MiniPIX多功能探测器用于提升基于罗兰圆几何的X射线吸收精细结构谱仪性能

X射线吸收精细结构谱学（XAFS）是一种重要的材料表征方法，通过X射线吸收、荧光发射等可以获得材料的元素种类、价态及配位结构等组成结构信息。早期的高分辨X射线吸收精细结构谱（HR-XAFS）测试主要依赖于单色性好、亮度高、连续能量可调的同步辐射光源，这极大地限制了XAFS在各领域的广泛应用。近年来，随着实验室X射线光源、高质量弯晶及X射线探测器等X射线核心元器件的发展，基于罗兰圆几何、非扫描von Hamos几何等的实验室X射线吸收精细结构谱仪也开始出现，并已成功应用于多个学科领域[1]。

尽管如此，高能量分辨率和高探测效率仍然是实验室X射线吸收精细结构谱仪不断追求和发展的方向[2-4]。

今天我们将介绍基于MiniPIX的光子计数、像素化X射线探测器（或混合像素X射线探测器）在罗兰圆几何的X射线吸收精细结构谱仪中的应用及其对谱仪性能的提升。

在罗兰圆几何的扫描系统中，所有的晶体点阵面被弯曲成曲率半径为2R的圆弧，高功率的X射线源、分光晶体和探测器分别放置于半径R的罗兰圆周上，X射线经球面分光晶体单色并聚焦于探测面，通过转动分光晶体到罗兰圆上不同位置，可以得到不同的入射角度，探测器在相应的聚焦位置就可以探测到不同能量的X射线。这种单色光入射测试的优势在于可以获得高能量分辨率的光谱数据。

但实际上，X射线源的尺寸、分光晶体的达尔文宽度以及及系统的几何像差等都可能导致罗兰圆几何系统的能量分辨率恶化[2]。传统应用于该几何系统中的硅漂移（SDD）探测器的能量分辨率通常可以达到100 eV以上，根本无法甄别由系统几何像差引起的分辨率的能量展宽。

具有像素化特点的光子计数像素化X射线探测器是一类新兴的X射线探测器，具有无噪声、高效率和单光子探测的特点，能够实现对X射线能量、位置和时间信息的采集。由于光子计数像素化X射线探测器的单个像素尺寸对应的能量带宽是远小于罗兰圆几何像差导致的能量展宽的，因此将其应用于罗兰圆几何的谱仪系统中，通过能量步进扫描的方式，可以建立探测器单个像素和能量带宽的对应关系。在实际实验测试时，如果只针对探测面上沿分光晶体子午方向的中心单排像素阵列进行光子计数，理论上是可以极大提高罗兰圆几何谱仪的能量分辨能力。

为了印证这一理论猜想，2005年Huotari等人在欧洲同步辐射（ESRF）ID16线站上搭建了一套罗兰圆几何的X射线谱仪，在近背散几何（入射的布拉格角近90°，此时约翰几何的像差最小）的情况下，使用基于MediPIX2芯片的混合光子计数探测器对单色聚焦的光子数目进行采集[2]。实验测试结果如图2所示，可以看到，采用单排像素阵列计数（PSD）得到的分辨率测试结果明显优于所有像素阵列积分（PISD）得到的测试结果。

为了进一步探索这种光子计数、像素化X射线探测器对实验室X射线吸收精细结构谱仪系统能量分辨率的影响，2021年来自赫尔辛基大学的Zaka博士及其研究团队首次将ADVACAM公司提供的基于TimePIX3芯片的MiniPIX探测器应用于实验室罗兰圆几何的X射线吸收精细结构谱测试，并对比分析了使用和未使用像素色散补偿机制两种情况下几种含铁材料的光谱质量，结果如图3所示[5]。从这几组对比的光谱数据结果可以看出，尽管未经处理的原始光谱数据已经能够区分出材料中不同价态的Fe的能量吸收边位置，但和同步辐射测试的数据结果相比，光谱表现出明显的能量展宽，难以满足更高能量分辨（尤其是混价金属）的实验测试需求。相比之下，经像素色散补偿处理的光谱数据，由于极大消除了由光源尺寸、系统几何像差等引起的能量展宽，光谱的分辨率得到显著提升。

MiniPIX探测器使得XAFS-CT联合系统成为可能

多种分析技术联用是当前材料分析表征重要的发展方向，多种方法相互融合能够使材料表征趋向快速、准确、简便和自动化。在罗兰圆几何的扫描系统中，通过调整不同元素吸收边缘的入射X射线能量，采用混合光子计数探测器可以将CT与XAFS技术联用获得材料元素在2D或3D图像中的化学映射。2023年赫尔辛基大学的研究小组将MiniPIX混合光子计数探测应用于罗兰圆几何的成像谱仪，通过在元素不同吸收边能量下采集并剪影得到了不同价态的硒物种（Se、Na2SO3和Na2SO4）在PMMA材料中的分布图像，如图5所示。可以看到，得益于MiniPIX探测器无噪声和对X射线探测高灵敏度的特点，在非常短的时间内便可获得高质量的成像和光谱数据。

图4 XAFS-CT联用系统的光路结构示意图（左图）和实物照片（右图）。图中应用了基于TimePIX芯片的MiniPIX探测器[5]。

图5 采用MiniPIX探测器在不同吸收边能量条件下采集并剪影得到的不同价态硒物种（Se、Na2SO3和Na2SO4）的3D可视化（左上图）和2D分布（下图）图像及Se的K边吸收光谱图（右上图）。单个图像采集时间为100s[6]。

光子计数、像素化X射线探测器（或混合像素X射线探测器）的基本结构、原理和工作模式

关于多功能Minipix探测器

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[2] Huotari, S., et al. Improving the performance of high-resolution X-ray spectrometers with position-sensitive pixel detectors. J. Synchrotron Rad. 12, 467–472 (2005).

[3] Honkanen, A. P., et al., Improving the energy resolution of bent crystal X-ray spectrometers with position-sensitive detectors. J. Synchrotron Rad. 21, 762–767 (2014).

[4] Genz, N. S., et al., Operando Laboratory-based X-ray AbsorptionSpectroscopy: Guidelines for Newcomers in the Field. Chemistry-Methods 4, e202300027 (2024).

[5] Zaka, A. et al. Energy resolution improvement of a laboratory scale X-ray absorption spectrometer using a position-sensitive detector. Finland, University of Helsinki (2021).

[6] Honkanen, A. P., et al., Monochromatic computed tomography using laboratory-scale setup. Sci. Rep. 13, 363 (2023)