知识背景

波长介于10-100埃范围的X射线称为软X射线。入射X射线光子同晶体原子中与核结合较紧的电子进行弹性碰撞产生，辐射出的散射波仅改变方向，无能量损失，波长和位相不变，该现象称为X射线相干散射。依托该原理可以做分子和超分子结构类型的检测，以及材料分析和医学诊断等。

虽然X射线的相干散射现象为世人发现已久，但是碍于技术条件发展，仍未能普遍应用到医学诊断和材料分析中，这里除了射线源的限制，检测器本身的发展也是一个关键条件。

应用挑战

当前绝大多数的软X射线束，比如SOLEIL同步中心的SEXTANT射线束，使用的都是内置在真空环境中的背照CCD。探索道路上的科学家永远无法被当下技术满足，事实也证明这些主流背照CCD仍会有一些令人烦躁的缺点，比如采集时间过长，图像对比度低，边缘不清晰，容易出现像素溢出现象等。

市面上的CMOS的确常被作为X射线的非直接检测器组件,用于硬X光断层成像或者Ptychography实验性终端平台。但是很多软X射线（能量在几十到2keV之间）的应用并未得益，比如X射线全息成像。目前商用化的sCMOS多是前照式结构，其像素虽然可以通过加装微透镜提高进光量，但这对1keV以下的X射线却是个致命的威胁。

解决方案

Dhyana 95（TUCSEN PHOTONICS）作为新一代sCMOS的典型代表，搭载了最新背照式sCMOS芯片，光谱响应覆盖180-1100nm，同时拥有22.5mmx22.5mm大面阵，11μmx11μm像素尺寸，95%QE超高量子效率，以及高帧率与低噪声等优秀品质，完全有能力成为软X射线研究的新宠。

应用示例

来自法国SOLEIL synchrotron(同步加速器研发中心)的科学家Kewin与其同事正在研究如何提高软x射线相干散射信号的获取能力，他们使用Dhyana 95相机做了一些初步的测试评估。

图1: Dhyana 相机被安装在METROLOGIE光束线的反射计腔体内

下图的右图是由Dhyana 95采集到的衍射图，其衍射级数达到极大值6阶，表明Dhyana 95具有非常优秀的的动态范围。

图2:由Dhyana 95记录的186 eV的一个5微米针孔的衍射光斑

下图的右图是由Dhyana95拍摄的50张100 ms曝光时间的图像累积而成的辐照图，总采集时间小于10 s，而同样的图像效果通过背照式CCD相机需要几分钟才能实现，对比凸显了Dhyana 95读取速度的优势。

图3:由11个直径为200纳米，x射线能量束为700 eV的测试掩模在六色体波束上的辐照反应

应用总结

客户评价：“Dhyana 95拥有的鲜明特性使其成为上一代同步加速器的软X射线应用中常用的背照式CCD的一个绝佳替代，比如相干散射实验，就会因其高帧率完全受益。”

现阶段Kewin团队对Dhyana 95十分满意。它不仅表现出了优秀的线性度，动态范围和量子效率，极大地缩减了成像时间，而且性价比极高，截至目前Dhyana 95出色的成像能力使得他们的实验进展非常顺利。

Kewin及其同事的此项初步研究成果已在SRI2018年会上进行了展演。接下来他将和他的同事们进一步探索背照式sCMOS以及Dhyana 95相机在X射线方向的应用潜力，Tucsen也将一如既往助力他们获得更多丰硕成果。

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感谢来自法国SOLEIL synchrotron的科学家Kewin Desjardins提供以上资料。

参考资料：

Kewin Desjardins, Horia Popesc1, Pascal Mercère, Claude Menneglier,Roland Gaudemer, Karina Thånel and Nicolas Jaouen. SRI2018.

Characterization of a back-illuminated CMOS Camera for soft x-ray coherent scattering

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