面向先进光源线站等大科学装置的低温X射线能谱仪原理及应用进展

Development of basic theory and application of cryogenic X-ray spectrometer in light sources and X-ray satellite

张硕, 崔伟, 金海, 陈六彪, 王俊杰, 伍文涛, 吴秉骏, 夏经铠, 宋艳汝, 杨瑾屏, 翁祖谦, 刘志

物理学报. 2021, 70 (18): 180702

doi: 10.7498/aps.70.20210350

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文章导读

先进探测器是现代测量中无法绕开的核心设备之一，如K2相机于冷冻电子显微镜，每一次探测器性能的提升都有可能带来在探测上的新突破。X射线谱学是一种极为重要的分析手段，通过X射线发射谱、吸收谱、拉曼光谱及谱线移动等可以分析材料的元素种类、价态、分布乃至运动状态。能量分辨率和探测效率是X射线能谱仪两个核心参数，传统的能量色散型能谱仪及波长色散型能谱仪在这两个参数上均无法兼得，因此在进行部分测量时，灵敏度无法进一步提升。

低温X射线能谱仪兼具高能量分辨率、高探测效率、低噪声等特点，在暗弱、弥散X射线源的能谱测量中优势明显。低温X射线能谱仪的应用已十分广泛，在先进光源线站这一光通量相对较高的应用场景下，其应用涵盖轻元素X射线荧光谱、X射线近边吸收谱、共振软X射线散射、时间分辨X射线能谱等方向。例如APS将其应用于硬X射线谱学，Spring-8将其用于稀土金属的XANES谱测量，LCLS-II将其用于液体喷流实验站上。除先进光源这一应用场景外，绝大多数大科学装置面临的是光通量低的限制。强子原子、高电荷态离子的制备极为困难，因此产生的X射线通量极低，为了将其与X射线背景区别开来，必须引入低温X射线能谱仪来大幅降低测量时间。在空间X射线天文学方面，观测时间的大幅压缩将带来革命性的进步，因此欧美等国家的空间科学部门投入大量人力物力用于空间科学的低温X射线能谱仪的研制。针对宇宙热重子的探索需求，我国科学家亦提出了HUBS项目，希望通过高精度X射线能谱成像观测，获得来自宇宙的微弱X射线信号。

本文简要综述了低温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，国内外大科学装置研究现状，以及未来发展趋势等方面。针对软X射线自由电子激光装置（SXFEL）和硬X射线自由电子激光装置（SHINE），上海科技大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等单位共同努力，目前已建设完成了一套基于超导转变边缘探测器的低温X射线能谱仪。在硬X射线能段（8 keV处标定结果）获得了7.6 eV的能量分辨，在软X射线能区（1.5 keV处标定结果）获得了约2 eV的能量分辨。图1展示了该套能谱仪的宽谱测量能力。

图1  上海科技大学低温X射线能谱仪研制团队采集得到的PM2.5样品能谱

随着低温X射线能谱仪关键技术在国内的快速发展，它将与波长色散型能谱仪的形成互补，在先进光源线站弥散源的宽谱成像测量中发挥重要作用。对于X射线卫星、高电荷态、X射线计量、gamma谱线测量等光通量极低的应用场景，低温X射线能谱仪将会带来巨大的灵敏度提升，进而推动我国的X射线天文学、原子分子物理、X射线计量学以及gamma谱线相关的核科学研究的巨大进步。