软 X 射线直接探测

CCD 已日益专门化以满足商业和科学市场不断变化的需求。在科学市场，CCD 已通过多种方式改进和优化，以在从光谱学和半导体测试到生物成像和遗传研究的广泛应用中提供高性能。

CCD 已日益专门化以满足商业和科学市场不断变化的需求。在科学市场，CCD 已通过多种方式改进和优化，以在从光谱学和半导体测试到生物成像和遗传研究的广泛应用中提供高性能。

对科学级 CCD 的设计修改最初由 X 射线天文学应用兴趣驱动，已大幅扩展同步辐射设施 X 射线成像和 X 射线光谱学的领域。设备已被设计用于检测从远低于 100 eV 一直到 100 keV 及更高（整整三个数量级）能量范围的 X 射线，使其在高灵敏度与二维探测器相结合的研究中不可或缺。这些设备用于多种 X 射线技术，包括 X 射线显微镜、X 射线光刻、X 射线光谱学、X 射线晶体学以及 X 射线无损检测。

在直接检测相机中，CCD 直接暴露于入射 X 射线光子，从而实现光子的直接吸收（即检测）。根据 X 射线能量范围，使用无抗反射（AR）涂层的背照 CCD，或前照或背照深耗尽 CCD。

当暴露于可见光（380-750 nm）时，前照和背照 CCD 在外延层中为每个吸收的光子产生一个电子-空穴对。在这些设备中实现最高量子效率（QE）所需的最优层厚度随波长变化。前照和背照 CCD 制造商分别采用约 20 µm 和 15 µm 的厚度。尽管这些标准厚度可吸收约 30 eV 至 20 keV 范围内的 X 射线（图 1），CCD 内的其他组件也决定检测低能量和中能量 X 射线所需设备类型。

例如，由于前照 CCD 的电极结构和绝缘层会吸收 700 eV 以下能量的 X 射线光子，检测低能量 X 射线（约 30 eV 至 3 keV）需要背照 CCD 架构。背照 CCD 的横截面如图 2 所示。

对于低能量 X 射线（约 30 eV 至 500 eV），即使 AR 涂层本身也会吸收 X 射线光子。考虑到这一点，Teledyne Princeton Instruments 将其直接检测相机设计为无 AR 涂层。对于中能量 X 射线（约 3 keV 至 20 keV），可使用带或不带 AR 涂层的背照 CCD。

为满足中能量 X 射线范围更高 QE 的需求，CCD 制造商 Teledyne e2v 数年前开发了前照深耗尽技术以提高灵敏度。为在 QE、空间分辨率和瑕疵之间取得良好平衡，Teledyne e2v 采用 50 µm 厚的外延层。为优化探测器 QE，Teledyne Princeton Instruments PIXIS-XB 将这些传感器与铍窗结合使用，该设计使研究人员无需将探测器连接到真空室即可使用相机。

对于要求 X 射线灵敏度跨越低到中能量范围（约 30 eV 至 20 keV）的极端苛刻应用，Teledyne Princeton Instruments 还设计了 SOPHIA-XO 和 PIXIS-XO 相机，使用无 AR 涂层的背照深耗尽 CCD。这些型号配备可旋转 ConFlat 法兰，也可提供带铍窗的可拆卸 ConFlat 法兰。最后，为在真空室内提供终极操作灵活性，Teledyne Princeton Instruments 提供 PI-MTE3 相机，可配备上述任一 CCD 传感器。

X 射线光子穿过 CCD 各层时可通过康普顿散射、荧光或光电效应损失能量。对于 150 keV 以下的能量，光电效应占主导。因此，当 30 eV 至 20 keV 能量范围的 X 射线光子在硅中被吸收时，其能量通过光电效应转换，并根据初级 X 射线光子能量在 CCD 中产生电子-空穴对。在硅中产生一个电子-空穴对，X 射线光子平均需要 3.65 eV。因此，当 8.0 keV 的 X 射线光子被吸收时，约产生 2192 e-（8000/3.65）。注意，产生电子-空穴对所需平均能量的波动受 X 射线光子在硅内相互作用支配。这些波动由称为 Fano factor（硅为 0.1）的数值因子概括。

对于高度重视定量测量的科学应用，X 射线光子产生的电荷必须收集在一个像素内，然后传输到输出放大器，而不因电荷转移效率（CTE）不完美而遭受损失。根据其产生位置，有一定概率光电子电荷云会在两个或多个像素之间分裂。必须考虑这种不确定性水平以确保最准确的数据。

若电荷在无场层中产生，则通过扩散移动，要么复合，要么到达耗尽层场的边缘。任何到达（或在耗尽层内产生）的电荷被迅速漂移到表面收集位，径向扩展最小。在像素边缘附近或衬底深处产生的电荷可在像素间分裂。来自深层产生事件的部分电荷也可能复合，使电荷不守恒。

信号电荷的测量并不总是指示真实沉积能量，特别是对于在 CCD 深处产生的事件（前照设备中的高能量 X 射线）。部分事件也可能在单色 X 射线源产生的脉高分布中显现。

在背照设备中，无场层被蚀刻掉，电子直接在外延层中产生。因此，在此情况下，较低能量 X 射线的产生电子迁移也可能发生，因为它们在表面附近产生。

当探测器用于光子计数模式时，应确保：（1）与曝光时间相关的入射通量足够弱，以防止多路 X 射线光子到达同一像素；（2）系统中已实现区分单像素事件与多像素事件的方法（图 3）。通常使用强度阈值方法区分单像素和多像素事件。要利用此方法，必须为单像素事件和多像素事件选择精确阈值水平，如下例所示。

为直接 X 射线检测设计的 CCD 所获得的高灵敏度和更高 QE 伴随固有权衡，即一旦大量（即剂量/通量）X 射线辐射轰击 CCD，就会发生永久性损伤。特别是，观察到以下性能参数变化：

暗电流增加：当 X 射线光子撞击硅时，在硅与二氧化硅栅氧化层之间产生额外的界面态。这些新态具有硅带隙内的能级，导致暗电流增加。

平带电压偏移：当 X 射线在栅氧化层中被吸收时，产生电子-空穴对。部分电子被检测为信号，部分复合，其余电子从氧化层逃逸。然而，空穴的迁移率远低于电子；因此部分空穴被困在氧化层中。这些被捕获的空穴导致正空间电荷积聚，修改栅电位并增加外延硅活性区的电位。该效应称为平带电压偏移。若电荷积聚过大，可能需要调整 CCD 时钟和偏置电压以维持设备性能。

CTE 降低：若辐射能量足够高，硅晶格中将发生位移损伤。进而 CTE 将降低。要位移硅原子，约需 150 keV 的电子动能。在背照 CCD 中，入射光子在遇到栅结构之前到达外延层。因此，在低能量 X 射线范围内低于设备特定阈值的能量水平不会发生辐射损伤。即使在 X 射线到达电极结构的能量水平，辐射损伤也会延迟。

这些参数受不同类型辐射的不同影响——即质子、中子和重离子（高能粒子），以及电子、伽马射线、β 射线和 X 射线（电离辐射）。性能随电离辐射剂量累积而缓慢退化，但很少达到可能导致突然失效的灾难性水平。因此，标记有用寿命结束的特定辐射剂量因应用、X 射线能量和辐射通量而差异很大。其中一些效应是所有硅基设备固有的，但其他与 CCD 结构和制造工艺相关。

据报道，若因 X 射线辐照而暗电流高的设备在 forming gas（10% H2 90% N2）中约 350°C 处理数小时，CCD 性能可恢复至辐照前水平。

据报道，若暴露于 254 nm UV 波长源（EPROM 擦除光源）约 10 分钟，各种电压偏移可减少。

注意，这些处理可能使 CCD 更易受未来 X 射线损伤。然而，若在 350°C forming gas 退火完成后在空气中约 100°C 退火约 15 小时，则此效应可能被抵消。

本节列出的实验均未在 Teledyne Princeton Instruments 实验室进行，因此我们强烈建议在尝试这些程序时谨慎行事。根据特定 CCD 的损伤程度，可能需要调整温度或暴露小时数。

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