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摘要

低温X射线能谱仪兼具高能量分辨率、高探测效率、低噪声、无死层等特点, 能量分辨率与X射线入射方向无关, 在暗弱的弥散X射线能谱测量方面具有明显优势. 基于同步辐射及自由电子激光的先进光源线站、加速器、高电荷态离子阱、空间X射线卫星这类大科学装置的快速发展对X射线探测器提出了更高要求, 因而低温X射线能谱仪被逐步引入到APS, NSLS, LCLS-II, Spring-8, SSNL, ATHENA, HUBS等大科学装置与能谱测量相关科学研究中. 本文从低温X射线能谱仪的工作原理及分类、能谱仪系统结构、主要性能指标以及国内外大科学装置研究现状及发展趋势等方面作简要综述.

关键词:

Abstract

Cryogenic X-ray spectrometers are advantageous in the spectrum research for weak and diffusive X-ray source due to their high energy resolution, high detection efficiency, low noise level and non-dead-layer properties. Their energy resolution independent of the incident X-ray direction also makes them competitive in diffusion source detection. The requirements for X-ray spectrometers have heightened in recent years with the rapid development of large scientific facilities where X-ray detection is demanded, including beamline endstations in synchrotron and X-ray free electron laser facilities, accelerators, highly charged ion traps, X-ray space satellites, etc. Because of their excellent performances, cryogenic X-ray detectors are introduced into these facilities, typical examples of which are APS, NSLS, LCLS-II, Spring-8, SSNL, ATHENA, HUBS. In this paper, we review the cryogenic X-ray spectrometers, from the working principle and classification, system structure, major performance characteristics to the research status and trend in large scientific facilities in the world.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:刘志,liuzhi@shanghaitech.edu.cn

作者简介:

刘志, 教授, 上海科技大学大科学中心主任兼物质学院副院长. 1994年毕业于北京大学, 获得大气物理与大气环境专业理学学士, 在美国斯坦福大学获电子工程硕士、物理学博士. 回国前长期在斯坦福线性加速器国家实验室和美国劳伦斯伯克利国家实验室从事科学研究. 20多年来主要从事同步辐射原位谱学及其他相关技术的应用研究, 特别是近常压光电子能谱对催化和电化学体系表界面的原位表征测量. 受“国家特聘专家”资助, 2013年全职回国后, 主要从事同步辐射和自由电子激光原位表征研究和大科学装置建设, 主持完成了基金委国家重大科研仪器设备研制专项“基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台(SiP·ME2)研制”和国家重大科技基础设施“活细胞结构与功能成像等线站工程”. 目前参与领导十三五国家重大科技基础设施“上海硬X射线自由电子激光装置”的建设. 发表同行评议论文220余篇

基金项目:国家自然科学基金国家重大科研仪器设备研制专项(批准号: 11927805)、国家自然科学基金青年科学基金(批准号: 12005134, 11803014)和上海市浦江人才计划(批准号: 20PJ1410900)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Liu Zhi,liuzhi@shanghaitech.edu.cn

Funds:Project supported by the Special Fund for Research on National Major Research Instrument and Facilities of the National Natural Science Fundation of China (Grant No. 11927805), the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12005134, 11803014), and the Shanghai Pujiang Program, China (Grant No. 20PJ1410900)

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施引文献

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Detector	Resolution $E_{\rm{FWHM}}$/eV	Count rate /cps	Efficiency (O)	P/B ratio
Ge (typical)	130	$3\times 10^5$	0.1	50∶1
Ge (best)	60	$3\times 10^4$	0.003	200∶1
STJ (typical)	20	$10^5$	$10^{-4}$	200∶1
STJ (best)	10	$10^6$	$10^{-3}$	1000∶1
Grating (typical)	0.5	$10^5$	$10^{-6}$	200∶1
Grating (best)	0.2	$10^6$	$10^{-5}$	1000∶1
Grating (best)	0.2	$10^6$	$3\times 10^{-4}$	200∶1

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参数	设计指标	备注
能量范围/keV	0.2—12
能量分辨率	2.5 eV@7 keV
FOV/arcmin	5
像素尺寸/arcsc	< 5
单像素计数率/cps	0.25	保证80%的事例优于设计能量分辨率
非X射线背景/(cps·cm^-2)	$5^{-3}$

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