x射线相干衍射成像原理示意图
x射线的应用十分广泛,包括x射线相干性衍射成像、x射线等离子体诊断、euv光刻、软x射线显微成像、x射线谱、条纹相机和微区ct探测等。
相干衍射成像(coherent diffraction imaging, cdi)是近年来自由电子激光的重要应用领域之一。 利用自由电子激光产生的紫外或者x射线,cdi技术可以10nm级甚至更优的空间分辨率,突破传统光学成像的局限。
以henry n. chapman发表在nature physics 论文(doi:10.1038/nphys461)为例,作者利用了德国desy光源的自由电子激光首次实现了单脉冲cdi成像:波长32nm,25fs的超短脉冲,单脉冲光子数高达10^12个光子。且如图所示,cdi 成像分辨率高达62nm,是32nm波长的采样极限。
实验装置示意图
重建的x射线图像未被毁坏,分辨率可达62nm
在前沿的cdi实验中,除了需要高质量的光源,科研级的探测器也十分关键。而相干衍射成像技术中,对探测器最重要的两点要求就是:1. 满井容量大2. 芯片面积大
在一副衍射图像中,通常中心透射光斑的亮度是衍射光斑的10000倍以上,实验中需要用遮光板遮挡直接透射的信号,避免损伤探测器。除此之外,靠近中心的低阶衍射光斑也比远离中心的高阶衍射强很多。这就需要我们在探测到足够强的高阶弱信号同时,保证低阶强信号不饱和。这样满井容量越大,对实验数据分析越有利。
为x射线研究而生的新产品——sophia-xo相机
普林斯顿仪器最新推出的sophia-xo相机,采用最新的230ccd 芯片,单个像元尺寸为15x15μm,感光面积比传统的13.5μm像元提升了23%,更重要的是,满井容量提升了50%,高达150ke-/pixel,为高质量cdi数据提供保证。
更大的像元尺寸——15μm
除此之外新一代的sophia-xo大面阵相机还提供4096x4096的芯片格式,芯片整体尺寸高达61.9x61.9mm。更大的成像市场可以有效提升实验的灵活度和数据采集能力。在cdi实验中可以将探测器放置在距离样品更远的位置,获得更高的空间采样分辨率。
更大的芯片面积——4k×4k格式
大面阵ccd虽然能够为实验带来很多便利,但是其漫长的读出时间却成为提升实验效率最大的瓶颈。
普林斯顿仪器新一代sophia-xo相机采用最新的4读出口并行设计,最快adc效率高达16mhz,1600万像素点全部读出也仅需1.2秒,是传统大面阵ccd速度的5倍。
更快的读出速度
普林斯顿仪器的采用热电制冷的高灵敏度、高速成像的sophia-xo相机采用背照式ccd芯片,可直接检测vuv和x射线(~ 5 ev到30 kev)宽范围能量的光子。
sophia-xo相机是专门为科学应用而设计的,可应用在vuv/ euv/ xuv成像、x射线衍射、x射线显微术、x射线全息术、x射线光谱学和x射线等离子体等领域。
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