在大分子晶体学中使用混合像素探测器

大分子晶体学得益于几个方法论的发展,如采用cryo-crystallography和改进的x射线源。同时,探测器技术的进步通过图像板和CCD探测器从电影最先进的混合像素探测器促进大分子晶体学研究。DECTRIS开创了光子计数像素探测器在晶体学中的应用。现在,大量的皮拉图斯山探测器安装在高调MX beamlines全世界成百上千的结构确定和存入PDB数据。DECTRIS混合像素探测器的仪器选择beamlines关心数据质量和效率。

DECTRIS混合像素探测器在大分子晶体学的成功是基于其独特的特点:

• 没有读出噪声和暗电流
• 锋利的点扩散函数小于一个像素
• 高动态范围的20位
• 在短时间内读数乘以几毫秒的范围
• 高帧率高达250赫兹(PILATUS3 2米)

DECTRIS混合像素探测器的优点在先前的探测器技术在许多方面是:

• 锋利的点扩散函数确保很好的解决密集反射在整个探测器的动态范围
• 它最小化重叠的衍射强度与散射背景和最大化信噪比
• 高动态范围的20位几乎消除了重载低分辨率反射
• 读出时间短和高帧速率使高通量数据收集和优化beamline效率
• 此外,它允许收集衍射数据连续旋转和消除了快门的误差来源。暗电流和读出噪声完全缺席,导致更好的信噪比特别弱的高分辨率反射

独特的特点:混合像素和微带技术

DECTRIS x射线探测器实现与优化固态传感器直接检测的x射线和混合像素CMOS读出asic技术。这些探测器包括一维微带探测器与一维数组(线性)的条纹和2 d像素阵列探测器(探测器)像素的二维数组。

关键优势

• 直接检测的x射线
• 单光子计数
• 优秀的信噪比和高动态范围(0黑暗信号、零噪音)
• 低能x射线抑制(由单一的能量阈值能量分辨率)
• 读出时间短和高帧速率
• 模块化探测器实现多模块大有效面积的探测器

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直接检测

如图1所示,在直接检测传感器技术,x射线光子直接转换成电荷在固态传感器。直接检测传感器是完全耗尽的单片传感器和通常是由高电阻率固态传感器材料如硅。亚博网站下载电阻和二极管类型像素传感器与各种传感器与欧姆接触或二极管结构厚度可在每个单独的像素。

图1所示。直接检测原理的x射线光子固态传感器。图片来源:Dectris有限公司

混合像素

在混合像素技术,像素化固态传感器连接到一个CMOS读出ASIC肿块或钢丝粘合技术如图2所示。传感器,这通常是一个一个或二维数组PN-diodes加工的硅,高电阻率与读出通道设计CMOS技术的一个数组。

图2。混合像素传感器原理撞连着一个CMOS读出ASIC。图片来源:Dectris有限公司

单光子计数

每一个光子都是单独识别检测器的检测并计算单光子计数技术。读出通道包括一个放大器,放大了电荷产生的脉冲传感器由一个传入的x射线光子,一个鉴别器,生成一个数字脉冲信号如果传入的脉冲充电超过一个可调节的预定义的阈值,和数字计数器,它统计生成的数字脉冲的数量。

在图3中,第一个图显示的顺序输入x射线光子与相应的能量。第二个图显示了在放大器的输出模拟电压脉冲,连续的预定义的阈值电压比较器作为鉴别器。

第四图显示了出现的数字电压脉冲序列,比较器的输出为柜台为了确定入射x射线光子的能量高于预定义的阈值能量。这是一个完全数字检测和存储方案和达到一个无声的决心和读出每像素检测x射线光子的数量。

图3。单光子计数探测器原理与集成探测器。图片来源:Dectris有限公司

单光子计数原理特性零暗信号和零读出噪声和达到良好的信噪比。此外,能量阈值提供能量分辨率和一个能量阈值可用于低能抑制。单光子计数达到读出时间短和高帧速率由于完全数字检测和存储方案。

高性能单光子计数探测器通常包括柜台尺寸范围内的20位,动态范围高达1000000,读出乘以小于1的女士和几个100 Hz的帧速率。最大计数率,通常每秒106光子在一个单一的像素,使现代同步的处理高通量的光源。

模块化的探测器

完整的有效面积和大面积的像素阵列探测器由多个相同模块的模块化探测器技术的预定的大小。探测器模块的基本单位是多模块检测器,包括multi-chip模块与单个单片传感器和CMOS读出asic,安装支架和控制电子产品。探测器模块安装在高精度机械框架创建与60多模块探测器模块或更多。如图4所示,皮拉图斯山探测器模块包括multi-chip模块使用一个传感器和一个8 x 2数组bump-bonding CMOS读出asic组装的技术。

图4。Multi-chip模块16 CMOS读出asic bump-bonded单一传感器。图片来源:Dectris有限公司

每个传感器都是一个连续的487 x 195 94965像素数组没有死区和占地83.8毫米x 33.5毫米的活跃领域。multi-chip模块线焊安装支架和控制电子和形式的皮拉图斯山探测器模块如图5所示。在多模块设置多个皮拉图斯山探测器模块组装形成大面积皮拉图斯山探测器如图6所示。

图5。皮拉图斯山探测器模块。图片来源:Dectris有限公司

图6。皮拉图斯山探测器模块组装在一个多模块设置在一个大,皮拉图斯山探测器。图片来源:Dectris有限公司

MYTHEN探测器模块包括一个传感器和一个线性阵列的8 CMOS读出asic组装线焊接技术。1280年的传感器是一个线性阵列微带50µm球场上总有效面积8 x64mm。多个MYTHEN探测器模块可以与单个探测器和运营控制系统结合,形成一个大型多探头系统如图7所示。

图7。MYTHEN探测器系统探测器组成的控制系统和一个multi-chip探测器模块(没有住房)。图片来源:Dectris有限公司

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