ePix10K——一种用于自由电子激光的高动态范围增益自动切换像素探测器的性能

ePix10K 是 SLAC 为苛刻的自由电子激光（FEL）应用而开发的混合像素探测器，通过增益自动切换提供超高动态范围（245 eV 至 88 MeV）。它具有三种增益模式（高、中、低）和两种自动切换模式（高到低和中到低）。首批 ePix10K 相机围绕由传感器倒装焊至 4 个 ASIC 构成的模块构建，形成 352x384 像素，每像素 100 $\mu$m x 100 $\mu$m。我们展示了在 LCLS 利用 FEL 光束对三台 ePix10K 相机进行广泛测试的结果，测得噪声基底为 245 eV rms，即 67 e$^-$ 等效噪声电荷（ENC），以及在 8 keV 下 11000 个光子的范围。我们展示了多种增益组合下的响应线性度：固定高、固定中、固定低、自动切换高到低以及自动切换中到低，同时保持低噪声（远在计数统计范围内）、极低的串扰、在高达最大范围 900 倍的通量下的完美饱和响应，以及高达 480 Hz 的采集速率。最后，我们展示了跨越超过 4 个数量级动态范围（从单光子到 8 keV 下每像素每脉冲 11000 个光子）的高动态范围 X 射线成像实例。仅用一次自动切换即实现如此高性能，使得标定和重建过程相对简单。低噪声水平允许在非 FEL 光源下以长积分时间使用。ePix10K 相机利用了混合像素探测器高成品率和良好可用性的优势，通过与其他所有版本 ePix 相机共享硬件、软件和 DAQ 开发来最小化开发复杂度，同时在未来几年内分三步提供至 5 kHz、25 kHz 和 100 kHz 的升级路径，以满足 LCLS-II 的要求。