CheeTah系列TEM探测器

混合像素直接电子探测系统

CheeTah系列是荷兰Amsterdam Scientific Instruments（ASI）面向先进透射电子显微镜应用开发的混合像素直接电子探测系统（Hybrid Pixel Direct Electron Detection System）。该系列基于CERN的Medipix3和Timepix3技术，能够直接记录入射电子，具有单电子灵敏度、高速读出、阈值判别和耐辐照等特点。

CheeTah可用于三维电子衍射（3D-ED）、MicroED、连续旋转电子衍射（cRED）、4D-STEM、超快电子显微镜（UEM/U-TEM）、超快电子能量损失谱（U-EELS）以及低剂量成像等研究，特别适合对电子束敏感的材料和纳米晶体样品。

ASI可根据具体接口条件，将CheeTah系统安装或改装到Thermo Fisher、JEOL、Hitachi和Zeiss等品牌的TEM平台上。

混合像素直接探测原理

传统TEM相机通常利用荧光屏将电子转换成光，再由CCD或CMOS传感器积分成像。CheeTah采用直接电子探测方式：入射电子进入半导体传感器后产生电子—空穴对，在偏置电场作用下形成电荷信号，并由对应像素中的电子学电路直接放大和数字化。

CheeTah的传感器层与读出芯片分别制造，再通过像素级凸点键合（bump bonding）连接。这种混合像素结构具有两方面优势：

可根据电子能量及实验要求选择适合的传感器材料；

每个像素拥有独立的信号放大、阈值判断和数字读出电路。

Medipix3和Timepix3芯片的基本像素尺寸均为55 × 55 μm，单芯片阵列为256 × 256像素。探测阈值可设置在电子噪声水平之上，只有超过阈值的有效信号才会被记录。

Medipix3与Timepix3：两种数据采集方式

Medipix3：高速帧式电子计数

Medipix3在设定曝光时间内，对每个像素接收到的电子进行计数，然后输出完整图像。其特点包括：单电子计数和阈值判别；高动态范围；根据位深和读出配置实现高速帧式采集；适合3D-ED、MicroED、cRED和高速衍射成像；可在直接电子束照射条件下长期工作。

CheeTah特定配置最高帧率可达约12,000 fps；实际帧率取决于探测器型号、图像位深、读出区域和工作模式。

Timepix3：连续事件驱动读出

Timepix3不需要等待整帧曝光结束。当像素检测到电子击中后，立即输出一个独立事件，包括：(X,Y,ToA,ToT)。其中：

X、Y：电子击中的像素坐标；

ToA（Time of Arrival）：事件到达时间；

ToT（Time over Threshold）：信号保持在阈值以上的时间，可反映像素中的沉积电荷量。

Timepix3的像素ToA时间分辨率为1.56 ns，单芯片最大数据输出能力约为80 Mhits/s。外部TDC接口还可记录激光器、扫描器或其他仪器的同步信号，特定配置的外部时间标记分辨率可达260 ps。

CheeTah系列主要优势

单电子灵敏度与低剂量成像

像素阈值可设定在电子噪声以上，从而实现单电子计数，并减少长时间积分产生的暗电流和读出噪声。该特性特别适合有机晶体、MOF、蛋白质晶体、二维材料和其他电子束敏感样品。

直接探测与高信噪比

入射电子直接在传感器中产生电荷，不需要传统荧光屏—光学耦合链路，减少了光扩散和转换损失，有利于获得较高的探测效率和衍射斑点定位精度。

高速、连续的数据采集

Medipix3适合高速帧式成像和连续旋转电子衍射；Timepix3则以连续事件流方式记录电子，可用于高速扫描、稀疏电子束（如：晶体衍射图样）和时间分辨实验。

耐辐照与直束探测能力

混合像素探测器针对高能粒子和辐射探测设计，能够承受电子束长期照射，并可在适当实验条件下记录包含直射电子束的衍射图样。

一次采集，多种分析

CheeTah记录的二维衍射数据或电子事件流可进一步用于：虚拟明场、暗场和环形暗场成像；DPC与质心（Center of Mass）分析；相位映射（Phase Mapping）；晶体取向映射（Orientation Mapping）；应变映射（Strain Mapping）；电子叠层衍射成像（Ptychography）；时间切片、泵浦—探测和瞬态差分分析。

CheeTah提供的是上述算法所需的原始数据；具体重建能力还取决于扫描系统、同步方式及所采用的数据处理软件。

Serval软件

除了标配具有相机操控和图像数据采集等功能的ACCOS软件，ASI还提供成熟的HTTP REST API（Serval软件），用于相机的外部控制和灵活的系统集成。提供Python与C++等示例代码及其详细说明。通过Serval软件，CheeTah TEM探测器相机可被集成到以下软件：
1）SerialEM(cryo-EM 自动化控制软件)
2）Instamatic(专注于TEM自动采集)
3）PantaRhei(事件型数据处理分析软件)
4）LiberTEM(开源并行cryo-EM数据处理框架软件)

CheeTah主要型号

Cheetah M3/T3 Ultra

除了用于3D ED电子衍射晶体结构分析的CheeTah M3 Quad(512 x 512)、CheeTah M3 Megapixel (1024 x 1024) 以及用于4D STEM研究的CheeTah T3 Quad(512 x 512)等TEM探测器型号可选之外，ASI新近推出Cheetah M3/T3 Ultra(512 x 1024)长方形探测器，可实现无间隙探测(GAP-FREE)，非常适合EELS、叠层衍射图像(Ptychography)和UEM/PINEM等高端应用。

CheeTah M3 Mega可与SerialEM或Instamatic等自动化采集环境集成，用于连续旋转电子衍射、晶体筛选和批量数据采集。各型号的真空接口、机械尺寸、传感器材料、软件模块及最大工作速率，应根据具体TEM平台进行技术确认。

典型应用

1. 三维电子衍射、MicroED与cRED

纳米晶体可能只有数十至数百纳米，远小于常规X射线单晶衍射所要求的晶体尺寸。CheeTah可在低电子剂量下高速记录连续倾转过程中的电子衍射图样，形成三维倒易空间数据，用于晶胞确定、强度提取和晶体结构解析。

Stockholm University的Xiaodong Zou教授在ASI官网用户评价中指出，Medipix3探测器与连续旋转电子衍射结合后，可显著改善数据质量，并将部分数据采集过程由数小时缩短至数分钟。

2. 4D-STEM

在4D-STEM实验中，电子探针在样品二维平面上扫描，并在每个扫描位置记录一幅二维衍射图样，从而获得：(x,y,k_x,k_y)

Timepix3的事件驱动读出可将每个电子事件的时间戳与扫描位置关联，减少传统帧率对扫描驻留时间的限制。相关研究已实现最低约100 ns的扫描驻留时间，适用于快速、低剂量4D-STEM。

基于这些数据，可进一步开展DPC、相位成像、Ptychography、晶体取向和应变分析。

3. 超快电子显微镜（UEM/U-TEM）

CheeTah T3可记录每个电子事件的到达时间，并通过外部TDC接收飞秒激光同步、电子束门控或延迟扫描信号。由此可把电子事件按照激光—电子相对延迟重新分类，研究载流子输运、光诱导相变、局域场变化和其他瞬态过程。

4. 超快EELS（U-EELS）

在事件型EELS中，Timepix3可记录每个电子在能量色散方向的位置和到达时间，并将扫描器同步信号写入同一数据流。这样可在后处理中重建具有空间、能量和时间维度的超光谱数据集，支持纳秒尺度的动态EELS和泵浦—探测实验。

5. 自动化Cryo-EM工作流程

公开研究已将Timepix3混合像素探测器集成到SerialEM控制的Cryo-EM单颗粒分析流程中，并获得了3.01 Å分辨率的BfrB结构。该工作说明事件驱动探测器能够与自动化显微镜控制和单颗粒重建流程结合，但具体CheeTah系统是否包含相应接口和插件，应以项目配置为准。

相关技术与应用文献

1）三维电子衍射与MicroED

A Medipix quantum area detector allows rotation electron diffraction data collection from submicrometre three-dimensional protein crystals

介绍Medipix直接电子探测器用于亚微米蛋白质晶体旋转电子衍射，在低电子剂量条件下获得高分辨率衍射数据。
PDF下载：https://journals.iucr.org/d/issues/2013/07/00/ba5186/ba5186.pdf

Ab initio structure determination of nanocrystals of organic pharmaceutical compounds by electron diffraction at room temperature using a Timepix quantum area direct electron detector

展示Timepix直接电子探测器在室温条件下对有机药物纳米晶进行从头结构解析。
DOI入口：https://doi.org/10.1107/S2053273315022500

High-throughput continuous rotation electron diffraction data acquisition via software automation

介绍基于Instamatic的自动化连续旋转电子衍射采集方法，可用于快速晶体筛选和高通量3D-ED。
PDF下载：https://journals.iucr.org/j/issues/2018/06/00/yr5038/yr5038.pdf

2）4D-STEM与相位、取向分析

Event driven 4D STEM acquisition with a Timepix3 detector: Microsecond dwell time and faster scans for high precision and low dose applications

系统介绍Timepix3事件型探测器用于高速、低剂量4D-STEM，并报道最低约100 ns的扫描驻留时间。
DOI入口：https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2021.113423

Observation of dynamic 3D motion of nanoparticles combined with 4D-STEM orientation and phase map in Liquid-Cell STEM microscopy

采用Medipix3记录4D-STEM数据，并在液体环境中开展纳米颗粒动态观察、取向和物相映射。
PDF下载：https://www.cambridge.org/core/services/aop-cambridge-core/content/view/5E9512DADBA9644CFDB1FE9807B84E71/S1431927621008059a.pdf/observation_of_dynamic_3d_motion_of_nanoparticles_combined_with_4d_stem_orientation_and_phase_map_in_liquidcell_stem_microscopy.pdf

3）U-EELS与时间分辨电子显微学

Event-based hyperspectral EELS: towards nanosecond temporal resolution

展示Timepix3与扫描同步信号结合，实现事件型超光谱EELS数据采集和纳秒尺度时间关联。
DOI入口：https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2022.113539

Nanosecond Nanothermometry in an Electron Microscope

利用时间分辨单色EELS研究纳米尺度温度随时间的变化，展示事件型探测在泵浦—探测电子显微研究中的潜力。
DOI入口：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05692

Real-time electron clustering in an event-driven hybrid pixel detector

介绍将Timepix3产生的多像素击中簇实时还原为单电子事件的数据处理方法。
DOI入口：https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2023.113864

4）Cryo-EM

Integration of an Event-driven Timepix3 Hybrid Pixel Detector into a Cryo-EM Workflow

介绍Timepix3探测器与SerialEM及Cryo-EM单颗粒分析流程的集成，并获得3.01 Å分辨率的BfrB结构。

Oxford Academic论文页面：https://academic.oup.com/mam/article/29/1/352/6948212
EMPIAR-11113原始数据：https://empiar.pdbj.org/en/entry/11113/

5）更多文献

可参阅ASI官网的分类资料（略）。

ASI公司使命

ASI是Amsterdam Scientific Instruments公司的译文缩写。“我们制造炫酷的探测器。”——这是ASI的高级应用科学家 Erik Maddox 在一次关于公司使命的研讨会上半开玩笑地说的。但这恰恰就是 ASI 的真实写照！自 2011 年起，ASI 致力于设计和制造先进探测器解决方案，帮助化学、物理、材料科学及生物学领域的科学家，将研究提升到新的高度。探测器是分析仪器的核心组成部分——更好的探测器意味着更快的数据采集、更高的灵敏度，以及突破性的检测能力。

几乎所有科学家每天都在使用探测器，但仪器设备本身并不总能引起他们的兴趣。ASI的使命是让探测器变得“触手可及”：ASI将前沿技术转化为操作简单、易于集成、免维护、适配多种实验环境的仪器设备，让科学家专注于科研，而不是仪器本身。

ASI的核心技术——混合像素探测器，已在多个领域实现突破性研究，包括但不限于SEM或TEM中的电子衍射、同步束线的中子探测、单光子等粒子研究，以及基础物理化学实验室的速度映射成像（VMI）等。欢迎联系中国区总代理覃思科技，索取参考文献等技术资讯，获取更多灵感！

总结

CheeTah系列将TEM探测从传统的积分式成像扩展为单电子计数和逐事件记录。Medipix3型号侧重高速、低噪声的帧式衍射与成像，适合3D-ED、MicroED和连续旋转电子衍射；Timepix3型号则进一步提供电子事件的空间位置、到达时间和沉积信号，适合4D-STEM、UEM及U-EELS等时间分辨研究。

通过直接电子探测、55 μm像素、灵活的芯片阵列和与显微镜控制系统的集成，CheeTah可为纳米晶结构解析、束敏感材料研究以及多维电子显微学提供高速、低剂量和可扩展的数据采集平台。