辨射线晶体谱仪

近日，中科院高能所自主研制的球面弯曲分析晶体取得突破性进展，助力高能同步辐射光源（HEPS）高能量分辨谱学线站建设。针对国内高压科学、能源材料等多学科的学科优势，为满足广大用户需求，HEPS高能量分辨谱学线站正在设计建造一台具有先进国际水平的X射线拉曼散射（XRS）谱仪—“乾坤”。其中，球面压弯分析晶体基于罗兰圆几何条件，将特定能量的X射线聚焦至探测器上，是XRS谱仪的核心光学部件。聚焦面形精度和高能量分辨是球面弯曲分析晶体的两项极为关键，又互相影响的技术指标，因而极具挑战性。“乾坤”谱仪采用6组模组化分析晶体阵列，由90余块半径1m的分析晶体构成，其晶体能量分辨的设计指标与电子-空穴态寿命展宽数量级相当，达到ΔE/E~10-5，球面弯曲面形精度满足1:1聚焦需求。在HEPS工程指挥部的部署下，HEPS高能量分辨谱学线站团队与光学设计、光学机械、光束线控制系统相关人员，联合多学科中心晶体实验室积极攻关。线站核心成员郭志英、多学科中心晶体实验室刁千顺，经过多年技术攻关和反复尝试，不断改进优化分析晶体制备工艺，最终探索出兼顾能量分辨与聚焦特性于一体的球面弯曲分析晶体制备方法。今年10月2日-5日，项目团队在北京同步辐射装置（BSRF）1W2B线站上，采用Si(111)双晶单色器Si(220)切槽单色器两次单色化、毛细管微聚焦的光学配置，利用自研三元谱仪样机，对谱仪单模组内15块分析晶体（图1），采用EPICS-Bluesky控制系统实现单色器联动扫描，开展了批量、高精度指标测试（装置见图2）。优化后入射能量带宽实现高分辨，达到半高全宽0.8eV@9.7keV，分析晶体自身能量分辨（图3）达到半高全宽~1eV@9.7keV，与理论预测值相当，聚焦特性得到充分验证(图3、图4)，各项指标全部满足工程设计需求。HEPS高能量分辨谱学线站是我国首条专注于硬X射线非弹性散射谱学实验的线站，聚焦核能级超精细结构、声子态密度、芯能级电子跃迁和价电子激发的探测，主要提供核共振散射（NRS）、XRS、共振非弹性散射（RIXS）等谱学方法，服务于量子科学、能源科学、材料科学、凝聚态物理、化学、生物化学、地学、高压科学、环境科学等多学科前沿研究。其中，XRS是一种基于X射线非弹性散射原理的先进谱学实验技术，欧洲ESRF （72块分析晶体）、美国APS（19块分析晶体）、日本SPring-8（12块分析晶体）、法国SOLEIL（40块分析晶体）、英国Diamond光源等光源已建成或规划建设XRS旗舰线站。由于非弹性散射截面极小，比X射线吸收截面小4~5个量级，XRS实验技术需要高亮度光源以增加入射光子通量，同时也需要大立体角谱仪提高探测效率，而大立体角探测需要多块发现晶体实现。首批分析晶体的指标通过在线测试，将满足大批量分析晶体加工的工程需求，对HEPS“乾坤”谱仪、高能量分辨谱学线站的实施都具有里程碑意义。值得一提的是，该类型分析晶体的工艺也已经用于多种类型谱仪分析晶体的研制。接下来，该团队将高质量完成其余模组分析晶体的批量加工，同时，将致力攻关无应力高能量分辨分析晶体的研制。晶体研发工作还获得先进光源技术研发与测试平台PAPS的支持，BSRF-1W2B、3W1、4W1A、4W1B线站提供机时。图1. HEPS自研分析晶体图2. 分析晶体测试装置，其中，左图给出了散射光和分析晶体分析光路示意图图3 分析晶体测试结果，左上为4#晶体能量分辨率实验结果和拟合曲线，左下为三块晶体在探测器上的聚焦光斑，右侧为分析晶体能量分辨率批量测试结果图4 扫描单色器能量时探测器上的光斑变化情况图5 测试人员合影

人工晶状体植入术是目前矫正无晶状体眼屈光的最有效的方法，它在解剖上和光学上取代了眼睛原来的晶状体，构成了一个近似正常的系统，尤其是固定在正常晶状体生理位置上的后房型人工晶状体。其术后可迅速恢复视力，易建立双眼单视和立体视觉。在上海某专科医院，一名患者在眼部植入人工晶体五年后， 手术效果出现非正常下降。为了排查原因，将人工晶体取出进行剖析，发现晶体一侧表面已非本来的光滑状态， 出现了混浊。该表面的混浊是植入效果变差的原因，但晶体表面变浑的原因不明。研究其混浊部分的来源，对延长人工晶体植入术的疗效有积极意义。该人工晶体材质为聚甲基丙烯酸甲醋，简称PMMA。植入人体后， 表面沉积的物质可能为有机质，也可能为无机的生物钙化物质。为了更全面的剖析其成分，我们结合岛津EDX和FTIR对其表面混浊部位进行了分析。检出的元素与文献报道中的磷酸钙沉积一致。在生物领域无机元素的定性剖析中， EDX可发挥其无破坏性、定性方便快速，并可实现半定量和薄膜分析的效果，具有很好的应用前景。 了解详情，敬请点击《岛津能量色散X射线荧光和红外光谱仪测试人工晶体上的异物》关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以“为了人类和地球的健康”为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。

中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在Advanced Materials上。 　　当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构(图1a)。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料(Photoconductor)以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。 　　科研团队在前期研究的基础上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出异质结X射线光电晶体管(Heterojunction X-ray Phototransistor)这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到109μCGyair-1cm-2(图2c)，最低可检测剂量率低至1 nGyair s-1。同时，探测器具有较高的成像分辨率(图2e)——X射线成像调制传递函数(MTF)在20%值下显示每毫米11.2线对(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。 　　高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性(图2d)、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。 　　研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。图1.a、传统X射线探测器中，间接探测(左)使用闪烁体材料与光电二极管可见光探测器相互集成，X射线通过闪烁体材料转换为可见光，可见光由光电二极管探测器探测；直接探测(右)使用如非晶硒等半导体材料，半导体吸收X射线后直接产生电子-孔穴对，在半导体材料上施加高电场，分离和收集电子-空穴对；b、X射线光电晶体管结构，异质结中电子-空穴对产生(1)、分离(2)、电子捕获/空穴注入(3)和空穴再循环(4)产生高增益效应的过程图示图2.a、X射线光电晶体管器件结构；b、X射线探测的时间响应；c、X射线辐照下探测器灵敏度随栅压的变化关系；d、柔性X射线光电晶体管器件；e、金属光栅的光学显微照片(上)与X射线成像图(下)，scale-bar为200微米；f、X射线光电晶体管的MTF曲线