近日，上?？萍即髮W(xué)牽頭研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款混合積分型像素陣列探測(cè)器“星光”，實(shí)現(xiàn)100ns小角散射信號(hào)探測(cè)，助力高能同步輻射光源（HEPS）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)線(xiàn)站（SDB）完成了小角散射時(shí)間分辨率這一關(guān)鍵指標(biāo)的工藝測(cè)試。

“星光”探測(cè)器在HEPS-SDB束流實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，充分印證了其在超快X射線(xiàn)科學(xué)研究中的巨大應(yīng)用前景，解決了目前計(jì)數(shù)型探測(cè)器時(shí)間分辨率不足、間接探測(cè)型探測(cè)器信噪比不佳等應(yīng)用瓶頸。該探測(cè)器的成功研制將為我國(guó)新一代高亮度先進(jìn)光源（包括X射線(xiàn)自由電子激光裝置和第四代衍射極限同步輻射裝置），開(kāi)展相干衍射成像、泵浦探測(cè)、時(shí)間分辨串行晶體學(xué)等前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)有力的解決手段。

“星光”探測(cè)器是一款硅基混合型像素陣列探測(cè)器，由上?？萍即髮W(xué)牽頭，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、微電子所和上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所共同研制。其采用電荷積分讀出的信號(hào)處理方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高亮度、脈沖型光子或電子的有效探測(cè)；采用像素內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)幀刷新成像（當(dāng)前1kHz，目標(biāo)≥10kHz）；采用三級(jí)增益自適應(yīng)電荷靈敏前放設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超大動(dòng)態(tài)范圍（從單光子靈敏到≥10⁴光子/像素/幀 @ 12keV）；采用模塊化和高精度拼接設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大探測(cè)面板（目標(biāo)≥20cm×20cm）。

SDB是HEPS的特色線(xiàn)站之一，主要聚焦于增材制造、動(dòng)態(tài)加載等不可逆過(guò)程的超快時(shí)間分辨原位、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)表征。其中，小角散射時(shí)間分辨率是該線(xiàn)站的關(guān)鍵指標(biāo)之一，設(shè)計(jì)指標(biāo)為2μs。10月13日，在線(xiàn)站常規(guī)探測(cè)器信噪比受限、無(wú)法獲取高質(zhì)量小角散射信號(hào)的情況下，應(yīng)線(xiàn)站邀請(qǐng)，“星光”探測(cè)器團(tuán)隊(duì)協(xié)助開(kāi)展了小角散射時(shí)間分辨率指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并順利獲取了最短單幀100ns曝光的小角散射信號(hào)。該測(cè)試結(jié)果優(yōu)于線(xiàn)站設(shè)計(jì)指標(biāo)20倍，保障了線(xiàn)站全指標(biāo)工藝測(cè)試的順利通過(guò)。

后續(xù)，HEPS-SDB又利用“星光”探測(cè)器開(kāi)展了針對(duì)動(dòng)態(tài)、非可逆過(guò)程的超快X射線(xiàn)衍射驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鎳基高溫合金等的增材制造原位表征?！靶枪狻碧綔y(cè)器以1kHz幀頻、3μs曝光時(shí)間捕捉到了材料快速熔凝過(guò)程的晶格旋轉(zhuǎn)、晶粒析出等動(dòng)態(tài)演化行為。

“星光”探測(cè)器在HEPS-SDB現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)物圖片

“星光”探測(cè)器在HEPS-SDB測(cè)試到的小角散射信號(hào)

“星光”探測(cè)器在HEPS-SDB探測(cè)到的帶織構(gòu)多晶珠光體鋼的激光單點(diǎn)重熔過(guò)程