使用基于 CCD 技术的探测器直接检测 X 射线（30 eV 至 20 keV）

介绍

CCD 已变得越来越专业化，以满足商业和科学市场不断变化的需求。在科学市场中，CCD 已通过多种方式进行改进和优化，以在从光谱学和半导体测试到生物成像和基因研究的广泛应用中提供高性能。

对科学级 CCD 的设计修改最初是由对 X 射线天文学应用的兴趣推动的，极大地扩展了同步加速器设施的 X 射线成像和 X 射线光谱学领域。设备经过精心设计，可检测能量范围从远低于 100 eV 一直到 100 keV 及更高(整整三个数量级)的 X 射线，这使得它们对于将高灵敏度与两个相结合的研究具有无价的价值。三维探测器。这些设备用于许多 X 射线技术，包括 X 射线显微镜、X 射线光刻、X 射线光谱、X 射线晶体学和 X 射线无损检测。

在直接检测相机中，CCD直接暴露于传入的 X 射线光子，从而能够直接吸收(即检测)光子。根据 X 射线能量范围，可以使用不带增透膜 (AR) 的背照式 CCD，也可以使用前照式或背照式深耗尽 CCD。

基本原则

当暴露于可见光 (380-750 nm) 时，前照式和背照式 CCD 会在外延层中为每个吸收的光子生成单个电子空穴对。在这些器件中实现比较高量子效率 (QE)所需的比较好层厚度随波长而变化。前照式和背照式 CCD 制造商已分别确定约 20 μm 和 15 μm的厚度。尽管这些标准厚度可以吸收大约 30 eV 到 20 keV 范围内的 X 射线(图 1)，但 CCD 内的其他组件有助于确定检测低能和中能 X 射线所需的设备类型。

图 1：不同能级下的 X 射线衰减长度。

例如，由于前照式 CCD 的电极结构和绝缘层都会吸收能量低于 700 eV 的 X 射线光子，因此需要背照式 CCD 架构来检测低能量 X 射线(约 30 eV)至 3 keV)。背照式 CCD 的横截面如图 2 所示。

当涉及低能量 X 射线(大约 30 eV 至 500 eV)时，即使AR 涂层本身也可以吸收 X 射线光子。考虑到这一点，Teledyne Princeton Instruments 设计了不带 AR 涂层的直接检测相机。对于中等能量 X 射线(约 3 keV 至 20 keV)，可以使用带或不带 AR 涂层的背照式 CCD。

图 2： A) 前照式深耗尽 CCD 的横截面。 B) 背照式 CCD 的横截面。C) 背照式深耗尽 CCD 的横截面。

为了满足中等能量 X 射线范围内更高 QE的需求，CCD 制造商 Teledyne e2v几年前开发了前照式深耗尽技术，作为提高灵敏度的一种方法。为了在 QE、空间分辨率和缺陷之间实现良好的平衡，Teledyne e2v 采用50 μm 厚的外延层。为了优化探测器 QE，Teledyne Princeton Instruments PIXIS-XB将这些传感器与铍窗结合使用，这种设计使研究人员可以自由使用相机，而无需将探测器连接到真空室。

对于要求 X 射线灵敏度跨越中低能量范围(约 30 eV 至 20 keV)的极其苛刻的应用，Teledyne Princeton Instruments 还设计了SOPHIA-XO和PIXIS-XO相机，它们使用背照式、无增透膜的深耗尽型 CCD。这些型号具有可旋转的 ConFlat 法兰，但也可以配备带铍窗的可拆卸 ConFlat 法兰。最后，为了在真空室内实现最终的操作灵活性，Teledyne Princeton Instruments 提供了PI-MTE3相机，它可以与任何上述 CCD 传感器一起提供。

电荷产生机制

穿过 CCD 各层的 X 射线光子可能会因康普顿散射、荧光或光电效应而损失能量。对于低于 150 keV 的能量，光电效应占主导地位。因此，当硅吸收 30 eV 至 20 keV 能量范围内的 X 射线光子时，其能量通过光电效应进行转换，并根据初级 X 射线光子能量在 CCD 中生成电子空穴对。为了在硅中产生一对电子空穴，每对 X 射线光子平均需要 3.65 eV。因此，当吸收 8.0 keV 的 X 射线光子时，它会产生约 2192 e- (8000/3.65)。请注意，产生电子空穴对所需的平均能量的波动受以下因素控制：硅内 X 射线光子的相互作用。这些波动由称为 Fano 因子(硅为 0.1)的数值因子来概括。

收费机制

对于高度重视定量测量的科学应用来说，重要的是，X 射线光子产生的电荷被收集在一个像素内，然后传输到输出放大器，而不会因电荷转移效率 (CTE) 不完美而造成损失。根据其生成地点，光电子电荷云有可能在两个或多个像素之间分裂。为了确保最准确的数据，必须考虑这种程度的不确定性。

如果电荷在无场层中产生，则它通过扩散移动并重新组合或到达耗尽层场的边缘。到达耗尽层(或在耗尽层内产生)的任何电荷都会以最小的径向扩散迅速漂移到表面收集位点。靠近像素边缘或基板深处产生的电荷可以在像素之间分裂。来自深度生成事件的一些电荷也可能重新组合，使得电荷不守恒。

信号电荷的测量并不总是表明真实的沉积能量，特别是对于 CCD 深处产生的事件(前照式设备中的高能 X 射线)。一些部分事件在单色 X 射线源生成的脉冲高度分布中也可能是明显的。

在无场层被蚀刻掉的背照式器件中，电子直接在外延层中产生。因此，在这种情况下，产生的电子的迁移也可能发生在较低能量的 X 射线中，因为它们是在表面附近产生的。

当探测器用于光子计数模式时，应采取措施确保 (1) 与曝光时间相关的入射通量足够弱，以防止多重射线光子到达同一像素，并且 (2)系统中实现了区分单像素事件和多像素事件的方法(图 3)。通常，强度阈值方法用于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的阈值水平，如下例所示。

图 3：单像素和多像素事件的示例。

深色像素表示高于单像素阈值的计数，阴影像素表示单像素阈值和多像素阈值之间的计数。

辐射损伤

专为直接 X 射线检测而设计的 CCD 所获得的良好灵敏度和更高的 QE 伴随着固有的权衡，即一旦大量(即剂量/通量)的 X 射线辐射轰击 CCD，就会发生长久性损坏。特别是，观察到性能参数的以下变化：

暗电流增加：当 X 射线光子撞击硅时，它们会在硅和二氧化硅栅极氧化物之间产生额外的界面态。这些新状态的能级位于硅带隙内，导致暗电流增加。

平带电压偏移：当 X 射线被栅极氧化物吸收时，会生成电子空穴对。一些电子被检测为信号，其中一些电子重新结合，其余电子从氧化物中逸出。然而，空穴的迁移率远低于电子的迁移率;因此，一些空穴被困在氧化物中。这些捕获的空穴导致正空间电荷的积累，从而改变栅极电势并增加外延硅有源区的电势。这种效应被称为平带电压偏移。如果电荷积累变得太大，则可能必须调整 CCD 时钟和偏置电压以维持器件性能。

CTE降低： 如果辐射能量足够高，硅晶格中就会发生位移损伤。反过来，CTE 也会降低。为了取代硅原子，需要大约 150 keV 的电子动能。在背照式 CCD 中，入射光子在遇到栅极结构之前到达外延层。因此，在低能 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上，辐射损伤也会被延迟。

这些参数受到各种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)。随着电离辐射剂量的增加，性能会缓慢下降，但很少达到可能导致突然故障的灾难性水平。因此，标志着使用寿命结束的具体辐射剂量可能会根据应用、X 射线能量和辐射通量的不同而有很大差异。其中一些效应是所有硅基器件所固有的，但其他效应则与 CCD 结构和制造工艺有关。

退火损伤

据报道，如果将因X射线照射而产生高暗电流的器件在约350℃的合成气体(10%H 2 90%N 2 )中处理几个小时，CCD的性能可以恢复到其预辐照水平。

另据报道，如果暴露在254 nm UV 波长光源(EPROM 擦除光源)下约 10 分钟，可以减少各种电压的变化。

请注意，这些处理可能会使 CCD 更容易受到未来 X 射线的损坏。然而，如果在350℃的合成气体退火完成后，器件在空气中在100℃下退火约15小时，那么这种效果可能会被抵消。

本节中列出的实验均未在 Teledyne Princeton Instruments 实验室中进行过，因此我们强烈建议在尝试这些过程时要小心谨慎。根据特定 CCD 的损坏程度，可能需要调整温度或曝光时间。

审核编辑 黄宇