INTPIX4 SOI像素探测器在120 keV和200 keV透射电子显微镜中的性能表征及其单电子检测能力研究

推荐：日本名古屋大学团队针对低剂量透射电镜(TEM)观测需求，对硅绝缘体(SOI)像素探测器INTPIX4在120/200 keV电子束下的成像性能展开研究。通过增益、调制传递函数(MTF)和探测量子效率(DQE)测试，证实该探测器可实现单电子事件检测，电荷收集效率达96%以上，为电子束敏感样品观测提供新工具。

　　

在透射电子显微镜(TEM)技术领域，直接电子探测器(DED)已成为实现高分辨率、低剂量观测的关键设备。随着冷冻电镜(cryo-TEM)在生物大分子结构解析和金属有机材料研究中的广泛应用，传统探测器在电子束敏感样品成像中面临严峻挑战——既要最大限度捕获电子信号，又要避免样品辐射损伤。目前主流的单片有源像素传感器(MAPS)和混合像素探测器虽各具优势，但前者受限于薄敏感层导致电荷损失，后者则因复杂工艺影响量产良率。

日本名古屋大学联合高能加速器研究机构(KEK)的科研团队将目光投向兼具两者优势的硅绝缘体(SOI)像素技术。最新研发的INTPIX4探测器采用500μm厚全耗尽硅传感器，通过埋氧层隔离实现低寄生电容，其特殊结构能否在常规TEM的高能电子(120-200 keV)环境下保持优异性能？这直接关系到该技术在材料科学和结构生物学领域的应用前景。

研究人员通过增益校准、单电子事件分析、MTF和DQE测量等系统性实验，首次定量评估了INTPIX4在常规TEM中的表现。关键技术包括：1)利用暗电流与曝光时间的线性关系建立电荷-电压转换模型；2)通过铝屏蔽电流测量关联入射电子数与输出信号；3)采用边缘法测定空间分辨率；4)电子双棱镜干涉实验验证单电子检测能力。

增益估计
通过暗电流方差分析测得电荷-电压转换系数α=0.018 ADU e^-1，结合均匀照明实验确定120 keV和200 keV电子分别产生(3.2±0.2)×10⁴和(5.3±0.3)×10⁴电荷对，对应电荷收集效率高达96±5%和97±5%。这表明500μm厚传感器可近乎完全捕获高能电子产生的电荷，显著优于传统MAPS探测器。

单电子检测能力
在极低电子剂量下，120 keV电子形成直径约50μm的簇状信号，200 keV电子则呈现100-150μm的"彗尾"轨迹，与硅中电子散射模拟结果一致。簇强度分布直方图显示，单电子事件信号强度与理论增益值高度吻合，证实了探测器对单个高能电子的响应能力。

DQE与MTF性能
在未饱和剂量范围内，120 keV和200 keV电子的平均DQE分别为0.61和0.63。MTF测量显示空间分辨率随电子能量升高而下降：120 keV电子在奈奎斯特频率(0.5 pixel^-1)处MTF趋近于零，而200 keV电子在半奈奎斯特频率(0.25 pixel^-1)即接近零值，这主要源于高能电子在厚硅传感器中的多重散射效应。

成像应用验证
通过电子双棱镜干涉实验，研究人员成功记录到120 keV单电子累积形成的干涉条纹，直观证实探测器的波粒二象性观测能力。对硅样品<110>晶向的高分辨TEM成像中，清晰分辨出3.1?{111}和2.7?{200}晶面，对应空间频率处的MTF达0.8，满足原子尺度观测需求。

该研究首次系统评估了SOI像素探测器在常规TEM中的性能边界，揭示出其在120 keV以下能区具有最佳性价比——较薄的硅传感器(如200μm)可能更适合200 keV电子检测。INTPIX4展现的高增益特性使其在低剂量成像领域独具优势，特别是对电子束敏感的新型量子材料和生物大分子结构研究。未来通过优化像素尺寸、开发高速读出系统(目标100 fps)，该技术有望成为时间分辨原位观测的重要工具。论文发表于《Microscopy》期刊，为电子探测器设计提供了新的技术路线和性能评估范式。