近日，用于兆电子伏超快电子衍射(MeV-UED)的仪器迎来重大升级，其新型探测器——1080赫兹ePix10k探测器已安装在能源部SLAC国家加速器实验室直线加速器相干光源(LCLS)的MeV-UED仪器上，并成功完成首次实验。
这是SLAC国家加速器实验室用于兆电子伏超快电子衍射(MeV-UED)仪器的1080赫兹ePix10k探测器的正面。 (季福豪/SLAC国家加速器实验室)
该新型探测器是首个能够跟上MeV-UED每秒1080个电子脉冲最大产生速率的探测器。与之前相比，新探测器在相同时间内采集的数据量是之前的三倍，显著提高了仪器的效率和灵敏度。MeV-UED设施主任亚历山大·里德表示，新探测器能读取仪器发出的每一个单独的电子脉冲，为分析实验数据、解答科学问题提供了更强大的方法。
灵敏度的提升使新的实验成为可能。MeV-UED通过追踪电子穿过样品时的散射情况，在探测器上产生衍射图样，揭示样品中原子和电子的位置及极短时间内发生的结构变化，有助于解读光化学反应及化学、生物学、材料科学等领域的重要过程。新型探测器使研究人员能更好地观察产生微弱衍射信号且以往难以研究的微妙化学过程，如质子转移反应。这种反应参与许多反应，包括生化反应的催化，但发生时间极短，仅需百万分之一秒，难以捕捉。里德称，改进的检测效率可缩短实验时间，更精细地了解分子随时间的变化。
由于该探测器能测量每一个可用的电子脉冲，比以往多三倍，研究团队还可逐脉冲地改变实验条件，如光照和温度，深入了解这些变化如何影响化学反应路径。这种逐脉冲检测方式将使研究人员采用新的测量策略，更清晰地呈现结构特征、提高时间分辨率并增强信号质量。LCLS化学科学系主任、斯坦福PULSE研究所首席研究员托马斯·沃尔夫表示，这项探测器技术与旧技术的区别，就像汽车和航天器的区别一样，对这套实验装置是颠覆性的变革，还将极大地促进基于机器学习的更复杂的数据分析方法的发展。
沃尔夫主持了使用新型探测器进行的首次测试实验，研究人员测量了在大气臭氧损耗中起重要作用的气体分子碘氯甲烷的结构变化。目前，MeV-UED的用户群体已可使用这套新装置。
MeV-UED的新型探测器是ePix10k的改进版。ePix10k是SLAC工程师率先研发的用于探测X射线的探测器，于2020年问世，灵敏度是上一代产品的十倍，迅速被世界各地的X射线设施采用。MeV-UED的研究人员渴望将这项技术应用于电子探测，但高能电子易被空气分子散射，X射线探测器无法直接使用，因此SLAC各研究团队重新设计了探测器，使其能在MeV-UED仪器的真空环境中运行。
里德介绍，这台探测器汇集了SLAC各部门的众多专业知识，技术创新部、加速器部以及LCLS部下属的探测器、数据平台、实验数据系统和超快电子衍射小组共同努力，优化了ePix10k探测器的热管理，将其移植到光束线上，并调整了仪器设置以应对更高的数据速率。里德还特别感谢了参与此项工作的众多专业人员，称正是他们的努力才使得这项新技术得以实现，拓展了电子探测的边界。
据悉，这项研究由美国能源部科学办公室资助，LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。
