引言
同步辐射是尖端粒子加速器设施，可产生洁净的高能 X 射线，构成 X 射线科学研究市场的重要部分。研究人员利用同步辐射进行蛋白质结构解析、纳米尺度材料成分测绘以及实时化学反应研究等应用。
Teledyne Princeton Instruments 提供专为同步辐射使用定制的高级 X 射线直接和间接探测相机。这些相机擅长处理高强度 X 射线通量，为成像和光谱学提供卓越的灵敏度和分辨率。同步辐射需要能够在具有挑战性的环境中将噪声降至最低同时保持稳健的相机，使研究人员能够精确探索原子和分子现象。
随着同步辐射不断开拓新的科学前沿，我们的创新探测技术助力材料科学、生物学等领域的发现。
什么是同步辐射？
同步辐射是一种粒子加速器，这些加速器利用电磁场使带电粒子（质子、电子等）以接近光速的速度运动。
加速器可以是直线形（称为 LINAC 或直线加速器），但通常为环形，以便更高效地加速粒子、使 X 射线更稳定，并使设备更紧凑。较旧的环形加速器具有恒定电磁场，称为回旋加速器，但较新设施将电磁场强度与粒子不断增加的速度同步，因此称为同步辐射。
同步辐射环的尺寸至关重要，环直径越大，每个磁铁弯曲粒子所需的程度越小，如图 1 所示。较小的同步辐射需要更强大的磁铁和电磁场来进一步弯曲每个粒子，因此设计难度更大、维护成本更高。设计非常大的环前期成本较高，但运行成本远低于小型环，且大型同步辐射可容纳更多光束线（同步辐射产生的 X 射线能量可用于科学研究区域）。因此，大多数现代同步辐射设施都非常大，最大的是著名的大型强子对撞机（LHC），直径 5.4 英里（8.7 km）。
同步辐射如何成为光源
虽然许多同步辐射设施用于使多个粒子碰撞（如 LHC），但有些同步辐射用作同步辐射光源。当带电粒子在同步辐射内被加速到高速时，会发射电磁辐射，即同步辐射光。在粒子碰撞研究中，这种背景辐射可能产生干扰并被滤除，但其他设施依赖这种辐射进行成像和光谱实验。
同步辐射光覆盖从红外（IR）到 X 射线的宽能量谱。同步辐射产生的 X 射线与典型医院使用的 X 射线在亮度上不同：同步辐射产生的 X 射线极其强烈（比医院 X 射线源强一千亿倍），高度偏振、相干，并以纳秒脉冲发射。这些强烈 X 射线可用于获取极其精确的信息，使同步辐射对希望用 X 射线进行成像或光谱实验的研究人员极具价值。
同步辐射光源的典型结构是设有一个环来加速带电粒子，称为增强器环，当这些粒子能量足够高以发射强烈 X 射线能量时，它们被移入储存环，储存环容纳称为光束线的实验站。每条光束线通常设计用于不同实验（例如成像与散射与光谱学），并在就绪时接收 X 射线能量。
全球同步辐射设施
同步辐射光源设施代表一个非常独特且充满活力的领域。原文发布时（2024 年）全球约有 40 座，另有设施正在建设，以满足对尖端研究光源日益增长的需求。以下按地区列出原文统计。
- 欧洲/英国：15 座
- 亚太：14 座
- 美国/加拿大：7 座
欧洲与英国
原文统计约 15 座（含建设中项目）。代表性设施包括：
- Diamond Light Source（英国）
- SOLEIL、European Synchrotron Radiation Facility（法国）
- ALBA（西班牙）、Swiss Light Source（瑞士）
- DESY、BESSY、KARA、DELTA（德国）
- ASTRID（丹麦）、Elettra（意大利）、SOLARIS（波兰）、MAX IV（瑞典）
- CANDLE（亚美尼亚）；CESLAB（捷克，建设中）
美国与加拿大
原文统计 7 座设施：
- Canadian Light Source（加拿大）
- Advanced Light Source（加州伯克利）
- Stanford Synchrotron Radiation Light Source（加州斯坦福）
- Center for Advanced Microstructures and Devices（路易斯安那州立大学）
- Advanced Photon Source（伊利诺伊州）
- Cornell High-Energy Synchrotron Source（纽约州伊萨卡）
- National Synchrotron Light Source II（纽约州布鲁克海文）
亚太地区
原文统计约 14 座设施（含建设中项目）：
- Indus 2（印度）、Singapore Synchrotron Light Source（新加坡）
- National Synchrotron Radiation Laboratory（中国合肥）、Shanghai Synchrotron Radiation Facility（中国上海）、Beijing Synchrotron Radiation Facility（中国北京）
- Pohang Light Source II（韩国浦项）、National Synchrotron Radiation Research Center（中国台湾）
- Hiroshima Synchrotron Radiation Center、Ritsumeikan Synchrotron Radiation Center、SPring-8、Photon Factory、NanoTerasu（日本）
- Australian Synchrotron（澳大利亚墨尔本）
- High Energy Photon Source（中国，建设中）、Fourth-Generation Synchrotron Radiation Source（韩国，建设中）
光束线：面向不同实验的专用站点
全球约 40 座同步辐射设施中，每座都包含多条光束线。每条光束线是储存环上的专用实验站，可将特定能量的同步辐射引导至成像、散射或光谱实验。
每座设施最多可有约 50 条光束线。原文以英国 Diamond 光源为例展示其光束线分布。研究人员需要申请并竞得使用时段，获批后携样到现场采集数据，因此光束线配备高灵敏探测器，有助于在有限机时内完成测量。
光束线的能量与波长
每条光束线可调至精确能量/波长，某些实验仅能用同步辐射实现。虽然部分光束线使用红外（IR）、近红外（NIR）、可见光和紫外（UV）波长，大多数使用 X 射线。通常，IR/NIR/可见/UV 用波长区分，IR/NIR 为 3200 – 800 nm，可见光为 800 – 350 nm，UV 为 350 – 190 nm。
然而 X 射线不同，通常用电子伏特（eV）能量区分，范围从 100 eV 到 100,000 eV（100 keV）。X 射线常进一步分为"软"或"硬"X 射线能量，虽无严格定义，软 X 射线约 100 – 10,000 eV，其余至 100 keV 为硬 X 射线。
硬 X 射线能量如此之高，直接暴露可损坏电子设备，因此无论使用软或硬 X 射线光束线，使用能检测适当能量范围的合适相机或光谱仪都很重要。
- 红外/近红外：约 3200–800 nm
- 可见光：约 800–350 nm
- 紫外：约 350–190 nm
- X 射线：约 100 eV–100 keV；软 X 射线通常指约 100 eV–10 keV。
X 射线探测：直接与间接方式
检测硬或软 X 射线能量通常有两种方法：直接和间接。直接 X 射线探测器在传感器上直接接收 X 射线能量，传感器通常为厚（> 100 µm）硅层或其他材料如碲化镉（CdTe）或砷化镓（GaAs），传感器将 X 射线能量转换为电信号和图像。
另一种为间接 X 射线探测器，X 射线能量首先击中闪烁体材料，将 X 射线能量转换为可见光，再用对可见光高灵敏度的相机（如典型现代 CMOS 相机）成像。在可见光相机上应用合适闪烁体本质上将其转换为 X 射线相机，但间接检测空间分辨率较低且有时间延迟。
本质上，直接探测器具有更高空间分辨率、灵敏度和速度，但最适合软 X 射线能量且制造成本通常更高。间接探测器可以较低成本成像极高能量 X 射线，但空间分辨率较低、图像质量下降。
在 Teledyne Princeton Instruments，我们提供一系列用于软 X 射线能量的直接和间接探测 CCD 相机，以及行业领先的 UV CCD 相机和 IR/NIR InGaAs 相机，以及用于可见光或带闪烁体硬 X 射线成像的最新 CMOS 技术。我们覆盖全光谱的解决方案。
让我们看看我们的 X 射线探测器解决方案！
- 直接探测：X 射线直接在传感器中转换为电信号，通常具备较高空间分辨率、灵敏度与速度，适用于较软 X 射线。
- 间接探测：闪烁体先将 X 射线转换为可见光，再由相机成像，适用能量范围较宽、成本较低，但分辨率和图像质量会受转换过程影响。
PI-MTE3：真空内直接探测
PI-MTE3 是可置于真空环境内的 CCD 相机，采用直接探测方式，适用于约 10 eV–30 keV 的 X 射线能量范围，并提供 2K 与 4K 传感器规格。真空内安装与可调整的散射角配置，便于在实验腔体中安排探测器。
SOPHIA-XO：低噪声直接探测
SOPHIA-XO 面向 EUV、VUV 与软 X 射线直接探测，覆盖约 5 eV–30 keV，峰值量子效率超过 95%。提供 2K × 2K 和 4K × 4K 规格，可选 1、2 或 4 端口读出，制冷温度可达 −90 °C。
PIXIS-XO：EUV 与软 X 射线直接探测
PIXIS-XO 面向低噪声 EUV 与软 X 射线直接探测，直接探测范围最高约 20 keV。深度制冷有助于降低暗电流；可旋转 ConFlat 法兰与高真空密封适用于真空腔体，可按成像或光谱应用选择配置。
PIXIS-XB：带铍窗的 X 射线探测
PIXIS-XB 针对约 3–20 keV X 射线探测。真空腔体中的薄铍窗可保护 CCD 并过滤低能 X 射线背景，适用于需要中等能量 X 射线灵敏度的成像或光谱实验；双放大器读出设计便于在速度与噪声之间选择。
PIXIS-XF：间接 X 射线探测
PIXIS-XF 采用磷光屏与光纤耦合，将 X 射线转换为可见光后由 CCD 成像，适用于低于 3 keV 至高于 20 keV 的能量范围。可选择前照或背照 CCD，并可按特殊应用配置磷光体。
红外、近红外与短波红外探测
多条光束线使用红外波长进行成像或光谱学。1000 nm 以上的红外波长对传统硅相机极具挑战，因低能量使传感器几乎透明。相反，铟镓砷（InGaAs）传感器在 900-1700 nm 具有极高灵敏度，在短波红外（SWIR）及 NIR-I/NIR-II 窗口表现优异。
NIRvana 系列 InGaAs 相机代表红外光束线的最佳选择。
NIRvana LN：低温制冷 InGaAs
NIRvana LN 面向短波红外弱光应用，采用液氮制冷 InGaAs 传感器，适合长曝光和微弱信号采集。
NIRvana HS：高速 InGaAs 成像
NIRvana HS 面向快速变化的短波红外信号，全传感器帧率最高可达 250 fps，适用于需要高速记录动态过程的实验。
