《阿贡国家实验室开发新型X射线探测器》

  • 来源专题:重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者: 魏韧
  • 发布时间:2020-09-14
  • 进行X光检查存在因辐射暴露增加癌症风险的可能。目前研究人员已经发现了一种新的方法,可以用较低的曝光量生成精确的X射线图像,这要归功于一组令人兴奋的材料。
    美国能源部(DOE)阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们定义了一种基于层状钙钛矿的新型X射线探测器,这种半导体材料也用于如太阳能电池和发光二极管等其他应用领域。这种基于新材料的探测器比传统的硅基X射线探测器灵敏度高100倍,可能很快就会进入各种不同的日常环境。
    钙钛矿材料之所以有效,是因为它以喷涂薄膜的形式沉积,这种生产方法与生长大型硅单晶相比,更有利于降低成本。原型的核心钙钛矿材料可以用低成本的溶液工艺制造技术生产。这种高性价比、高灵敏度、自供电的探测器,可以从根本上改进现有的X射线探测器,带来很多意想不到的应用。
    新型钙钛矿探测器还可以探测宽能量范围内的X射线,尤其是在较高的能量下。因为钙钛矿含有重元素,如铅和碘,它们比硅更容易吸收X射线。只要薄膜做得厚一点,外加一个小电压,钙钛矿技术甚至有可能用作伽马射线探测器。
    钙钛矿材料的开发和分析由阿贡国家实验室先进光子源APS(beamline 8-ID-E)和洛斯阿拉莫斯国家实验室装置物理学家Wanyi Nie领导的团队合作开展。材料和薄膜是在洛斯阿拉莫斯国家实验室制造,并被送到阿贡国家实验室进行掠入射广角X射线散射,提供关于薄膜结晶度的信息,显示了晶体如何在薄膜中定向,这关系到探测器的性能。
    研究人员还对薄膜的电荷传输特性与晶体结构和温度之间的关系进行研究。通过使用可在测量过程中改变样品温度并进行电接触的特殊平台,理解X光照射在样品上引发的电流产生和传输过程。他们认为,钙钛矿领域可能会继续产生重要的突破。

  • 原文来源:https://www.aps.anl.gov/APS-News/2020-04-23/argonne-scientists-fashion-new-class-of-x-ray-detector/2020-04-23/argonne
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    • 世界各地的科学家都使用同步辐射和X射线自由电子激光研究自然界中最快的过程。这些设施产生非常短的X射线脉冲,“冻结”快速运动,使研究人员得以拍摄清晰的快照。 美国能源部SLAC国家加速器实验室开发了新一代X射线探测器ePix10k,它每秒可以捕获1000张快照,还可以处理能量更强的X射线,灵敏度提高了3倍,分辨率高达到200万像素。该相机由两个核心部分组成:光敏传感器和专用集成电路(ASIC),后者处理传感器采集的信号,赋予相机独特的性能。 ePix10k将成为Linac相干光源(LCLS)X射线激光器的有力工具,并且还将惠及其他设施。美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源(APS)团队和德国的欧洲X射线自由电子激光器(EuXFEL)团队已在使用这项技术。SLAC公司的ePix X射线照相机是为满足使用强X射线光源研究化学、生物和材料的原子细节这一特殊需求而设计的,其可以处理极亮的X射线束和单个光子。 新的探测器可以让科学家们充分利用X射线源的能量,节省很多时间。新型ePix检测器已经在EuXFEL上使用,EuXFEL的最终设计目标是每秒发射27000次。 每秒可拍摄1000张图片的ePix10k技术是一个重要的里程碑,但是SLAC的X射线探测器开发人员已经面临着下一个挑战。目前正在SLAC建造的下一代X射线激光LCLS-II每秒将产生高达一百万个脉冲,目前世界上没有X射线探测器能跟上这个速度。 新一代的探测器ePixHR将能够每秒拍摄5000到25000张照片,现已处于原型制作阶段,探测器团队的最终目标是进一步推动探测器的技术指标达到每秒10万张。此外,该团队正在研究一种革命性的新型摄像机,称为SparkPix,能够以与LCLS-II发射X射线脉冲相同的高速率采集图像并实时处理数据。
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    • 编译者:魏韧
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    • 伽马射线能量跟踪阵列(GRETA)是一种先进的高纯度锗晶体球状阵列,可测量伽马射线信号,揭示原子核结构和内部作用的细节。2020年10月7日,美国能源部批准了GRETA项目,包括工作范围、进度表以及建设工程规划,这是一个关键的里程碑事件。 伽马射线是一种能量大、穿透力强的射线,当原子核从不稳定状态衰变为更稳定的状态时就会发出伽马射线。GRETA将提供有关物质性质和恒星如何创造元素的新见解,预计第一阶段的工作将在2023年完成,最终于2025年完工。它以伽马射线能量跟踪束内核阵列(GRETINA)为基础,该仪器的伽马射线探测晶体较少。 伯克利实验室在GRETINA和GRETA项目中发挥了领导作用,其核物理学家和工程师正在与阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室以及密歇根州立大学的团队合作开发GRETA。获得批准标志着成功完成了最终设计,并已经准备好建造这一阵列。下一个关键步骤是制造一米宽的铝制球体,以容纳探测器。 GRETINA和GRETA将安装在密歇根州立大学的稀有同位素束流设施(FRIB)中,该设施将于2022年投入运行。9月29日,FRIB被正式指定为美国能源部科学办公室用户设施的新成员。这样的用户设施现有28个,向美国和世界各地科学家开放。已有约1400名科学用户排队申请该设施的核物理实验。FRIB仍在建设中,进度约94%。 GRETINA配备了12个探测器模块和48个探测器晶体,GRETA还将增加18个探测器模块,共计30个模块和120个晶体。预计2024年底前将在GRETA内安装约18—20个探测器模块,2025年安装最终模块。 FRIB产生的稀有同位素束流击中固定目标时,可发生多种核反应。这些反应可以产生不同寻常的原子核,原子核发射出一系列伽马射线,从而提供关于原子核内部结构的信息。GRETA将全面包围这些目标,以获得各个方向和各种能量的伽马射线详细数据。超快电子技术将使探测器每个晶体每秒捕获多达5万个信号,专用计算集群将对每秒检测到的48万个伽马射线之间的相互作用进行实时处理。 FRIB将配备一台强大的加速器,可以利用像铀这样重的元素产生粒子束,具备利用高能束爆破目标的能力,可创造和研究1000多种新同位素。GRETA的设计非常灵活,可以容纳多种实验仪器,也可以移动,因此可以在FRIB的不同实验场所和其他设施使用,其还将服务于阿贡国家实验室的阿贡串列直线加速器系统(ATLAS)。GRETA将是FRIB许多实验的关键——计划在FRIB进行的实验中,约三分之二的研究将使用GRETA探测器。 GRETA的用途之一是在同位素变得不稳定之前,研究其富含中子的形式。这个极端状态被称为原子核滴线(drip line),代表了同位素无法携带更多中子之前的临界形式。GRETA还将被用于识别梨形(pear-like)原子核。此类实验将帮助科学家了解原子核性质的极限,提供关键数据,发现新的原子核,检验对自然界基本相互作用和支配物质结构作用力的理解。FRIB和GRETA在核科学实验中的灵敏度将比现有加速器和探测器的灵敏度高出10到100倍。 GRETA将在伯克利实验室进行建造、组装和测试,然后运往FRIB。伯克利实验室领导探测器的开发,并负责监督交付过程,同时还领导GRETA信号处理电子、计算和机械系统的设计和制造,大约25名伯克利实验室的科学家和工程师参与了GRETA项目;阿贡实验室正在开发有关触发和定时系统的电子设备;密歇根州立大学负责表征探测器性能;橡树岭实验室负责实时信号处理,以定位GRETA晶体内的伽马射线相互作用。GRETA建成后,伯克利实验室将继续在其电子、计算、升级、以及配置仪器方面发挥作用。