谱数据分析的方法和系统技术方案

一种谱数据分析的方法和系统。该方法包含以下步骤：收集未知材料的谱；提供一组元素数据模板；在逼近该谱时计算针对该元素数据模板的最小二乘方加权；在逼近该谱时除去一个或更多个有负加权的模板；以及在所述一个或更多个模板被除去的情况下重新计算该谱的逼近。

【技术实现步骤摘要】
谱数据分析的方法和系统本申请是国家申请号为200980112490.1，国际申请号为PCT/US2009/033493，国际申请日为2009年2月6日的专利申请的分案申请。
本专利技术概括地涉及谱数据分析的方法和系统。
技术介绍
在许多应用中，有关样品的信息是通过累积一段时间之内来自该样品的射线而确定的。该射线的特性，比如它的能量分布曲线（energyprofile）或它的衍射图样，能经常被相关到该样品中存在的材料的类型。例如，样品在被电子轰击时释放出特征x射线，该特征x-射线的能量与该样品中的成分相关。类似地，在用x-射线轰击时，晶体产生一种特征衍射图样，而伽玛射线及其它射线的频谱被天文学家用于研究有关宇宙的组成。术语“样品”在此被使用以宽泛地包括被观测的目标。在一种被广泛使用的应用中，扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope）可用于确定未知材料的元素成分。该扫描电子显微镜（SEM）发送高能电子，这些高能电子猛撞入材料中。当这些电子进入原子时，它们能从该材料中撞出电子。在该过程中，第一个电子损失一些能量，但是能接着撞入其它原子中，直到它不再具有足够的能量来继续这样做。图1显示了具有被束缚到K、L和M能量级的电子的原子。来自SEM的电子以非常高的能量被射入这个原子，将这些电子中的一个从该原子中撞出。很短的时间后，来自更高能量级的电子会落入所产生的空隙。在落入较低能量的K壳层的过程中，它放射出单一的x-射线以平衡总能量。所放射的x-射线的能量取决于该电子的初始位置。如果该电子源自L壳层，那么该射线被表示为Kα射线。如果它源自M壳层，那么该射线被表示为Kβ射线，Kβ射线比Kα射线有更高的能量。替代地，如果电子被从L能量级撞出，那么会放射出不同的x射线组，这取决于将填入空下来的位置的电子源自哪里。图1显示，从M壳层落到L壳层的电子与Lα射线的放射相联系。所放射的x射线取决于具体的开始和结束能量级。通过分析所放射的x-射线的能量，能够确定放射原子的类型。周期表中的每个元素有对应于这些x-射线能量的一组特定的能量。举例来说，与氧的Kα射线的能量是523eV或者铀的是98434eV相比，碳的Kα射线的能量是277eV。如果来自SEM的电子有比这种束缚能（bindingenergy）更低的能量，那么它不能从该原子中撞出电子。每种元素的束缚能的完整列表可以在http://xdb.lbl.gov/Section1/Table_1-2.pdf中看到。替代地，来自SEM的电子可以不进入电子，而可以被偏转远离原子。这是由该电子上的负电荷被围绕原子的电子云的负电荷排斥所引起的。图2显示电子的路径由于相互的静电排斥而被偏转远离原子。路径的偏转导致该高能电子的能量小幅下降。这产生了韧致辐射（Bremsstrahlungradiation）。这种效应发生在比图1中所见的x-射线的放射低的强度下。然而，它也发生在所有能量级，而不是在离散的能量级。该轫致辐射是使用来自SEM的电子束的假象。在计算元素成分时必须将其考虑在内。轫致辐射的形状取决于被分析的材料的平均密度，而且受到基于标准的光谱分析的影响。基于标准的光谱分析基于标准的光谱分析是一个术语，它被用于描述将未知矿物质或元素的谱与一组已知谱相比较以依据该已知谱确定该未知谱的成分的过程。这种方法产生了一种代表针对已知模板中的每一个的倍增因子的解，然后它们被加起来以合成该未知谱。图3显示了黄铁矿（FeS2）的谱。该谱包含若干峰，以及轫致辐射的一些区域。在这个曲线中有一些由碳（在277eV）带来的额外的较小的峰，而该铁的Lα峰在705eV。如果有人测量纯铁和纯硫的样品，这些元素的谱可以被适当地覆盖到黄铁矿的谱上。结果如图4中所示。尤其是，图4显示，将铁的谱44缩放到42.0%并将硫的谱46缩放到41.5%使得它们与黄铁矿谱42中的峰适应。这些数字是这些元素的峰比值，因为它们代表每个峰的面积相对于该元素的纯净样品的比。它们不代表该材料的重量百分比。矩阵修正可以使用标准矩阵修正算法（比如ZAF修正）将前面获得的峰比值转换为重量百分比。ZAF修正考虑了各元素的原子序数（Z）、通过该材料的x-射线的吸收因子（A）和来自激励x-射线从其它元素放射的元素的x-射线的荧光（F）的差别。基于标准的光谱分析的问题为了使用基于标准的光谱分析，必须确定SEM的工作条件。影响光谱分析的因素是射束电压、x-射线检测器角度和射束电流。射束电压影响被激励并产生x-射线的峰。如同在前文中讨论的，如果射束电压比元素峰的特定束缚能低的话，那么该峰不出现在谱中。另外，激励出比具有接近于该射束电压的束缚能的峰多得多有明显更低的束缚能的峰。这产生了在低能量范围内包含非常大的峰而在高能量范围内包含非常小的峰的谱。x-射线检测器角度影响ZAF修正的计算，因为它对x-射线在到达检测器之前横穿该材料的路径的长度进行建模。射束电流影响产生x-射线的速率。在进行分析的同时，需要在相同的电流收集该标准。重叠谱一些元素谱具有与其它元素峰重叠的峰。例如，硫、铅和钼分别在2307eV、2342eV和2293eV具有峰。这些元素在不同能量处具有其它峰，但是这些谱看上去非常相似，因为SEM射束电压太低而不能明显地激励钼的K峰（在17481eV）。另外，铅的K峰完全没有被激励因为他们的能量太高了（74989eV）。这在试图解析包含铅、硫或钼的矿物质时带来了困难。这对于既包含铅又包含硫的方铅矿来说尤其困难。图5显示了方铅矿的谱52，以及缩放后的铅的谱54和硫的谱56。铅和硫的峰明显重叠，这使得方铅矿的分析比黄铁矿更困难。存在其它元素的峰强烈重叠的元素，因此，如果这些元素之一存在于该矿物质中则元素的假象可能出现。图6到12显示了这种重叠元素的进一步的示例。尤其是，图7显示铂的谱74和锆的谱72在2.04keV有重叠的峰（通道102）。这带来了分析时的问题，因为如果存在铂的话有可能不正确地将锆引入到被分析的成分中。图8显示了对于钠的谱82和锌的谱84的相同类型的重叠峰。这使得钠的假象被报告在含锌的矿物质中。图9显示，这种类型的重叠对于铝的谱92和溴的谱94同样存在。图10显示了镉的谱102和铀的谱104的重叠峰，它们非常类似并且在低浓度时可能被混淆。图11显示了银的谱112和钍的谱114的峰的紧密重叠。这种紧密重叠因为这些元素的谱之间的唯一差异是在通道648处的小峰且该小峰对于低计数的谱是不可见的，故导致了在低计数处的问题。这使得对含钍或银的矿物质的识别由于这种重叠而不正确地包含了另一种元素。最后，图12显示了钇的谱122和铱的谱124的重叠峰。即使这种相对小的重叠看上去也为氧化锆代来了问题。低计数光谱分析如果使用高计数谱的话，从谱计算组成的元素不是特别困难。例如，图13显示了矿物质钠长石（NaAlSi3O8）的谱，其中峰显示得非常平滑。为了产生这个谱而收集的x-射线的总数量是一百万。相比之下，图14显示了相同的矿物质，其中所收集的x-射线的总数量是三百。在这个图中，锯齿状曲线142显示了该矿物质的谱，而平滑的曲线144显示了元素谱到该矿物质的拟合。在第二示例中，在该谱中有明显的噪音而且峰不是平滑的。对低计数谱所报告的元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种样品的谱数据分析方法，该方法包含以下步骤：收集未知材料的谱；提供一组数据模板，每个数据模板对应于具体材料；确定要被应用于该数据模板以逼近该谱的一组第一组加权因子，该加权因子是通过最小化已加权的元素数据模板和该未知材料的谱之间的误差因子而确定的；除去具有负加权因子的一个或更多个模板；用所述一个或更多个数据模板来重新计算该谱的逼近；以及从该加权因子确定存在于该样品中的材料。

【技术特征摘要】
2008.02.06 AU 20089005461.一种样品的谱数据分析方法，该方法包含以下步骤：收集未知材料的谱；提供一组第一数据模板，每个第一数据模板对应于具体材料；确定要被应用于该第一数据模板以逼近该谱的一组加权因子，该加权因子是通过最小化已加权的第一数据模板和该谱之间的误差因子而确定的；除去具有负加权因子的第一数据模板的一个或更多个；通过用所除去的所述一个或更多个第一数据模板来计算该谱的逼近来逼近该谱；以及从该谱的逼近中所使用的第一数据模板的该加权因子确定存在于该样品中的材料。2.如权利要求1所述的方法，其中，除去具有负加权因子的第一数据模板的一个或更多个的步骤进一步包含重复除去具有负加权因子的第一数据模板的一个或更多个和重新计算该谱的逼近直到没有第一数据模板具有负加权因子的步骤。3.如权利要求1所述的方法，进一步包含从用于逼近该谱的第一数据模板的加权因子和相应材料的性质确定该材料在该样品中的相对丰度。4.如权利要求1所述的方法，其中收集未知材料的谱包括使用非均匀谱子采样来收集谱。5.如权利要求1所述的方法，其中该谱是通过能量范围内的计数的数量的直方图确定的，且其中一些能量范围比其它能量范围更宽。6.如权利要求5所述的方法，其中高于指定能量值的能量范围比低于该指定值的能量范围宽。7.如权利要求1所述的方法，其中确定要被应用于该第一数据模板以逼近该谱的一组加权因子包括使用最小残留法确定加权因子以最小化该误差因子。8.如权利要求7所述的方法，其中该最小残留法是最小二乘方法。9.如权利要求1所述的方法，其中确定要被应用于该第一数据模板以逼近该谱的一组加权因子包括使用最大似然法确定加权因子以最小化该误差因子。10.如权利要求1所述的方法，其中该第一数据模板中的每一个对应于元素。11.如权利要求1所述的方法，其中该第一数据模板中的每一个对应于矿物质。12.如权利要求1所述的方法，其中该第一数据模板中的每一个对应于一种元素或元素的组合。13.如权利要求1所述的方法，其中收集未知材料的谱包括使用能量散布谱学收集x-射线谱，且其中该组第一数据模板包括已知元素的x-射线谱。14.如权利要求1所述的方法，其中收集未知材料的谱包括收集x-射线衍射信息，且其中该第一数据模板包括已知材料的x-射线衍射信息。15.如权利要求1所述的方法，进一步包含：以预定组的第二数据模板代替第一数据模板中的一个，第二数据模板中的每一个对应于具有与所替代的第一数据模板对应的材料的谱峰重叠的谱峰的材料；确定该代替是否减小了该误差因子；以及如果该代替减小了该误差因子，调整该加权因子以反映该代替。16.如权利要求1所述的方法，进一步包含如果对应于氧的用于第一数据模板的加权因子表明氧以小于百分之十存在的话，则除去对应于氧的第一数据模板。17.如权利要求16所述的方法，其中如果对应于氧的用于第一数据模板的加权因子表明氧以小于百分之五存在的话，则除去对应于氧的第一数据模板。18.如权利要求1所述的方法，其中收集未知材料的谱包括收集包括小于50,000个计数的x...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·科贝特，P·戈特利布，M·J·欧文，A·H·门兹斯，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：美国;US