xray概述

电磁波谱示意图

X光的特点及使用CCD探测X光的难点和特点

· 从185nm～0.01nm这一波段的X光不能在空气中传播，必须考虑使用真空技术 

· keV或更低能量的X光（XUV, VUV）无法被前感光芯片探测到，需采用背感光芯片 

· 光子能量高过10keV量级时X光光子容易穿透背感光CCD芯片，无法被探测到，需采用前感光-深度耗尽CCD芯片，对于20keV以上的X-Ray，只能采用间接探测的方法，这给影像传递、制冷等都增加了难度 

· 通常X光无法通过光学元件成像，因此，在X射线探测领域，分辨率更多的取决于探测像元的大小，而非像可见光领域，分辨率常常取决于像素的个数 

· 对于直接探测，一个X射线光子足以产生多个光电子，因此通常用探测效率或者吸收效率来评判灵敏度，而非量子效率；而对于间接探测则更为复杂同样由于一个光子能够产生多个光电子，因此相对于可见光CCD，X射线CCD相机对于读出噪声和暗电流不是非常敏感，当然在需要高帧速时读出噪声还是需要注意的。

直接探测的X光CCD

直接探测X光CCD工作原理图

和普通可见光CCD一样，直接探测的X光CCD的探测原理是X光光子直接打到CCD像素上，产生光电子。

直接探测的X光CCD相机和可见光CCD相机的区别与联系主要在于：

· 因为～1keV以下的光子不能穿透金属电子，所以直接探测的X射线CCD相机通常采用不镀膜的背感光芯片 

· 例外的情况是，对于10keV～20keV的光子，背感光芯片吸收效率很低，此时如果采用直接探测，需采用前感光-深度耗尽的芯片 

· eV~keV量级的X光不能在空气中传播，所以直接探测的CCD芯片通常裸露在真空中，实验时需将CCD相机的真空法兰与实验真空系统相连或者将相机放置到真空系统中 

· 对于某些应用于高能X-Ray的领域，CCD可分立放置，由Be窗口密封并充保护气体达到制冷CCD芯片的目的通常地，直接探测的X-Ray CCD对紫外-可见-近红外照常感光；因此在某些实验中需要用Be窗片、C-H薄膜或铝膜来阻挡可见光。

直接探测X-Ray CCD的吸收效率, BN-背感光芯片，FI-前感光芯片，FI-DD-前感光、深耗尽芯片，每个X-Ray光子能够产生的光电子数目为，N_electrons=E/3.65eV, E为光子能量。所以，对于大多数应用来讲，一个X-Ray光子可以产生多个光电子，因此，直接探测的X光CCD不需借助像增强器或者电子倍增技术就可以达到X-Ray单光子计数的水平，同时，当X-Ray辐照足够弱时，还能够通过光电子数目估算X-Ray光子能量；因此，相对于传统的胶片方式，直接探测X-Ray CCD具有显著的优越性：

· 高量子效率 

· 高灵敏度：X-Ray单光子计数 

· 实验的便利性和效率：无须破除真空更换胶片，实验结果能随时看到，数据处理相当容易 

· CCD的线性度比胶片大为优越，典型值为1%；在X-Ray这一独特领域，CCD的探测结果可以直接用于定量分析甚至X光能谱分析

间接探测的X光CCD

如下图所示，间接探测的X光CCD采用荧光板将X光转化成为可见光，再通过像传递元件（通常是光纤锥）将影像传递至可见光CCD接收，从而获得X光图像。

间接探测X-Ray CCD相机的结构

综合考虑荧光板的转换效率，光纤锥的传导效率及CCD芯片的探测效率，典型的硬X射线CCD的增益如下图所示

典型硬X射线CCD的综合增益

间接探测的X-Ray相机具有如下特征：

· 探测高能射线时动态范围大；例如一个10keV的光子，在直接探测时能够在CCD像素产生约3000个光电子，只要百个光子就能使CCD饱和；而对于间接探测，它只能产生40个光电子 

· 通过光纤锥的缩放比，探测面可以做得比CCD芯片大 

· 适应能量范围比直接探测X-Ray CCD大很多，为5keV～伽马射线 

· 对CCD的保护较好，高能X射线不直接打到CCD芯片上，无潜在损坏危险

基于在EM CCD领域的领先技术，Andor公司独家提供采用EM CCD的间接探测X-Ray相机，使得在荧光转换效率很低的5keV左右也能够提供单光子灵敏度

直接探测和间接探测的比较