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一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法制造方法及图纸

技术编号:17777750 阅读:47 留言:0更新日期:2018-04-22 05:20
本发明专利技术公开了一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法。本发明专利技术的电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置包括:扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统;本发明专利技术采用模块化的构架,各模块的配置调整及后续升级非常灵活便利;各模块在协同控制与数据处理输出系统的统一同步协调控制下相互配合工作,保证严格的时序和逻辑顺序,并能够通过反馈交互信号检测各模块的运行情况,最终实现高精度的电子束激发荧光成像和荧光光谱测量;荧光收集耦合传输系统能够和荧光光谱探测器极大提高了扫描电子显微镜的分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法
本专利技术涉及电子束激发的荧光信号探测和处理技术,具体涉及一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法。
技术介绍
电子束激发的荧光信号,是指当电子束轰击在材料表面,除了二次电子、背散射电子、俄歇电子和X射线外,所发射出的频率在紫外、红外或可见光波段的电磁波;其基本原理为材料内部的电子被入射电子激发至高能态,经过一定的弛豫时间跃迁回低能态并释放能量,其中一部分能量以电磁辐射形式发射出来。材料在电子束激发下产生荧光的物理过程由其电子结构决定,而电子结构同元素成分,晶格结构和缺陷,以及所处的力学、热学、电磁学环境等因素相关。因此,电子束激发荧光光谱能够通过材料电子结构反映材料本身物理特性。电子束激发荧光信号的探测和处理通常与扫描或透射电子显微镜相结合,能够实现形貌观察、结构和成分分析同电子束激发荧光光谱的结合研究。电子束激发荧光所用的电子束束斑非常小,能量高;相比于光致发光,电子束激发荧光信号具有高空间分辨、高激发能量、宽光谱范围、大激发深度等特点,并能够实现全光谱或单光谱荧光扫描成像。电子束激发荧光信号可以应用于微米、纳米尺度的半导体量子点、量子线等荧光物质的发光性质的研究。
技术实现思路
为了实现电子束激发的荧光信号的探测、处理和分析,本专利技术提供一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法;通过荧光收集和信号处理装置的巧妙设计来探测聚焦电子束在样品表面进行逐点扫描所激发的荧光信号,实现荧光成像和光谱测量。本专利技术的一个目的在于提供一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置。本专利技术的电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置包括:扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统;其中,协同控制与数据处理输出系统作为同步控制和数据采集中心,与扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器和扫描同步信号采集器相互连接;扫描信号发生器还连接至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口;荧光收集耦合传输系统安装在扫描电子显微镜系统的真空样品室内;荧光收集耦合传输系统分别连接至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光强度探测器和荧光光谱探测器还分别连接至扫描同步信号采集器;协同控制与数据处理输出系统发出电镜控制信号,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描触发接口,控制扫描电子显微镜系统接收外部信号;协同控制与数据处理输出系统向扫描信号发生器发出同步扫描控制信号,扫描信号发生器产生数字的扫描控制信号,传输至扫描同步信号采集器,并将数字的扫描控制信号转变调理成模拟的扫描控制信号后,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口,控制扫描电子显微镜系统的电子束扫描位置及扫描停留时间;扫描电子显微镜系统发射电子束,照射到扫描电子显微镜系统的真空样品室内的待分析检测的样品上,激发待分析检测的样品产生荧光;荧光收集耦合传输系统收集荧光,并在协同控制与数据处理输出系统的分光控制信号的控制下将荧光分别传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;荧光强度探测器和荧光光谱探测器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号控制下,分别同步采集荧光强度信号和荧光光谱信号,并将荧光强度信号和荧光光谱信号传输至扫描同步信号采集器;扫描同步信号采集器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集控制信号控制下,分别接收扫描信号发生器的数字的扫描控制信号、荧光强度探测器的荧光强度信号、荧光光谱探测器的荧光光谱信号和扫描电子显微镜系统产生的二次电子或背散射电子信号,再将信号汇总处理后传输至协同控制与数据处理输出系统;由协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号、同步采集触发信号和同步采集控制信号具有同步的时序逻辑关系,发出一个同步扫描控制信号时,同步发出相应的同步采集触发信号和同步采集控制信号,实现在电子束扫描位置保持不变的扫描停留时间内,同时进行荧光强度信号和荧光光谱信号的采集,最终由协同控制与数据处理输出系统进行实时同步的信号处理分析并显示输出。扫描电子显微镜系统包括:电子枪、电子光学系统、真空样品室、信号探测系统、电气控制系统和用户操控系统;其中,电子枪发射电子束,经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束,入射至位于真空样品室内的待分析检测的样品上,电子束与待分析检测的样品相互作用产生信号,产生的荧光由荧光收集耦合传输系统收集,其他信号由信号探测系统收集;电气控制系统提供电子束外部扫描触发接口、电子束外部扫描调控接口、外部信号采集接口和信号共享接口;电子束外部扫描触发接口接收协同控制与数据处理输出系统发出的电镜控制信号,电子束外部扫描调控接口接收扫描信号发生器发出的模拟的扫描控制信号,控制电子光学系统执行由扫描信号发生器的调控操作,外部信号采集接口同步接收荧光强度探测器的荧光强度信号,最终由扫描电子显微镜系统的用户操控系统直接获取荧光强度分布的图像;信号探测系统同步读取电子束与待分析检测的样品相互作用所产生的除荧光以外的其他信号,并由用户操控系统呈现各信号扫描成像结果;信号探测系统对除荧光以外的其他信号进行调理,并通过电气控制系统提供的信号共享接口,传输至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元。扫描信号发生器包括:扫描信号发生器电源、扫描控制单元、数模转换器和模拟信号调理输出单元;其中,扫描信号发生器电源分别连接至扫描控制单元、数模转换器和模拟信号调理输出单元;扫描控制单元接收协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号,同步扫描控制信号为数字信号;扫描控制单元将接收到的信号进行处理,转换为具有用户所设定的时序逻辑的数字的扫描控制信号,并将数字的扫描控制信号分别输出至数模转换器和扫描同步信号采集器的同步数据采集单元;数模转换器将数字的扫描控制信号转换并调制为扫描电子显微镜系统所能够接收的模拟的扫描控制信号,并按照用户所设定的时序逻辑依次输出至模拟信号调理输出单元;模拟信号调理输出单元对输入的模拟信号进行调理,并将调理后的模拟的扫描控制信号传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口。荧光收集耦合传输系统包括:反射面镜、反射面镜原位固定装置、荧光耦合器、荧光传输光路、荧光传输光路真空窥通装置和分光装置;其中,反射面镜通过反射面镜原位固定装置固定在扫描电子显微镜系统的真空样品室中,反射面镜上开一通孔,使得扫描电子显微镜系统所产生的高质量聚焦的电子束穿过反射面镜,从而与待分析检测的样品相互作用;电子束与待分析检测的样品相互作用后产生荧光,荧光通过反射面镜入射至荧光耦合器;荧光耦合器将入射的荧光耦合进入荧光传输光路;荧光传输光路采用柔性材料或光导管同柔性材料的耦合或结合体,荧光传输光路通过荧光传输光路真空窥通装置从真空腔室的内部连接至外部;荧光传输光路真空窥通装置固定在真空腔室的室壁上;在扫描电子显微镜系统外部的荧光传输光路中安装分光装置,荧光传输光路通过分光装置将荧光同时传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;分光装置与协同控制与数据处理输出系统连接,在协同控制与数据处理输出系统发出的分光控制信号控制下,连续调节荧光分配至荧光强本文档来自技高网...
一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置及其方法

【技术保护点】
一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置,其特征在于,所述测量装置包括:扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统;其中,所述协同控制与数据处理输出系统作为同步控制和数据采集中心,与扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器和扫描同步信号采集器相互连接;所述扫描信号发生器还连接至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口;所述荧光收集耦合传输系统安装在扫描电子显微镜系统的真空样品室内;所述荧光收集耦合传输系统分别连接至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;所述扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光强度探测器和荧光光谱探测器还分别连接至扫描同步信号采集器;所述协同控制与数据处理输出系统发出电镜控制信号,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描触发接口,控制扫描电子显微镜系统接收外部信号;所述协同控制与数据处理输出系统向扫描信号发生器发出同步扫描控制信号,扫描信号发生器产生数字的扫描控制信号,传输至扫描同步信号采集器,并将数字的扫描控制信号转变调理成模拟的扫描控制信号后,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口,控制扫描电子显微镜系统的电子束扫描位置及扫描停留时间;所述扫描电子显微镜系统发射电子束,照射到扫描电子显微镜系统的真空样品室内的待分析检测的样品上,激发待分析检测的样品产生荧光;所述荧光收集耦合传输系统收集荧光,并在协同控制与数据处理输出系统的分光控制信号的控制下将荧光分别传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;所述荧光强度探测器和荧光光谱探测器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号控制下,分别同步采集荧光强度信号和荧光光谱信号,并将荧光强度信号和荧光光谱信号传输至扫描同步信号采集器;所述扫描同步信号采集器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集控制信号控制下,分别接收扫描信号发生器的数字的扫描控制信号、荧光强度探测器的荧光强度信号、荧光光谱探测器的荧光光谱信号和扫描电子显微镜系统产生的二次电子或背散射电子信号,再将信号汇总处理后传输至协同控制与数据处理输出系统;由协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号、同步采集触发信号和同步采集控制信号具有同步的时序逻辑关系,发出一个同步扫描控制信号时,同步发出相应的同步采集触发信号和同步采集控制信号,实现在电子束扫描位置保持不变的扫描停留时间内,同时进行荧光强度信号和荧光光谱信号的采集,最终由协同控制与数据处理输出系统进行实时同步的信号处理分析并显示输出。...

【技术特征摘要】
1.一种电子束激发荧光成像和荧光光谱测量装置,其特征在于,所述测量装置包括:扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器、扫描同步信号采集器、协同控制与数据处理输出系统;其中,所述协同控制与数据处理输出系统作为同步控制和数据采集中心,与扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光收集耦合传输系统、荧光强度探测器、荧光光谱探测器和扫描同步信号采集器相互连接;所述扫描信号发生器还连接至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口;所述荧光收集耦合传输系统安装在扫描电子显微镜系统的真空样品室内;所述荧光收集耦合传输系统分别连接至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;所述扫描电子显微镜系统、扫描信号发生器、荧光强度探测器和荧光光谱探测器还分别连接至扫描同步信号采集器;所述协同控制与数据处理输出系统发出电镜控制信号,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描触发接口,控制扫描电子显微镜系统接收外部信号;所述协同控制与数据处理输出系统向扫描信号发生器发出同步扫描控制信号,扫描信号发生器产生数字的扫描控制信号,传输至扫描同步信号采集器,并将数字的扫描控制信号转变调理成模拟的扫描控制信号后,传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口,控制扫描电子显微镜系统的电子束扫描位置及扫描停留时间;所述扫描电子显微镜系统发射电子束,照射到扫描电子显微镜系统的真空样品室内的待分析检测的样品上,激发待分析检测的样品产生荧光;所述荧光收集耦合传输系统收集荧光,并在协同控制与数据处理输出系统的分光控制信号的控制下将荧光分别传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;所述荧光强度探测器和荧光光谱探测器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号控制下,分别同步采集荧光强度信号和荧光光谱信号,并将荧光强度信号和荧光光谱信号传输至扫描同步信号采集器;所述扫描同步信号采集器在协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集控制信号控制下,分别接收扫描信号发生器的数字的扫描控制信号、荧光强度探测器的荧光强度信号、荧光光谱探测器的荧光光谱信号和扫描电子显微镜系统产生的二次电子或背散射电子信号,再将信号汇总处理后传输至协同控制与数据处理输出系统;由协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号、同步采集触发信号和同步采集控制信号具有同步的时序逻辑关系,发出一个同步扫描控制信号时,同步发出相应的同步采集触发信号和同步采集控制信号,实现在电子束扫描位置保持不变的扫描停留时间内,同时进行荧光强度信号和荧光光谱信号的采集,最终由协同控制与数据处理输出系统进行实时同步的信号处理分析并显示输出。2.如权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述扫描电子显微镜系统包括:电子枪、电子光学系统、真空样品室、信号探测系统、电气控制系统和用户操控系统;其中,所述电子枪发射电子束,经电子光学系统形成高质量的聚焦电子束,入射至位于真空样品室内的待分析检测的样品上,电子束与待分析检测的样品相互作用产生信号,产生的荧光由荧光收集耦合传输系统收集,其他信号由信号探测系统收集;所述电气控制系统提供电子束外部扫描触发接口、电子束外部扫描调控接口、外部信号采集接口和信号共享接口;所述电子束外部扫描触发接口接收协同控制与数据处理输出系统发出的电镜控制信号,电子束外部扫描调控接口接收扫描信号发生器发出的模拟的扫描控制信号,控制电子光学系统执行由扫描信号发生器的调控操作,外部信号采集接口同步接收荧光强度探测器的荧光强度信号,最终由扫描电子显微镜系统的用户操控系统直接获取荧光强度分布的图像;所述信号探测系统同步读取电子束与待分析检测的样品相互作用所产生的除荧光以外的其他信号,并由用户操控系统呈现各信号扫描成像结果;所述信号探测系统对除荧光以外的其他信号进行调理,并通过电气控制系统提供的信号共享接口,传输至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元。3.如权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述扫描信号发生器包括:扫描信号发生器电源、扫描控制单元、数模转换器和模拟信号调理输出单元;其中,所述扫描信号发生器电源分别连接至扫描控制单元、数模转换器和模拟信号调理输出单元;所述扫描控制单元接收协同控制与数据处理输出系统发出的同步扫描控制信号,同步扫描控制信号为数字信号;所述扫描控制单元将接收到的信号进行处理,转换为具有用户所设定的时序逻辑的数字的扫描控制信号,并将数字的扫描控制信号分别输出至数模转换器和扫描同步信号采集器的同步数据采集单元;所述数模转换器将数字的扫描控制信号转换并调制为扫描电子显微镜系统所能够接收的模拟的扫描控制信号,并按照用户所设定的时序逻辑依次输出至模拟信号调理输出单元;所述模拟信号调理输出单元对输入的模拟信号进行调理,并将调理后的模拟的扫描控制信号传输至扫描电子显微镜系统的电子束外部扫描调控接口。4.如权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述荧光收集耦合传输系统包括:反射面镜、反射面镜原位固定装置、荧光耦合器、荧光传输光路、荧光传输光路真空窥通装置和分光装置;其中,所述反射面镜通过反射面镜原位固定装置固定在扫描电子显微镜系统的真空样品室中,反射面镜上开一通孔,使得扫描电子显微镜系统所产生的高质量聚焦的电子束穿过反射面镜,从而与待分析检测的样品相互作用;电子束与待分析检测的样品相互作用后产生荧光,荧光通过反射面镜入射至荧光耦合器;所述荧光耦合器将入射的荧光耦合进入荧光传输光路;所述荧光传输光路采用柔性材料或光导管同柔性材料的耦合或结合体,荧光传输光路通过荧光传输光路真空窥通装置从真空腔室的内部连接至外部;所述荧光传输光路真空窥通装置固定在真空腔室的室壁上;在扫描电子显微镜系统外部的荧光传输光路中安装分光装置,荧光传输光路通过分光装置将荧光同时传输至荧光强度探测器和荧光光谱探测器;所述分光装置与协同控制与数据处理输出系统连接,在协同控制与数据处理输出系统发出的分光控制信号控制下,连续调节荧光分配至荧光强度探测器和荧光光谱探测器的相对比例。5.如权利要求4所述的测量装置,其特征在于,所述反射面镜的设定位置由反射面镜原位固定装置确定,并保证电子束同反射面镜上所开通孔的轴线重合并穿过反射面镜的焦点;反射面镜通过反射面镜原位固定装置同扫描电子显微镜系统的电子光学系统的物镜刚性且近距离连接,能够使得反射面镜的设计焦点位于扫描电子显微镜系统的电子光学系统的物镜下表面下方6mm以内;反射面镜具有大于1/4球面的荧光收集立体角。6.如权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述荧光强度探测器包括:第一荧光耦合入射接口、光电信号转换单元和荧光强度信号调理输出单元;其中,所述第一荧光耦合入射接口与光电信号转换单元连接;所述光电信号转换单元与荧光强度信号调理输出单元连接,光电信号转换单元包括光电传感部件和电信号输出单元;所述第一荧光耦合入射接口接收由荧光收集耦合传输系统的荧光传输光路传输的荧光,并将荧光入射至光电信号转换单元的光电传感部件;所述光电传感部件将荧光转换为电信号,电信号输出单元初步将电信号调理为设定幅值范围内的模拟的荧光强度信号;所述荧光强度信号调理输出单元根据协同控制与数据处理输出系统发出的同步采集触发信号实现开始、暂停或者停止信号采集输出,并实时调整模拟的荧光强度信号的调理参数,将光电信号转换单元输出的模拟的荧光强度信号调理至扫描同步信号采集器和扫描电子显微镜系统的外部信号探测接口所能够接收的模拟的荧光强度信号,并将调理后的模拟的荧光强度信号传输至扫描同步信号采集器的同步数据采集单元和扫描电子显微镜系统的外部信号采集接口,或者将光电信号转换单元输出的模拟的荧光强度...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱瑞徐军刘亚琪
申请(专利权)人:北京大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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