由SLAC国家加速器实验室的Manuel Gnida制作
SLAC的克里斯·肯尼拥有16个模块，2个
200万像素ePix10k X光相机
信用:杰奎琳·拉姆塞耶·奥雷尔/SLAC国家加速器实验室 当美国能源部SLAC国家加速器实验室在2009年开启世界上第一台硬X射线自由电子激光器时，它标志着科学新时代的开始——在这个时代，研究人员可以实时直接观察原子的超快运动，并研究这些运动如何影响材料的性质以及化学和生物学中的基本过程
但是这种被称为直线加速器相干光源(LCLS)的新机器还需要一种新型的探测器，能够处理x光激光的强烈辐射，并且快速、稳定、灵活，足以支持大量新开发的实验
就在那时，ePix的想法诞生了——一种新的多功能探测器，很快将成为LCLS超快X射线实验的主力
said探测器和应用微电子项目负责人安杰洛·德拉戈(Angelo Dragone)说:“当时的选择是，要么开发多个探测器，每个探测器都是为特定实验设计的，要么想出一个新的探测器平台，该平台使用标准化的组件，我们可以混合和匹配这些组件来构建各种具有特定功能的探测器。”
如今，这种积木式方法是SLAC下一代探测器愿景的核心，它可以跟上实验室中要求越来越高的实验，最显著的是LCLS升级版将比其前身亮1万倍，发射速度快8000倍
今年，ePix X射线探测器还入围了著名的R&D 100大奖
Dragone说:“这是对团队多年来所有辛勤工作的极大认可。”
“ePix技术是一种完整的设计理念，是一种构建高性能探测器的新概念，可以适应多种用途
看到这种方法获得了回报是值得的
" 一种新型X射线源的模块化探测器设计 本质上，所有ePix探测器都由一组共享的构建模块组成:X射线传感器、定义探测器功能的专用集成电路(ASICs)、读取信号的电子器件、收集数据的软件、冷却系统和机械外壳
这些通用组件具有标准化的接口，可以组合成具有不同功能的独立检测器块
这些瓦片可以进一步组合以构建更大的检测器
与科学家之前的X射线探测器不同，ePix探测器对于LCLS的快速超短脉冲序列足够快，足够灵敏以捕获单个光子和X射线束的全部强度，并且足够稳定以在长时间内表现良好
SLAC的安杰洛·德拉戈展示了一个包含大约50个ePixHR核心专用集成电路的硅片
它们是实验室下一代x光激光LCLS二号探测器的第一代高速读出芯片
信用:杰奎琳·拉姆塞耶·奥雷尔/SLAC国家加速器实验室 “这里的关键是组件使用相同的语言，因此我们可以非常容易地以多种方式将它们组合在一起，”SLAC高级员工科学家克里斯·肯尼说，他从一开始就与Dragone合作推动ePix在实验室的开发
“但是，尽管各种检测器共享一个通用的架构，但它们是根据它们所用于的特定实验的需要而定制的
" 在SLAC和其他地方实现一流的x光科学 如今，大约85%的LCLS实验依赖于ePix探测器
在过去的一年里，LCLS产生了超过1pb，或1万亿字节的用户数据——其中几乎一半是使用ePix探测器记录的
“这些探测器是一个非常强大的技术平台，对我们的成功绝对至关重要，”LCLS科学部副主任鲍勃·舍恩莱因说
“当它首次被引入时，这是一个重大的进步，从那时起，它一直推动着我们所能做的科学的发展，使我们能够收集高保真数据，以前所未有的细节揭示原子运动如何影响我们周围世界的重要过程
" 第一个检测器是ePix100，它具有超低噪声，可检测微弱信号，高分辨率x光图像的像素尺寸为50微米
多年来，探测器开发人员添加了许多其他ePix变体
最近，探测器设计人员部署了ePix10k，它每秒可以拍摄的X射线图像几乎是前几代的10倍，灵敏度是前几代的3倍，最高可达200万像素
另一个版本，ePixS，特别适用于光谱应用，分析波长或“颜色”差异非常小的x光
" 美国能源部阿贡国家实验室和德国欧洲XFEL的高级光子源的研究人员也在使用这项技术，世界上的其他x光设备也可能会效仿
为研究开发X射线探测器的公司Rayonix已经开始将这项技术商业化，这将有助于更广泛地使用这项技术
为x光科学的未来做准备 与此同时，SLAC团队已经在专注于下一个挑战:明年，实验室将开启LCLS二号，它将每秒发射多达100万个X射线脉冲，产生比第一代X射线激光器亮10000倍的光束
Dragone说:“LCLS二号将以如此高的速度产生数据，以至于我们无法再从探测器上读取和存储所有信息。”
因此，他和他的同事正在开发不同处理数据的ePix版本
用于SLAC直线加速器相干光源(LCLS)和世界各地设施的x光科学的ePix10k照相机的四个单元
ePix技术在2021年入围了著名的R&D 100奖
信用:克里斯托弗·肯尼/SLAC国家加速器实验室 一条前进的道路是一系列用于极高未处理数据率的检测器，称为ePixHR
先进的LCLS二号数据采集系统将压缩来自这些探测器的数据，而不会影响后续分析的质量
这有点类似于从包含更多数据的原始图像生成高质量的JPEG
该团队已经生产了一个每秒可以处理5000张图像的原型，未来的版本将把这个数字提高到25000张，最终达到每秒100000张图像
另一种被称为SparkPix的方法，将允许研究人员以LCLS二号产生x光闪光的同样高的速度拍摄图像
它利用了探测器收集的数据并不都同等重要的事实
通常，一串图像中只有几帧包含实际的x光信号，一些技术只使用大图像的几个像素进行数据分析，因此没有必要一直读取和存储所有信息
SparkPix将在探测器内部处理这些数据，只提取所需的信息
舍恩莱因说:“这些新的发展将使我们能够为LCLS二号追求最雄心勃勃的科学目标。”
“但不仅如此
这些探测器还创造了不可预见的能力，促使我们的科学家思考利用它们的全新类型的实验
" 应对实验室数据挑战的整体战略 来自LCLS二号的极高数据率只是SLAC科学家在未来几年将面临的数据挑战之一
未来的宇宙学调查，包括鲁宾天文台的空间和时间遗产调查和宇宙微波背景的下一代分析，以及粒子物理学调查，如欧洲核子研究中心大型强子对撞机的高亮度升级，将产生巨大的数据量，需要新的方法来记录、分析和管理数据
传统上，一个学科的SLAC研究人员和工程师通常会独立于其他领域的同行来设计和制造探测器
但是最近，许多设计师聚集在实验室的技术创新局(TID)来构建未来的科学工具
Dragone说:“我们面临的挑战在整个实验室中非常相似，因此，当我们合作并选择一种集成的方法来开发数据采集、计算和探测器时，我们可以最好地为科学服务。”
例如，尽管X射线和基本粒子探测器寻找不同的信号，但它们使用相似的组件集，并且通常要求类似的规格，例如快速计时、小像素和高分辨率
拥有一个共同的探测器开发战略可以在这两个领域优化R&D，一个领域的技术突破可以带来另一个领域的解决方案
在过去的十年里，ePix探测器项目吸引了来自SLAC各局和部门的数十人参与，这是一个成功的战略合作范例，Dragone说:“从关注我们最先进的X射线光源的探测器需求开始，现在已经成为TID实验室为其他任务领域开发多功能探测器的典范
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