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光子计数器

2014-3-3 19:21:07 3363 计数器

光子计数探测器

混合像素探测器，为您的实验室精心准备

PILATUS混合像素探测器的设计是X射线探测领域的一次革命性成果，其能够实现最好的数据质量。该探测器将单光子计数和混合像素技术这两项关键技术相结合，应用于同步辐射和常规实验室光源等各个领域。单光子计数技术能够消除所有探测器噪声，并提供优质的实验数据。在采集数据时，能够有效排除读出噪声和暗电流的干扰，其在实验室光源的应用中具有特别优势。实验室X射线光源相比于同步辐射光源光强低得多，因而在成像过程中需要更长的曝光时间，其获得的信号也要弱的多。由于排除了暗电流和读出噪声， PILATUS探测器更加适合在实验室使用。混合像素技术可以直接探测X射线，与其他探测器技术相比能够获得更清晰，更易分辨的信号。加上读取时间短和连续采集的特点，PILATUS探测器可以高效提供优质数据。低功耗和低冷却需求，为您提供一个维护量极小的探测器系统，。PILATUS探测器系列是专为您在实验室中的需求定制，并且提供具有无与伦比价值的同步辐射验证的成熟探测技术。利用PILATUS独特的功能，可以从你的最具挑战性的样品获得最佳的数据。

针对您的需求

PILATUS探测器在众多同步辐射束线上获得成功应用。PILATUS的独特功能在实验室和相关工业应用的优势也很明显。现在DECTRIS的产品家族，包括一系列的PILATUS探测器，能够满足您在实验室的独特需求。固定能量标定和简化的读出电子器件可以完美匹配实验室相关需求，而且PILATUS完全符合您的预算。混合像素技术和单光子计数技术，这两项能够提升数据质量和采集效率的关键技术，在所有PILATUS探测器中完美应用。越来越多的实验室和工业应用的仪器可配备或升级为PILATUS探测器。您可以在设备中自由集成PILATUS 探测器模块，也可以直接采用 DECTRIS OEM合作伙伴的现成产品。

OEM合作整机合作

PILATUS探测器是现成的产品，我们的OEM合作伙伴：

- JJ X射线

- 理学

- STOE

-Xenocs

传感器层厚度[μm]

X射线能量	320	450	1000
5.4 KeV（Cr）	94%	94%	≥80%
8.0 KeV（Cu）	97%	98%	96%
9.2 KeV（Ga）	94%	97%	97%
17.5 KeV（Mo）	37%	47%	76%
22.2 KeV（Ag）	20%	27%	50%

表1：基于PTB实验室的BESSY II实验装置上测量的PILATUS传感器的量子效率。

可定制，以符合您的要求

除了标准的320微米厚的硅传感器，你可以定制您的PILATUS探测器450或1000微米厚的硅传感器以匹配您的X射线光源能量（见表）。这样能够在所有常见的实验室X射线能量下实现高量子效率。

水冷机型PILATUS 300K和300K-W提供了可选的真空兼容性。此定制使得探测器能够在真空中使用，如在SAXS装置的飞行管中。连续可调的能量阈值的选项可以有效抑制荧光信号。

关键优势

- 单光子计数模式中的直接探测X射线

- 无读出噪声

- 无暗电流

- 优秀的点扩散函数

- 高动态范围

- 读出时间短

- 高帧速率

- 高局部和全局的计数率

应用

- 生物大分子晶体学（MX）

- 单晶衍射（SCD）

- X-射线衍射（XRD）

- 小角散射与广角散射（SAXS/广角）

- 表面衍射

- 漫散射

- 时间分辨实验

- 成像

- 无损检测

PILATUS200K

ILATUS200K有效探测面积为84*70毫米，在各种不同的X射线应用领域均为理想的探测器。这是最紧凑的探测器，使您

可以充分利用所有PILATUS功能。在SCD和XRD应用中，采用PILATUS的局部和全局的高计数率，能够获得远远优于基

于气体放电或类似技术的计数探测器的成像效果。精巧的前部壳体和紧凑的尺寸能够探测到大衍射角的X射线，并且能够

有效利用样品周围的空间。全风冷和低功率消耗，PILATUS200K是一个几乎不需要服务和维修的探测器系统。

PILATUS 300K

PILATUS300K是在实验室中进行生物晶体学研究和小角散射研究（SAXS）的完美探测器。大传感器面积结合无快门数据采集，

可以轻而易举的采集具有良好分辨点的大晶胞的高分辨率衍射数据。小角散射研究得益于水冷式探测的出色稳定性，即使是

很长的曝光时间，也具有准确的精度，以确定和减去溶剂散射SAXS测量。此外，还可以采用可选的真空兼容的探测器。

PILATUS300K-W

PILATUS300K-W宽的矩形区域是非常适合WAXS2-D纹理分析和粉末衍射。成像区域超大的轴向尺寸使得探测器可以放置在直射

束非常接近的位置，为您提供在小角散射/广角散射（SAXA/WAXS）装置中测量广角散（WAXS）信号的终极探测器。与300K 类

似，300K-W PILATUS 也可以定制真空兼容性的自定义选项。

在您的实验室切片精细

PILATUS采集的精细φ切片。每个数据集的采集条件均为：

相同的角速度0.1°/S 下仅仅采集30分钟，每幅图采用如图例

所示的不断减少的旋转宽度和曝光时间。更短的采集时间能够获

得更好的实验数据。利用无噪声的PILATUS探测器获得的精细层

数据集可以获得最佳的数据质量（胰岛素，180°旋转角度范围，

微焦点密封球管，PILATUS300K）。

应用

PILATUS应用于实验室小角散射SAXS

由于其高动态范围，没有读出噪声和暗电流，高灵敏性和超强的稳定性，PILATUS探测器非常适合应用于实验室SAXS设备，高Q-范围测量极其微弱的信号，需要很长的曝光时间。由于完全没有暗电流，PILATUS探测器擅长在长曝光时间，获取卓越的数据。另一个优势是使用PILATUS时，探测稳定性高，甚至能够在很长的曝光时间下，以最好的精度，确定和减去溶剂散射。这种出色的稳定性源自单光子计数技术与混合像素技术以及简单却非常稳定的水冷技术的结合。

PILATUS探测器准确测量微弱信号的表现可圈可点，使您能够成功处理稀释了的样本。 SAXS与尺寸排阻色谱法相结合，是研究聚集或易降解系统、瞬态配合物、以及齐聚状态的强大方法。无噪声PILATUS探测器，使这些稀释的样本，能够在实验室进行可行的研究。此外，高帧速率和较短的读出时间也能够在蛋白质洗脱的过程中最大化采集时间从而更精细地进行数据采集。由于其可以揭示数据采集过程中辐射损伤的有价值的信息，超长曝光时间下对数据采集精细采样在常规SAXA 实验中极其有效。

PILATUS 应用于实验室生物大分子研究 MX

以最佳的精度测量微弱高分辨率反射信号确定图像的质量，并最终成功进行生物大分子研究。PILATUS探测器排除探测器噪声干扰的特点，可以有效提升弱反射信号的信噪比，并且能够在散射背景中减少衍射强度的重叠以获得更好的点扩散函数。此外，可以采用精细切片的策略，这样可以沿旋转方向减少背景重叠和降低斑块重叠，以进一步提高数据质量可，无噪声PILATUS探测器允许最优精细切片[1]，而CCD或CMOS等探测器需要，权衡读出噪声和复位噪声。

光束稳定对于实验过程和实验室系统可以表现出同步辐射束线的特征而言，都是至关重要的。将您的系统匹配PILATUS探测器，可以最大化实现实验室光源的极限优势。将高度稳定的实验室光源与无噪声高灵敏度的探测器系统相结合，可以再S-SAD和其他数据精度至关重要的实验方法中增加实验的成功概率。

PILATUS探测器对于整图像的读出的时间只有7毫秒，因此可以再连续旋转过程的采集中不需要快门而直接采集。这样降低了总的采集时间并且提升了采集效率，后者是高通量应用（比如片段筛选）的一个关键优势。

技术

1、混合像素技术

混合像素探测器将X射线直接转换成电子信号。其他类型的X射线探测器依赖中间步骤来捕获和转换X-射线。

以CCD和CMOS探测器为例，其先将X射线信号转换为可见光信号。可见光在转换所需的磷光体屏中的散射会

减弱信号并且降低空间分辨率。玻璃纤维光学元件会转换芯片上的光，会导致信号的进一步减弱和失真。这些

CCD探测器及其他类似探测器的固有设计限制在混合像素计数中并不存在。采用混合像素技术的X射线直接探

测可以提供更优的空间分辨率和更高的探测效率。混合像素探测器中，每个像素由两部分组成：感光像素和读

出像素。X射线光子由感光像素直接转换为电荷信号。读出像素对电荷信号进行处理和计数。混合像素

的每个独立像素中的感光像素和读出像素都有直接的电子学连接，可以防止信号的串扰和损失。这样使得每个

混合像素成为一个虚拟独立的X射线探测器，因此可以得到最低的点扩散、最高的灵敏度和极致的速度。

在PILATUS混合的像素探测器的没有读出噪声和暗电流。

单个PILATUS成像模块在没有X射线源照射的情况下100毫秒和1小时的成像图像。100毫秒后，由于读出图

像过程中没有噪声引入，所有像素计数为零。1小时后，由于在常曝光过程中没有暗电流累积并且在读出过程

中没有噪声引入，大部分像素仍然计数为零。曝光过程中的计数均来自于常规背景辐射，其计数率为0.15个

计数/小时/像素。

2、单光子计数

通过X射线的吸收，自由电荷被释放在感光像素中。单光子计数模式下X射线信号通过读出像素进行处理，其相对于信号积分模式具有多种优势。在能量沉积型探测器中，电荷在曝光过程中沉积下来。积分过程中，固有的暗电流会引入到沉积电荷中。暗电流会增加噪声与降低图像质量。在单光子计数型探测器中，信号产生于对通过X射线吸收而释放的单个光子分别计数。电荷在读出像素中被放大，并且如果信号强度超过一个可调节的阈值，一个吸收事件被数字化计数。这样一来，单光子计数的技术完全排除暗电流成为探测器噪声源的可能性，并且能够获得实现的数据。此外，单光子计数发生在飞行过程中的曝光，能够实现尽可能早的数字化和随后快速的无噪声的数字读出。因此，作为积分型探测器中另一个重要噪声来源的读出噪声，在单光子计数探测器中被完全排除。

特点

1、最佳信号噪声比

PILATUS混合像素探测器固有地排除本质上是没有暗电流和读出噪声的干扰。探测器没有噪声能够确保得到良好的信噪比的数据。相比传统的探测器，这使得在相同曝光时间内获得更优质的数据或者更短的采集时间得到相同的图像。记录弱衍射样品产生弱信号或者以最高分辨率记录弱信号时，无噪声检测器便显示出其最大的优势。

2、优异的点扩散函数

采用混合像素技术和X射线直接转换为电荷脉冲技术，PILATUS探测器的像素之间没有信号传播。这给于单个像素形成尖锐的点扩散函数（FWHM），并提供了各种各样的好处。间隔紧密的信号，甚至在不同强度的情况下，也能更加准确地分辨和测量。更清晰的信号，减少了散射或其他实验固有的背景的重叠，从而改善了信噪比。

3、高动态范围

计数器深度20位（约100万计数），结合探测器无噪声的特点，确保了前所未有的对比度和动态范围，另一个PILATUS标志是带来了优秀的图像和数据质量。极强和极弱的信号在单一的成像中就能够准确的检测到。

4、快速读出和快门操作

实验室设备中采用的PILATUS探测器读出完整的像，仅需要7毫秒。这样可以无快门的情况下，进行完整图像的连续采集。

几乎瞬时读数连续数据采集最大化设备的工作效率和数据生产率。

5、高局部和全局的计数率

PILATUS设有一个非常先进的ASIC技术实现单光子计数。这允许每一个像素中每秒钟精确地探测到多达一百万的光子。由于每一个像素是一个几乎独立的探测器，全局计数率和像素的数量有关。以这种方式，PILATUS探测器实现每秒和每平方厘米数十亿的光子的全局计数率。局部和全局的计数率的PILATUS探测器是远远优于那些基于气体放电或类似技术的计数探测器。

6、易于维护和操作

PILATUS探测器具有低功耗和冷却性能。所有探测器组件，在室温下操作，这大大简化了冷却。

PILATUS200K探测器是完全风冷和免维护。 PILATUS300K和300K-W采用低维护，闭路冷却水

的温度稳定在23℃。

7、PILATUS混合探测器的优异的动态测量范围和点扩散函数

衍射图像的细节显示出胰岛素晶体的相同反射。这些图像在用一个同步辐射束线上采用除探测器距离外相同的参数

采集而得，其探测器距离根据探测器尺寸被调整至能够在探测器的边缘获得同样的分辨率。PILATUS：20位计数器

深度混合像素探测器提供足够的动态范围，最大像素强度下最高纪录727,716个计数。得益于优秀的点扩散函数，

斑点被局限在一个小的区域。此外，低马赛克晶体的锐利的反射剖面精确地表示加上一个超过一千倍的相邻像素之

间的强度差异，CCD与CCD相同的反射记录包含许多重载像素的反射强度足以抹掉更大的面积。

PILATUS探测器系列技术规格

	300K	200K	300k－w
探测器模块数量	1＊2	1*3	3*1
敏感区域：宽×高像素尺寸面积[mm2][平方微米]	83.8*70.0	83.8*106.5	253.7*33.5
像素尺寸		172*172
总的像素数	487*407=198’209	487*619=301’453	1475*195=287’625
死区/模块有缺陷的	4.3%	5.5%	0.9%
像素之间的差距		《0.03%
最大帧速率[赫兹]		20
读数时间[ms]		7
点扩散函数		1pixel（fwhm）
计数器深度		20bits（1，048，576counts）
功耗[W]	24	30	30
尺寸（WHD）[MM3]	158157276	158193262	28062296
重量[kg]	5.4	7.5	7.0
冷却	Air－cooled	Water－cooled	Water－cooled
X射线能量	铬，锰，铁，铜，镓，钼，银靶线
标准配置	320微米的硅传感器、两个X-射线能量的校准
探测器选择	450或1000微米的硅传感器、为两个以上的X射线能量的校准，连续阈值（3.5-18千电子伏）、连续阈值（2.7 - 18千电子伏）真空兼容性