大分子晶体学中的混合像素探测器

大分子晶体学受益于一些方法学的发展，例如采用冷冻晶体学和改进的x射线源。同时，探测器技术的进步，从通过图像板和CCD探测器到最先进的混合像素探测器，促进了大分子晶体学的研究。DECTRIS开创了光子计数像素探测器在晶体学中的应用。现在，许多PILATUS探测器被安装在世界各地备受瞩目的MX光束上，并根据它们的数据确定和存储在PDB中数百个结构。DECTRIS混合像元探测器是考虑数据质量和效率的光束的首选仪器。

DECTRIS杂化像素探测器在大分子晶体学中的成功是基于其独特的特性:

• 无读出噪音和暗电流
• 小于一个像素的锐点扩展函数
• 20位的高动态范围
• 短的读出时间在几毫秒的范围
• 高帧率高达250Hz (PILATUS3 2M)

DECTRIS混合像素检测器在许多方面优于以前的检测器技术:

• 尖点扩展函数确保了在探测器的整个动态范围内的紧密间隔反射的优秀分辨率
• 它使衍射强度与散射背景的重叠最小化，使信噪比最大化
• 20位的高动态范围实际上消除了过载的低分辨率反射
• 短的读出时间和高帧率使高吞吐量的数据采集和优化波束效率
• 此外，它允许连续旋转收集衍射数据，消除了快门作为误差来源。暗电流和读出噪声完全没有，导致更好的信噪比，特别是对微弱的高分辨率反射

独特特点:混合像素和微带技术

DECTRIS x射线探测器使用优化的固态传感器和混合像素技术的CMOS读出asic直接检测x射线。这些探测器包括带有一维(线性)条纹阵列的一维微带探测器和带有二维像素阵列的二维像素阵列探测器(区域探测器)。

关键优势

• x射线直接探测
• 单光子计数
• 优良的信噪比和非常高的动态范围(零暗信号，零噪声)
• 低能x射线抑制(单能量阈值能量分辨率)
• 短的读取时间和高帧率
• 模块探测器，使多模块探测器具有大的有效面积

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直接检测

如图1所示，在直接探测传感器技术中，x射线光子在固态传感器中直接转换成电荷。直接检测传感器是完全耗尽的单片传感器，通常由高电阻率固态传感器材料(如硅)制造。欧洲杯足球竞彩欧姆和二极管型像素化传感器具有不同的传感器厚度，可在每个单一像素中提供欧姆接触或二极管结构。

图1所示。在固态传感器中直接探测x射线光子的原理。图片来源:Dectris Ltd

混合像素

在混合像素技术中，像素化固态传感器通过凹凸或线键合技术连接到CMOS读出ASIC，如图2所示。该传感器通常是一个高电阻率硅处理的一或二维pn二极管阵列，连接到CMOS技术设计的读数通道阵列。

图2。混合像素的原理与传感器凹凸连接到CMOS读出专用集成电路。图片来源:Dectris Ltd

单光子计数

在单光子计数技术中，每个光子在鉴别探测器中被单独检测和计数。读出通道包括一个放大器,放大了电荷产生的脉冲传感器由一个传入的x射线光子,一个鉴别器,生成一个数字脉冲信号如果传入的脉冲充电超过一个可调节的预定义的阈值,和数字计数器,它统计生成的数字脉冲的数量。

在图3中，第一个图显示了入射x射线光子及其相应能量的序列。第二个图显示了放大器输出的模拟电压脉冲和作为鉴别器的连续比较器的预定义阈值电压。

第四幅图显示了出现在比较器输出端的数字电压脉冲序列，该序列馈送计数器，以确定能量高于预定义阈值能量的入射x射线光子的数量。这代表了一个完全数字化的检测和存储方案，并实现了对每像素检测到的x射线光子数量的无声测定和读出。

图3。单光子计数探测器与积分探测器的原理。图片来源:Dectris Ltd

单光子计数原理具有零暗信号和零读出噪声的特点，实现了良好的信噪比。此外，能量阈值提供了能量分辨率，单个能量阈值可以用于低能量抑制。单光子计数由于采用全数字的检测和存储方案，实现了短的读出时间和高的帧率。

高性能单光子计数检测器通常包括计数器大小在20位范围内，动态范围高达1,000,000，读数时间小于1毫秒，帧速率为几个100hz。最大计数率，通常在一个像素每秒约106光子，允许处理现代同步加速器光源的高通量。

模块化的探测器

在模块化探测器技术中，大面积探测器的完整有源面积和像素阵列由多个相同的预定尺寸的模块组成。探测器模块是多模块探测器的基本单元，包括一个带有单个单片传感器和多个CMOS读出asic的多芯片模块、安装支架和控制电子器件。检测器模块安装在高精度的机械框架上，以创建多达60个或更多模块的多模块检测器。如图4所示，PILATUS检测器模块包括一个带有单个传感器的多芯片模块和一个由碰撞键合技术组装的8 × 2阵列CMOS读出asic。

图4。多芯片模块与16个CMOS读出asic碰撞绑定到单个传感器。图片来源:Dectris Ltd

每个传感器都是连续的487 x 195阵列，94,965像素，没有死区，覆盖83.8 mm x 33.5 mm的活动区域。多芯片模块与控制电子元件通过导线连接到安装支架上，形成如图5所示的PILATUS检测器模块。多个PILATUS检测器模块组装在一个多模块设置中，形成如图6所示的大面积PILATUS检测器。

图5。皮拉图斯山探测器模块。图片来源:Dectris Ltd

图6。PILATUS检测器模块组装在一个多模块设置的大面积PILATUS检测器。图片来源:Dectris Ltd

MYTHEN探测器模块包括一个单传感器和一个线性阵列的8个CMOS读出asic通过线键合技术组装。该传感器是由1280条微带组成的线性阵列，间距为50µm，总有效面积为8 × 64mm。多个MYTHEN检测器模块可以与单个检测器控制系统组合运行，形成如图7所示的大型多检测器系统。

图7。MYTHEN探测器系统由一个探测器控制系统和一个多芯片探测器模块(无外壳)组成。图片来源:Dectris Ltd

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