏度高达46,180 μC Gyair-1 cm-2。此外，该探测器在30天内保持了稳定的响应，证明了其长期稳定性和高性能。4. 研究提出了一种有效的策略，通过优化铅卤化物钙钛矿单晶的生长工艺，提高了其在X射线检测和成像中的性能，为未来的高性能X射线探测系统提供了新的思路。【科学图文】图1：导模法edge-defined film-fed growth，EFG生长的CsPbBr3单晶single crystals，SCs。图2：导模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的光电性能比较。图3：导模法EFG-CsPbBr3和垂直Bridgman法VB-CsPbBr3的离子迁移特性。图4: X射线检测响应和灵敏度。图5:X射线检测极限和成像。【科学结论】本文提出了一种高效的新型气氛可控导模法生长（EFG）技术，以解决钙钛矿材料在X射线检测中的关键问题。传统的钙钛矿探测器面临的主要挑战是离子迁移导致的噪声和基线漂移，这严重影响了探测性能和成像质量。通过优化生长环境，EFG技术显著降低了CsPbBr3单晶的陷阱密度，提高了电阻率和离子迁移活化能，从而减少了漏电流和暗电流漂移。这种改进不仅增强了探测器的灵敏度（46,180 μC Gyair-1 cm-2），还降低了检测限（10.81 nGyair s-1），并且设备在高电场（5,000 V cm-1）下保持了稳定的性能，能够在无封装条件下持续工作30天。此研究为提升钙钛矿材料在X射线检测和成像中的应用性能提供了一种切实可行的解决方案，展现了在高性能辐射探测器领域的广阔前景。原文详情：YWang, Y., Sarkar, S., Yan, H. et al. Critical challenges in thedevelopment of electronics based on two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01210-3