基于同步辐射的全场荧光成像器评估

我们展示了 NSLS-II 束流上开发的 3FI 应用专用集成电路（ASIC）粘接至简单平面二维分割硅传感器的设计与评估。该 ASIC 用于全场荧光光谱 X 射线成像（3FI）。它是一个小规模原型，特点是具有 32x32 像素的方形阵列，像素间距为 100 {\mu}m。该 ASIC 采用 65 nm CMOS 工艺实现。每个像素包含电荷敏感放大器、整流滤波器、判别器、峰值检测器和 sample-and-hold 电路，允许检测事件并存储信号幅度。该系统以事件驱动的读取模式运行，输出阈值触发事件的模拟值，实现高速多元素 X 射线荧光成像。其功耗为每个像素 200 {\mu}W，主要来自模拟块的功耗，实现了 8.04 keV 时 308 eV 全宽半高高（FWHM）能量分辨率，对应 30 e- rms 相当噪声电荷（ENC），以及在 3.69 keV（16 e- rms ENC）时 138 eV FWHM 能量分辨率，分别对应 Cu 和 Ca K{\alpha} 线。每个像素独立工作，检测器实现生物和环境研究中原位微量元素分析。该体系结构解决了 X 射线荧光显微镜（XFM）通常需要机械扫描的局限性，通过提供帧级数据获取，实现高通量运行。3FI ASIC 可用于例如 (mycor)rhizosphere 中营养循环、微生物氧化还原过程以及生物能作物的基因-表型相关性研究。其他性能，例如增强的空间分辨率，可通过编码孔径和 Wolt 进一步提高，从而将其扩展用于环境、医学和材料科学研究。