Введение
В продолжение обзорной статьи о технических характеристиках научной КМОП камеры с обратной засветкой (BSI-sCMOS) Tucsen Dhyana95 исследуется ее применимость для регистрации мягкого рентгеновского излучения. Эту камеру характеризует низкий уровень темнового тока: 1.5 e-/с/пиксель, большой динамический диапазон: 11 000 в режиме HDR, высокая частота кадров: 49 Гц, квантовая эффективность более 95% на длине волны 550 нм с коэффициентом заполнения 100%. Сенсоры sCMOS-BSI демонстрируют более высокие значения темнового тока, однако в приложениях, связанных с синхротронным излучением, темновой ток не оказывает большого влияния на общий шум из-за короткого времени воздействия (обычно от 10 мс до нескольких сотен мс).
На сегодняшний день специфические характеристики сенсоров стали необходимостью во многих экспериментах, связанных с синхротронным излучением. sCMOS-камеры обычно являются частью детектора непрямого рентгеновского излучения, который применяется в томографии с жестким рентгеновским излучением или в экспериментальных установках для птихографии.
Тем не менее, многие применения мягкого рентгеновского излучения (с диапазоном энергий от нескольких десятков эВ до 2 кэВ), например, рентгеновская голографическая визуализация, еще не раскрыли весь свой потенциал. В дополнение, sCMOS-сенсоры в большинстве своем основаны на топологии с передней засветкой и использованием микролинз, что улучшает улавливание света, но в свою очередь приводит к низкой квантовой эффективности для рентгеновских лучей с энергией ниже 1 кэВ.
В этой статье описано исследование адаптации камеры, оснащенной сенсором BSI-sCMOS, для работы с мягким рентгеновским излучением, включая совместимость с вакуумом. Получены изображения дифракционной картины от точечного отверстия и образца для проверки когерентности луча с целью иллюстрации возможностей записи голограмм в области мягкого рентгеновского излучения.
Материалы и экспериментальная установка
Для оценки рентгеновского отклика сенсора GSENSE400BSI-TVISB камера Tucsen Dhyana95 была полностью разобрана и повторно собрана с использованием кастомизированного контура водяного охлаждения. Камера совместима со стандартными условиями работы в вакууме, необходимыми для мягкого рентгеновского излучения, и способна поддерживать оптимальную температуру электронных компонентов (рисунок 1б). К настоящему моменту, модифицированная камера (без какой-либо конкретной оптимизации) способна работать при давлении от 5·10-7 до 10-6 мбар.
Прототип камеры (далее в этой статье он называется DhyanaX) устанавливается в рефлектометре XUV-ветки (экстремального ультрафиолета) канала METROLOGIE синхротрона SOLEIL (рисунок 1в). Канал METROLOGIE позволяет выделить фотонный пучок в диапазоне мягкого рентгеновского излучения (30–2000 эВ) с помощью комбинации нескольких многослойных дифракционных решеток и трех зеркал для повышения эффективности формирования рентгеновского луча. Также использовалась серия тонкопленочных фильтров для уменьшения эффекта от генерации гармоник в каждой из конфигураций. Размер луча в эксперименте составляет примерно 200 мкм х 150 мкм. Рефлектометр оснащен группой фотодетекторов AXUV (Optodiode IRD AXUV100), способной измерять поток падающего рентгеновского излучения для каждой выбранной энергии.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки (a) Камера Dhyana95 (оригинальная), (б) Совместимая с работой в вакууме модификация DhyanaX с водяным охлаждением и сенсор модели GSENSE400-BSI, (в) Камера DhyanaX, установленная в рефлектометре канала METROLOGIE синхротрона
Результаты эксперимента
Измерение квантовой эффективности сенсора sCMOS-BSI для рентгеновского излучения
Квантовая эффективность (QE) сенсора модели GSENSE400-BSI оценена в мягком рентгеновском диапазоне канала METROLOGIE синхротрона, в пределах энергий от 30 эВ до 2000 эВ.
Для каждого шага энергии (10 эВ) происходит накопление 10 изображений рентгеновского луча с временем экспозиции 0,4 мс. Также получены эквивалентное темное изображение (без облучения рентгеном) и поток рентгеновского излучения, определяемый током фотодиода. Изображения с коррекцией по цвету усреднены, а значения пикселей просуммированы. Кроме того, выполнены 15 измерений квантовой эффективности во всем диапазоне энергий, а полученное среднее значение проиллюстрировано на рисунке 2 с посчитанной погрешностью, соответствующей стандартному отклонению для данной серии измерений.
Рисунок 2 – Измеренная квантовая эффективность камеры DhyanaX в сравнении с простой теоретической моделью, основанной на расчете коэффициентов пропускания через покрытия и поглощения материалом Si-Epi (SiO – 7,5 нм, SiN – 63 нм и Si-Epi – 10 мкм)
Измеренное значение квантовой эффективности вполне соответствует ожидаемому теоретическому значению, заданному простой моделью. На графике отчетливо видны различные пики поглощения для кремния, азота и кислорода: 1830 эВ, 410 эВ и 550 эВ соответственно. Аналогичным образом, повышение квантовой эффективности при значении около 90 эВ соответствует прохождению рентгеновского луча через тонкий слой покрытия (Si0 и SiN). Отклонение квантовой эффективности от теоретических значений, наблюдаемое для низких энергий рентгеновского излучения (менее 1000 эВ), может быть связано с загрязнением сенсора: окисление поверхности и/или загрязнение углеродом.
Голографические изображения мягкого рентгеновского излучения, полученные сенсором sCMOS-BSI
Первые испытания проводятся в виде классического эксперимента Юнга с точечными отверстиями диаметром 5 мкм, расположенными на расстоянии 10 см перед прототипом камеры модели GSENSE400-BSI в рефлектометре канала METROLOGIE синхротрона. Точечное отверстие облучается рентгеном с энергией 186 эВ, после чего записывается большая серия изображений дифракционных картин с временем экспозиции 100 мс, чтобы получить результат наложения этих изображений с коррекцией по цвету, как показано на рисунке 3б.
Рисунок 3 – (а) Дифракционная картина точечного отверстия с камеры DhyanaX при энергии 186 эВ в канале METROLOGIE синхротрона (100 наложений для 100 изображений с коррекцией по цвету), (б) Круговое интегрирование дифракционной картины от точечного отверстия
Полученный диск Эйри показал хороший первый результат при использовании данной неспециализированной установки. На рисунке 3б продемонстрирован график интегрирования по концентрическому круговому кольцу и видна хорошая динамика камеры, которая способна визуализировать максимумы до шестого порядка дифракции.
Вторая демонстрация была проведена в канале SEXTANTS синхротрона для сравнения предыдущих результатов, полученных с ПЗС матрицы камеры PI-MTE во время ввода в эксплуатацию канала, с новыми. В этом эксперименте облучалась рентгеном тестовая маска, состоящая из одиннадцати отверстий диаметром 200 нм. На рисунке 4 сравнивается изображение, полученное с камеры PI-MTE во время предыдущего эксперимента, и изображение с камеры-прототипа DhyanaX, полученное в канале SEXTANTS с энергией рентгеновского излучения 700 эВ.
Рисунок 4 – Рентгеновские изображения от тестовой маски. (а) Изображение с канала SEXTANTS камеры PI-MTE (б) Изображение с канала SEXTANTS камеры DhyanaX (энергия 700 эВ, сбор данных в течение 100 мс, наложение 50 изображений)
На рисунке 4 можно заметить только половину изображения. Это связано с тем, что для первого теста использовался очень большой ограничитель пучка (полностью затемненная часть справа на рисунке 4б). В данном случае используемая установка не позволяет провести количественное сравнение, однако можно сравнить время получения изображений. Изображение с камеры DhyanaX получено путем наложения 50 изображений с временем экспозиции по 100 мс, общее время составило менее 10 с (запись изображения на диск компьютера). Чтобы собрать аналогичные данные, камере PI-MTE обычно требуется несколько минут.
Заключение
Первые результаты, достигнутые к настоящему моменту, кажутся действительно многообещающими. Технические характеристики, измеренные для камеры Tucsen DhyanaX, соответствуют необходимым требованиям и научным задачам. Величина квантовой эффективности вполне достаточна для широкого спектра приложений в области регистрации мягкого рентгеновского излучения, а высокая частота кадров позволяет значительно сократить время, затрачиваемое на сбор данных, при получении изображений.
Компания INSCIENCE занимается поставками научных камер для рентгеновской визуализации, а также широкого спектра других исследовательских задач.
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
