研究人员利用带时间戳的单光子事件相机，通过位置 + 时间联合编码(x,y,t）实现无反阿贝尔变换的三维速度映射成像（VMI），直接测量氙气阈上电离产生的低能电子三维动量分布，验证了非圆柱对称电子分布的测量能力。本文针对此方法，做了一些实验设计方案、实验结果方面的论述，欢迎大家来电讨论沟通。
不用Abel反演，如何直接获得电子三维动量？TPX3CAM给出了新的解决方案！
如果想知道电子究竟向哪个方向飞、飞得有多快，Velocity Map Imaging（VMI）几乎是所有强场物理和超快光谱实验都会用到的重要技术。
然而，传统VMI一直存在一个技术难题：探测器能够记录电子落点的位置，却无法直接获得电子沿飞行方向的速度信息。因此，大多数实验只能获得二维动量投影，而完整的三维速度分布，往往需要借助Abel反演或切片成像等复杂方法才能恢复。
那么，是否能够像记录一张普通图像一样，同时获得电子的空间位置和飞行时间，从而直接重建三维动量？近期发表于 Review of Scientific Instruments 的一项研究给出了新的答案——利用时间分辨单光子事件相机，研究人员成功验证了直接获得电子三维速度映射成像（3D VMI）的可能。
一、利用高帧频时间分辨单光子事件相机实现电子三维速度成像的设计方案
电子速度映射成像的核心目标，是准确获得电子在三维空间中的动量分布。然而，长期以来，大多数VMI系统只能记录电子在探测器上的二维投影，即横向动量 (px) 和 (py)。电子沿飞行方向的动量 (pz) 往往无法直接测量，因此通常需要依赖Abel反演、时间切片或COLTRIMS等方法进行三维重建。这些方法或对实验具有严格的柱对称要求，或需要复杂的扫描过程和额外的数据同步系统，这些过程既增加了实验难度，也限制了其在复杂偏振和超快动力学实验中的应用。
本研究提出的基于具有时间戳功能的单光子事件相机（即高帧频时间分辨事件相机）的新型三维电子速度映射成像方案，核心思想是：记录电子击中探测器的位置的同时，还同步记录电子到达探测器的时间。
试验系统搭建如下图（图1）所示：
图1
首先，飞秒激光脉冲聚焦到真空腔内的氙原子分子束（Molecular Beam）上，在强场作用下使原子发生阈上电离，产生具有不同初始速度和发射方向的光电子。
随后，电子进入由Repeller（排斥极）、Extractor（提取极）和Ground（接地极）组成的VMI静电透镜系统。实验中，三块电极分别施加 -100 V、-75 V 和 0 V 的工作电压，形成优化后的电场分布。该电场能够将具有相同初始速度的电子聚焦到探测器对应位置，同时保留电子速度信息，为后续速度重建提供基础。
聚焦后的电子继续飞向微通道板（Microchannel Plate，MCP）。由于单个电子信号极微弱，MCP会对电子进行约 10 倍电子倍增，将原本难以探测的单电子事件放大为高强度电子云。
放大的电子束轰击荧光屏（Phosphor Screen），在荧光屏表面形成瞬时发光光斑。荧光屏产生的荧光一方面由事件相机TPX3CAM直接采集，获得电子击中探测器的位置坐标 (x, y)；另一方面，荧光屏输出的电信号经过恒比定时鉴别器（CFD）处理后输入事件相机内部的第二路时间数字转换器（tdc2）。
与此同时，与飞秒激光同步的触发信号作为时间零点输入第1路时间数字转换器（TDC1）。
因此，每一次光子事件都会同时记录两类信息：
空间信息：电子击中探测器的位置 (x,y)，对应电子横向动量px和py；
时间信息：电子飞行时间（TOF），由 TDC2 与 TDC1 的时间差计算得到，对应电子纵向动量 pz。
这样，传统VMI只能获取二维位置坐标的弊端被规避掉。单光子事件相机TPX3CAM将电子的空间位置与飞行时间整合到同一数据流中，实现了由 x,y,,t 到 px,py,pz的直接转换，从而完成电子三维动量的直接重建。
二、利用氙原子ATI电子验证基于时间分辨单光子事件相机的三维成像能力
为验证时间分辨单光子事件相机三维速度映射成像方案的可行性，研究人员选择氙原子（Xe）阈上电离（ATI）电子作为测试对象。由于ATI电子具有明确且可预测的能量峰，因此能够作为验证三维动量重建精度的理想标准样品。实验结果表明，高帧频时间分辨事件相机能够成功分辨多个ATI电子峰，并完整重建电子三维速度分布，证明了利用空间位置与飞行时间同步测量实现电子三维VMI的可行性。
图2
图2展示了时间分辨事件相机TPX3CAM重建得到的电子三维速度分布。实验中，激光偏振方向沿电子飞行方向（z轴），电子在不同方向上的动量被完整恢复，并形成清晰的三维ATI峰结构。
从实验结果可以看到，不同能量电子在三维动量空间中形成多个彼此分离的电子峰。其中，沿负z方向（慢电子）成功分辨出3个ATI峰，沿正z方向（快电子）分辨出2个ATI峰，说明系统已经能够准确区分不同飞行时间对应的电子事件。
与传统二维VMI相比，这些电子峰不再只是二维投影，而是真正恢复了电子在三个方向上的速度信息，使实验人员能够直接观察电子完整的三维动量分布，而无需依赖Abel反演进行数学重建。
图3
图3展示了时间分辨事件相机三维动量重建中的关键一步：时间—速度标定。实验中，实验人员利用氙原子阈上电离产生的ATI电子峰作为已知能量参考，建立电子飞行时间与纵向速度vz之间的对应关系。左图显示了不同ATI峰在飞行时间轴上的分布，右图则将这些峰的位置与电子速度进行拟合，并与SIMION模拟结果进行对比。
结果表明，飞行时间到速度的转换并非简单线性关系，仍需要进行非线性标定。正是通过这一步，时间分辨事件相机（TPX3CAM）采集到的时间信息才能准确转换为电子纵向动量pz，从而完成真正的三维速度映射成像。
图4
图4中左图是时间成像结果；激光偏振方向沿 z 轴，也就是沿电子飞行时间方向。此时，不同能量的电子主要通过到达时间差被区分。时间分辨事件相机（TPX3CAM） 利用 TDC 记录飞行时间，再换算成纵向动量pz。
右图是空间成像结果；激光偏振方向沿 y 轴，也就是在探测器平面内。此时，不同能量的电子主要表现为探测器平面上的不同空间位置，也就是传统 VMI 擅长测量的横向动量。
图中白色横线标出了 ATI 峰对应的能量位置。可以看到，左图和右图中 ATI 峰的位置基本一致。这说明：用时间维度恢复出的电子动量，与传统空间成像得到的电子动量相互吻合。
图5
图5展示了VMI电压对电子时间分辨能力的影响。左图是高电压600 V/450 V下获得的图像。电子到达时间差较小，ATI峰难以在时间轴上充分分离；右图是在100 V/75 V低电压条件下得到的图像，电子飞行时间被有效拉长，多个ATI峰在时间维度上清晰展开。这说明，通过降低VMI电压，可以更充分发挥时间分辨事件相机TPX3CAM内置TDC的时间分辨能力，为后续pz动量重建提供可靠基础。
图6
图6进一步展示了高帧频的时间分辨事件相机（TPX3CAM）从原始事件数据到三维动量空间的转换过程。下方图像为相机直接采集到的原始光电子信号，上方图像为经过标定后的动量空间分布。左侧为时间成像模式，说明电子飞行时间可转换为纵向动量pz；右侧为空间成像模式，说明电子落点位置可转换为横向动量px,py。这组结果表明，时间分辨事件相机（TPX3CAM）并非只是记录二维图像，而是能够同步利用位置和时间信息，将原始 [x,y,t]数据重建为完整的 [px,py,pz] 三维动量分布。
三、论文的启示以及高帧频时间分辨事件相机在实验中的重要作用
综合实验结果可以发现，利用时间分辨事件相机搭建的系统可以做到整个实验过程中无需Abel反演、无需时间切片扫描，也无需外部PMT同步系统，即可完成完整的三维速度映射成像。这意味着研究人员能够以更加简单、高效的实验方式，开展复杂偏振条件下的电子动力学研究，为强场物理、超快光谱及电子-离子符合探测提供了新的技术选择。
这就需要单光子相机设备具有：
1.实现空间信息与时间信息的同步获取。通过内置TDC结构，在同一探测系统内同步记录电子击中位置 (x,y)与飞行时间 t，真正意义上实现单设备三维数据采集。
2.可以提供传统相机无法实现的事件级时间分辨能力（ 皮秒级TDC时间标记）。在电子VMI实验中，电子飞行时间窗口通常仅为数纳秒级，传统ccd曝光方式完全无法分辨不同纵向动量电子。
3.可以实现真正的事件驱动探测模式（Event-driven detection）。对每一个电子事件进行独立记录，避免背景噪声累积与曝光平均效应，要对单电子的强分辨能力。
星朗浩宇/昊量光电能够提供高帧频时间分辨事件相机TPX3CAM的销售和相关技术支持。
高帧频时间分辨事件相机TPX3CAM具有的多个核心特性完全契合该成像方案的技术需求与成像逻辑。其优势如下：
光敏硅传感器
核心芯片为 Timepix3 硅像素探测器，对可见光 / 近红外光子灵敏，专门采集 MCP 荧光屏（P47）发出的可见光光斑，适配 VMI 光学读出方案，区别于直接真空内置阳极探测器。
波长范围: 400 - 1000nm
覆盖荧光屏主流发光波段（蓝绿光为主），同时兼容可见光照明、近红外辅助对准；紫外端需搭配荧光转换屏才能探测，完整匹配光电动力学实验光学窗口。
像素独立工作，同时检测时间(ToA)和强度(ToT)
每个像素内置独立 TDC 计时单元，互不干扰；
· ToA：记录粒子撞击时刻，换算飞行时间，获取轴向速度 vz，实现三维速度映射；
· ToT：光斑光强信号，用于修正 Time-walk 时间行走误差，提升低能电子动量测量精度。
时间分辨率1.6ns，有效帧率> 500 MHz
单像素时间分辨 FWHM 仅 1.6 ns，可精准区分电子纳秒级微小飞行时间差； 超高等效时间帧率，能捕捉激光单脉冲内大量电子的时序分布，适配窄 TOF 窗口的电子探测。
无噪声、数据驱动读数，高达80 Mhits/s (10Gb/s)
无空像素读出（数据驱动），不传输空白区域，无固定背景噪声；8000 万事件每秒、10Gbps 高速输出，适配高重频飞秒激光、自由电子激光长时间连续采集；无全局死时间，单次脉冲可同时记录上百个电子，解决多粒子光斑重叠丢失问题。
灵活的光学设计
相机整机放置真空外部，可更换镜头、调节成像放大倍率；能适配不同尺寸 VMI 荧光屏，原有标准 VMI 真空腔体、静电透镜无需改造，低成本升级二维成像至三维速度映射系统。
另外本文应用中所用到的高性能CFD及TDC我司也均可提供
恒比鉴别器（CFD）
超高时间分辨率可达1 ps，标准均方根（RMS）抖动仅 2.0 ps，可选高分辨率模式使抖动进一步低至1.5 ps。极短死时间1.5 ns，zui大输入频率达700 MHz，支持4至20 个输入通道。512 MTags的猝发内存，可应对瞬时高计数率的数据缓冲。因此被广泛应用于量子光学、单光子显微镜、荧光寿命成像（FLIM）及动态光散射等尖端研究领域。
三维速度映射成像原理结合高帧频时间分辨事件相机 TPX3CAM像素级独立工作机制，每个像素可同时实现事件触发时间（ToA）与信号强度（ToT）的同步探测，使空间信息与时间信息能够在同一探测体系中被统一记录。基于这一特性，电子的三维成像得以实现，无需依赖逆Abel变换等复杂数学反演方法，即可完成三维速度映射成像测量方案。
如您对该技术的实际实验表现或应用效果感兴趣，欢迎联系我司相关负责人申请设备现场Demo与技术交流。
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