XAFS-DET：为同步辐射X射线吸收光谱探测器系统

随着同步辐射设施的不断改进和升级，超越现有能力的探测技术至关重要。特别是，在X射线光谱应用中，锗探测器是一类提供能量分辨率的探测器，其距离法诺极限不远。它们通常用于需要优异能量分辨率的同步加速器实验，例如，当需要将元素的荧光光子与用于激发样品的弹性散射辐射分离时。光谱级硅探测器（Si（Li）或SDD）是唯一一类提供类似能量分辨率的探测器，但当光子能量高于30keV时，它们就没有那么有效了，因为硅相对于锗具有较低的停止能力。

此外，硅探测器在诸如XAFS（X射线吸收精细结构）的技术中可能导致一些伪影，因为逸出峰与主峰的距离很近。在同步加速器设施中，主要的挑战是有效利用机器产生的所有光子，这意味着探测器必须具有高通量。多元件检测器能够通过将入射光子通量分布在具有独立读出通道的不同检测元件上来提高吞吐量。如果元件构建在相同的传感器材料上，即检测器是单片的，则系统的尺寸变得特别紧凑，这对于许多应用来说是一个重要的优点。

在这种情况下，欧洲项目LEAPS-INNOV^[1]的探测器工作包，也称为XAFS-DET项目，旨在将锗探测器的性能提升到最先进的水平，能量范围从5到100 keV，适合大量同步加速器设施。在该项目中，将通过开发多元件单片探测器来提高X射线光谱的单位面积吞吐量。在探测器原型的一个版本中，缩小锗元件的尺寸也将带来挑战，例如开发新的小型化前端电子设备和使用先进的数字脉冲处理器（DPP）来避免在感测元件前面使用准直器。该项目中提出的新技术发展将突破目前可用探测器的极限，并开辟新的实验可能性。

HPGe探测器的一个特殊性是需要被低温冷却以限制锗传感器的泄漏电流。这种情况导致复杂的探测器布局，如图1所示。探测器由三个主要部分组成：

（1）一个在真空和低温条件下非常紧凑的探测器头。该部分包括探测器窗口、锗传感器及其机械支架、由配备特定读出前置放大器的板组成的前端电子设备，以及锗传感器和前端电子设备之间的互连元件；

（2）一种探测器主体，其一部分处于真空和低温下，另一部分可能包括处于空气和室温下的后端电子器件。该部分包括冷却探测器头所需的低温冷却系统、一些屏蔽连接、低温恒温器和配备有馈通的法兰；

（3）一些外部部件带有数字脉冲处理电子设备、电源和计算机，用于整个设备的监控和数据记录。以下各节对整个探测器的主要部件和正在进行的机械设计进行了总体描述。

图1 XAFS-DET探测器及其主要部件的总体布局

传感部分由一个HPGe传感器组成。为了避免原型的过度复杂性和成本，决定将锗传感器的分割元件的数量限制在合理且实用的最大10个像素。考虑到两种不同类型的应用，本项目将设计两种像素版本：5 mm²像素区域专门用于XAFS实验，未来需要扩大通道数量^[2]，而20 mm²像素区域则用于X射线荧光（XRF）实验，其中需要最大化收集的立体角。

如图2所示，这两个版本仅在比例因子上有所不同。像素的六边形和梯形形状适合于限制较少相邻像素之间的电荷共享。三个最外层像素的不同寻常的环形配置被认为是将它们用作辅助像素，以电子方式拒绝电荷共享效应。一个版本的所有像素都具有相同的面积，因此计数率在像素之间不会有过大的差异。

图2 新型UTA试验台的电路示意图。

[1] Horizon 2020, INFRAINNOV-2019–2020, Innovation Pilots for Research Infrastructures, LEAPS pilot to foster open innovation for accelerator-based light sources in Europe, European Union’s Horizon 2020, Grant Agreement No 101004728.

[2] N. Tartoni, et al., Hexagonal pad multichannel Ge X-ray spectroscopy detector demonstrator: Comprehensive characterization, IEEE Trans. Nucl. Sci. 67 (8) (2020) 1952–1961, 2020. 3004923. 

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