ASI TPX3Cam通过闪烁屏、光学耦合和图像增强器记录中子事件的位置与时间，结合飞行时间推算能量。本文介绍其探测原理、TOF中子衍射实验验证，以及能量分辨成像和多模态材料表征应用。
中子计数到中子事件：ASI TPX3Cam事件相机中子探测新技术
ASI TPX3Cam事件相机代表了一种新的中子探测理念：传统探测器主要关注记录中子的数量，而事件相机则聚焦于记录每一个中子的空间位置和到达时间。这种从“计数”到“单事件记录”的转变，使中子实验能够获得更丰富的时间信息，构建出更高维度的数据结构，并拥有更加灵活的数据分析方式，同时也显著增强了成像技术与谱学方法相结合的能力。随着材料科学、能源材料和核工程研究对多尺度、多信息表征需求的不断增长，事件模式中子探测技术正在成为传统中子探测体系的重要补充。在这个意义上，ASI TPX3Cam不仅是一台高速事件相机，更是连接中子成像、TOF衍射和能量分辨材料分析的新型数据采集平台。
传统中子衍射和成像系统通常采用大面积3He气体探测器阵列，或者基于中子敏感闪烁体与光电倍增管（PMT）的探测方案。这些技术经过多年发展，具有成熟可靠、探测效率高等优势，是目前许多大型中子散射装置的核心探测方式。然而，随着现代材料研究向更高空间分辨率、更丰富时间信息以及成像—衍射多模态分析方向发展，传统探测架构也面临新的挑战：
大量探测单元带来的系统复杂度；多通道电子学读出需求；大型探测阵列建设和维护成本；难以同时获得空间和时间维度的信息。
特别是在3He资源受到限制的背景下，开发具有更高信息密度的新型中子探测技术成为重要发展方向。基于Timepix3的ASI TPX3Cam事件相机实现了“记录每个中子事件位置与时间、而非仅统计总数”的新型探测理念。
图1 TPX3Cam事件相机
2024年，研究人员验证了基于ASI TPX3Cam的事件模式探测器用于飞行时间（TOF）中子衍射的可行性；随后，进一步研究将事件模式能量分辨成像技术与HIPPO飞行时间中子衍射仪结合，实现了中子成像、Bragg-edge分析、共振成像以及衍射分析的联合测量。这些研究表明：事件相机正在推动中子探测从二维积分图像向空间、时间和能量多维数据获取发展。
需要明确的是：ASI TPX3Cam相机本身并不是直接探测中子的。由于中子不带电，需要通过中子转换材料将中子信号转换为可探测光信号。
典型探测流程如下：
中子 → 中子敏感闪烁屏（如6LiF/ZnS） → 产生闪烁光子 → 光学耦合系统 → 图像增强器 → Timepix3事件相机 → 重建中子事件
在相关研究中，实验采用6LiF/ZnS:Ag闪烁屏，中子与闪烁材料作用产生光信号，随后经过光学镜头和双MCP图像增强器放大，随后由ASI TPX3Cam进行事件读出。与传统积分式探测器不同，Timepix3采用的是事件模式（Event-mode）数据采集方式。
传统中子相机类似普通摄影：在一定曝光时间内，所有中子产生的信号不断累积，随后形成一幅二维强度图像：I(x,y)
这种方式可以表示这个位置接收到多少中子，但无法保留每个中子的时间信息。而事件模式探测记录的是每一个独立信号事件：(x,y,t)
即： 中子发生的位置； 中子到达的时间； 信号强度信息。通过事件重建算法，可以将大量像素激活信号重新组合成单个中子事件，随后得到：N(x,y,t)
对于脉冲式中子源，通过记录中子事件时间与质子脉冲T0信号之间的时间差，可以进一步获得：TOF并计算中子波长和能量。“不仅知道中子在哪里被探测，还知道它什么时候到达”，这正是事件相机相比传统探测器主要优势。
为了验证事件相机是否能够用于中子散射实验，研究人员在美国LANSCE的HIPPO飞行时间中子衍射仪上进行了实验。
实验采用：ASI TPX3Cam事件模式探测器；6LiF/ZnS闪烁屏；图像增强器；光学耦合系统，实验样品为硅粉末。
图2 HIPPO实验安装布局
研究中同时使用HIPPO原有3He探测阵列进行测量，从而比较两种探测方式的性能。
实验结果证明：TPX3Cam的事件模式探测系统能够获得有效的TOF中子衍射数据。
图3 TPX3Cam探测系统结构示意
测得的硅衍射峰与传统3He探测结果以及McStas模拟结果具有良好一致性，并能够进入GSAS、MAUD等晶体结构分析软件进行Rietveld分析。
图4 硅粉衍射结果验证
这说明： 事件相机不仅能够用于中子成像，也可以进入定量材料结构分析流程。
传统探测器的关注核心在于统计中子的总数量，而事件相机则记录每一个中子到达探测器的具体位置和精确时间。这种单事件记录方式使得每个中子事件同时携带空间坐标与时间信息，结合脉冲中子源的质子脉冲起始时间（T0）即可计算飞行时间（TOF），进而推算出中子能量。因此，实验获得的数据天然包含空间（x,y）、时间（t）和能量（E）三个维度的信息。为TOF成像、Bragg-edge分析以及中子共振成像等需要波长分辨的测量提供了数据基础。
传统3He管阵列由大量独立探测管组成，每个探测单元对应固定的空间位置，探测器的几何结构在硬件层面就已确定。而Timepix3本身是一块二维像素探测芯片，具备256×256像素的像素级事件记录能力，整个探测面是连续且可编程的。这意味着探测区域可以在数据分析阶段通过软件重新划分——例如在衍射实验中引入“superpixel”概念，根据实际需要将探测面重组为不同大小和形状的虚拟探测单元，并分别生成对应空间区域的TOF谱，甚至在后处理中优化仪器几何参数。这种能力使得部分传统上由硬件决定的探测结构可以转移到软件层面灵活定义。
传统探测器在数据采集阶段就已经确定了数据形式，采集完成后难以回溯调整。而事件相机保存的是原始事件流——每一个中子事件的坐标和时间都被完整记录下来，可在采集完成后对数据进行进一步分析。这使得研究人员可以根据不同的研究目的，对同一份数据重新进行空间区域划分、时间窗口选择或能量范围截取，从而在不重复实验的情况下分别支持中子成像、TOF谱分析、能谱分析和材料结构研究等多种分析需求，大大提高了数据的利用效率和实验的容错性。
ASI TPX3Cam的探测链路采用“闪烁屏+光学镜头+图像增强器+Timepix3”的光学耦合结构，中子转换与电子读出之间通过光路连接而非物理贴合。这种设计允许系统根据不同实验需求灵活更换和调整前端的闪烁屏尺寸、闪烁体材料、镜头倍率以及视场范围，例如高空间分辨实验可采用小视场高倍率配置，大面积探测实验则可调整为更大视场。这种模块化的光学架构使得同一套事件相机硬件可以适配多种不同类型的中子实验，而无需为每种应用重新设计整套探测系统。
事件模式探测的真正潜力并非仅仅在于替代传统探测器，更在于提供了全新的多模态实验能力。通过TOF信息，热中子波段的透射谱可以用于Bragg-edge成像，从而分析材料的晶体结构、相组成、晶粒取向和应变分布；超热中子波段的共振吸收谱则可用于中子共振成像，识别样品中的元素种类和同位素信息。这使得一次中子实验不仅生成一幅二维图像，而是构建出融合空间分布、晶体结构、相信息和元素组成的综合表征数据，将传统中子成像从单一的灰度图像拓展为多维度材料分析平台。
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Tim T. Jäger et al., Demonstration of neutron time-of-flight diffraction with an event-mode imaging detector, Journal of Applied Crystallography, 2024, 57, 1107–1114。该论文明确采用Amsterdam Scientific Instruments TPX3Cam完成事件模式中子TOF衍射实验。
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