ASIX：采用50微米六边形混合像素的单光子能量分辨X射线成像技术

《Frontiers in Sensors》：ASIX: Single-photon, energy resolved X-ray imaging with 50 μm hexagonal hybrid pixel

X射线成像技术验证ASIX采用50μm六边形像素和低噪声模拟读出，实现10μm空间分辨率及350eV能量分辨率。测试显示硅传感器能量分辨率620eV，镉碲传感器780eV，验证了高分辨同步成像可行性，适用于材料科学、生物医学及天文学领域。

　　ASIX（Analog Spectral Imager for X-rays）是一种专为高分辨率X射线成像设计的混合像素探测器（Hybrid Pixel Detector, HPD）技术验证原型。它旨在克服传统小像素探测器中普遍存在的电荷共享问题，同时实现优异的能量分辨和空间分辨能力。该技术的核心目标是为需要能量分辨成像的应用提供一种新的解决方案，如X射线衍射、同步辐射材料科学以及软X射线天文学等。在这些应用中，精确的X射线光子能量和位置信息是关键因素，而ASIX的设计正朝着这一目标迈进。

### 技术背景与需求

X射线成像技术在多个领域具有重要应用，包括医学、工业、科学、文化遗产保护和安全检测等。随着电子技术的发展，数字成像设备逐渐集成了高密度像素矩阵和像素内智能功能，使得在图像采集过程中能够实现精确的能量区分。然而，传统探测器在高空间分辨率和高能量分辨率之间存在权衡，尤其是在像素尺寸小于100微米的情况下，电荷共享现象会显著影响探测器的性能，导致能量分辨率下降和位置精度降低。因此，为了满足这些应用对高精度成像的需求，需要一种能够同时实现高空间和能量分辨率的探测器设计。

ASIX的设计正是基于这一需求，结合了小像素尺寸、超高噪声抑制能力以及自触发读出逻辑，以实现更精确的电荷分布分析。其目标是达到10微米的空间分辨率和350电子伏特（eV）的半高全宽（FWHM）能量分辨率，在8千电子伏特（keV）的能量范围内。通过这种设计，ASIX能够同时记录X射线光子的能量和位置，为高精度成像提供了新的可能性。

### 项目目标与技术特点

ASIX项目的核心目标是开发一种小型混合像素探测器，该探测器能够实现高空间和能量分辨率的同时，降低电荷共享对性能的影响。为此，ASIX采用了50微米像素的六边形排列结构，使得探测器在图像采集时能够更精确地定位电荷分布的中心。同时，它采用了一种全模拟、异步读出方式，结合了单光子读出技术，能够在单次曝光中实现高精度的能量和空间分辨。

在读出部分，ASIX设计了一种新的65纳米CMOS读出ASIC，具备单光子读出能力和芯片级模拟到数字转换（ADC），以支持高事件率的读出。该ASIC的目标是实现每平方厘米10^8个光子每秒（ph/s/cm2）的读出能力，这为ASIX在高能X射线成像中的应用提供了重要的技术支持。

此外，ASIX的读出ASIC还能够兼容高Z材料（如镉碲化物，CdTe）传感器，使其能够扩展到更高能量范围的X射线成像。这种兼容性为ASIX在生物医学、天文学等领域的应用提供了更广泛的潜力。通过结合不同材料的传感器，ASIX能够在不同的应用环境中实现最佳性能。

### MVP实现与测试结果

在2025年，ASIX项目团队开发了两种最小可行产品（Minimum Viable Products, MVPs），分别使用了50微米像素的硅传感器和100微米像素的CdTe传感器，并将其与XPOL-III读出ASIC连接。XPOL-III是一种基于180纳米CMOS工艺的读出ASIC，已被广泛应用于空间载荷中的X射线偏振测量。在MVP测试中，团队对两种传感器的性能进行了评估，包括电荷共享、噪声水平、空间分辨率和能量分辨率。

在空间分辨率测试中，团队使用了Huttner测试图案，这是一种标准的X射线成像测试方法，能够评估探测器的分辨能力。通过分析Huttner图案的边缘响应，团队获得了两种传感器的空间分辨率数据：CdTe传感器的空间分辨约为20微米，而硅传感器的空间分辨约为7微米。这些结果表明，ASIX的设计在空间分辨率方面已经取得了良好的进展。

在能量分辨率测试中，团队通过分析高纯度材料的特征荧光辐射（如钼的K线和金的L线）来评估探测器的性能。测试结果表明，CdTe传感器在17.5 keV处的能量分辨约为780 eV FWHM，而硅传感器在9.7 keV处的能量分辨约为620 eV FWHM。这些数据与初步模型预测的结果相符，表明ASIX的性能指标是可行的。

### 应用前景

ASIX的高空间和能量分辨率使其在多个领域具有广泛的应用前景。在材料科学中，X射线衍射（XRD）分析是研究材料结构的重要手段，而ASIX能够通过精确的能量分辨和空间分辨，提供更高质量的XRD数据。这将有助于研究材料的化学成分、晶体结构和物理特性。

在生物医学和临床研究中，ASIX的高分辨率成像能力可以用于更精确地分析生物样本，提高X射线吸收光谱（XAS）和K边减法（KES）等技术的灵敏度。通过精确的能量分辨和空间分辨，ASIX能够更准确地区分不同组织的X射线吸收特性，从而提高诊断设备的准确性。

在天文学和空间遥感领域，ASIX的高分辨率和高能量分辨能力使其成为未来X射线望远镜的重要组成部分。目前，X射线望远镜通常采用CCD或SDD探测器，但这些探测器在高能X射线成像方面存在一定的局限性。ASIX的读出ASIC设计和像素结构能够提供更高的量子效率，支持对微弱天体的观测。同时，ASIX的事件驱动读出方式使其具备优异的定时分辨能力，能够同时记录时间、能量和位置信息，从而提高数据采集的效率。

### 未来展望

为了进一步验证ASIX的技术可行性，团队计划开发一种新的读出ASIC，该ASIC将采用更先进的工艺，并具备更高的噪声抑制能力和并行读出架构。这将使ASIX能够在更高的事件率下实现高效的电荷簇读出，从而满足更复杂的应用需求。此外，团队还将探索使用无支撑晶圆工艺制造边缘无缺陷的硅传感器，以提高传感器的性能和可靠性。

在接下来的两年（2025-2026），ASIX团队将继续推进项目，开发新一代读出ASIC，并进行更多的测试和优化。这些努力将使ASIX从一个技术验证原型转变为一个成熟、可部署的高能X射线成像平台，为未来的科学研究和工业应用提供强有力的支持。

ASIX项目不仅在技术上具有重要意义，也为多个领域的研究提供了新的工具和方法。通过结合高分辨率像素、低噪声读出和电荷簇重建技术，ASIX能够实现更精确的X射线成像，从而推动材料科学、生物医学和天文学等领域的进步。未来，随着技术的不断成熟，ASIX有望成为高能X射线成像领域的重要组成部分，为科学研究和实际应用提供更高效、更精确的解决方案。