使用直接检测传感器的电子能量损失光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种电子能量损失光谱仪，包括一个直接检测传感器、一个高速快门及一个传感器处理器，其中所述传感器处理器用于将来自单个传感器读数的图像结合为一体并将来自所述传感器的二维图像转换为一维光谱，其中所述一维光谱输出至计算机，所述高速快门的操作与传感器成像的时间相结合；控制所述快门，从而允许减少对与单个传感器读数相应的图像的曝光。通过成像以不完全曝光的方式曝光多个图像，其中所述多个图像结合形成一个合成图像。多个图像由以不同的曝光时间曝光所述传感器形成的图像组成。

【技术实现步骤摘要】
使用直接检测传感器的电子能量损失光谱仪
本专利技术涉及电子显微镜与光谱测定领域。
技术介绍
在典型的具有直接检测传感器的电子显微镜系统中，传感器在400帧或传感器读出数(fps)每秒的恒定速度下运行。每个传感器读出数经摄像机中的专用硬件处理，从而确定打击传感器的每个电子的位置。为了达到这个目的，各传感器读出数中，任何区域内的计算率必须保持在低于1电子/20像素左右，否则，会出现计算错误。采用电子计算技术消除读出数噪音。通过设计的系统，入射电子能形成等级高于所述传感器的读出数相关的局部噪音的等级的空间的局部信号。通过将阀值应用到信号、阀值以上的计算事件及阀值以下的无效噪音中，可消除读取噪音。在以上条件下，由于计算中的误差，例如，误报或漏算等引起的噪音为最低噪音。当最小化噪音与入射电子束正交的信号的低空间扩散一同用于成像模式下时，可获得较高探测量子效率。在传统直接检测摄像机系统中，400fps数据速率远高于标准计算机能处理的数据速率。解决以上这个问题的方法之一是在将数据发送至主机之前针对处理硬件对计算的帧的数量(例如40)进行求和，从而可获得的有效帧合计率为10fps或有效曝光时间为0.1s/记录求和帧。在成像模式下使用的电子显微镜的实例中，最小曝光为0.1秒，计算机的最大求和帧速率为10fps，最大放射量率为20电子/秒/像素。从电子能量损失谱学(EELS)上讲，以上限制因素会引起诸多问题。传统非计算型基于闪烁器的检测器中，光谱沿非光谱方向(也被称为非色散方向)按数百像素行的形式展开。通过平衡要求较小读出范围的高读出速度和低噪音的计算需求以及要求较大读出范围的动态范围和检测器使用期的需求的方式确定数值。光谱实验中，同时检查强度差异大的光谱的区域通常需要高动态范围。经定位的检测器区域上通常存在兆安范围内的入射电流。在计算模式下成像时，其剂量率为远高于以上所述直接检测传感器的20电子/秒/像素左右的剂量率的数百万电子/秒/像素。由于读出的像素较少，因此，以低于检测器的全高度的高度展开光谱能缩短传感器读出时间。对于计算模式下的直接检测传感器，窄谱能以与速度的增量相同的数量减少动态范围，因此，大部分情况下，将光谱限制在较小区域并没有任何优势。无论以何种方式减小区域面积，均会缩短检测器的寿命，因此，当使用全部检测器时，即，当光谱在两个方向上展开时(如图1所示)，检测器能得到最大化地利用。不存在读出噪音的情况下，以较高灵敏度，采用计算模式操作完成EELS。本专利技术设计用于克服会限制光谱的求和帧速率和剂量率的上述难题。本申请涉及并包含申请人加坦公司(Gatan,Inc)已申请的名为电子能量损失光谱仪、申请号为PCT/US2015/037712的PCT申请。附图说明图1为二维直接检测传感器上的光谱的图像；图2为本专利技术优选实施例的方框图；图3为说明标准EELS光谱的简图；图4为本文中所述典型复合曝光模式的流程图；图5为典型系统的方框图。具体实施方式针对成像和光谱学，公开一种采用耦合于光谱仪的直接检测传感器的新型电子能量损失谱学(EELS)系统。图2说明的是执行本专利技术工艺的示例系统。如图所示，所述示例系统包括透射式电子显微镜(TEM)或扫描透射电子显微镜(STEM)200，其包括扫描控制元件213和扫描控制电子设备211，所述扫描控制电子设备211的扫描放大器输出信号212连接至所述扫描控制元件213。如图所示，样本214置于所述显微镜200内。根据本文所述具体实施例，所述系统进一步包括高速快门202，成像过滤器201和直接检测器摄像机系统203，其中所述高速快门202由快门驱动器218通过控制信号219进行控制；所述成像过滤器201包括能量偏置漂流管208，其由漂流管驱动器221通过控制信号222控制。直接检测器摄像机系统203包括直接检测器模块204、直接检测器摄像机处理模块206和直接检测器摄像机控制器模块209，其中所述直接检测器模块204包括直接检测器传感器205。如图2所示，从所述直接检测器模块204到所述直接检测器摄像机处理模块206提供图像/光谱数据路径215。图2进一步说明的是所述直接检测器摄像机控制器模块209与所述直接检测器摄像机处理模块206之间的直接检测器摄像机内部同步信号216。所述直接检测器摄像机控制器模块209通过扫描像素前置信号210与扫描控制电子设备211连接并控制扫描控制电子设备211、通过所述直接检测器摄像机内部同步信号216与所述直接检测器模块204连接并控制所述直接检测器模块204、通过控制信号220与所述漂流管驱动器221连接并控制所述漂流管驱动器221、通过控制信号217与所述快门驱动器218连接并控制所述快门驱动器218。所述直接检测器摄像机处理模块206的输出图像或光谱数据230连接至主机系统207。根据先前技术，在这些系统中仅能进行成像处理。采用具有检测器的计算模式在光谱学上具有许多优势。最大的两个优势是，检测器噪音低得多，允许检测较低强度信号，检测器采用穿透式检测器，因此点扩散函数更高能提供更清晰的光谱。也就是说，本系统可用于较低色散，即，每个像素更多能量损失(以电子电压，eV为单位)的情况下。这样可提高每个信道的电子的数量，从而可针对像素中给出的检测器尺寸，降低光谱中的散射噪音，增加光谱视野或能量范围。成像过滤器201为系统的主要元件，其具有一个高速快门和一个直接电子检测器，例如，来自加坦公司(Gatan,Inc)的K2摄像机。以上组合如图2所示，成像之前使用的是上述组合而非光谱仪，因为采用记录光谱的直接检测器存在诸多实际困难。本专利技术系统能提高成像效率。取代具有相同曝光的各帧，本专利技术系统采用高速快门来变更曝光，仅采用在适当计算条件下获得的光谱中的区域。获得并合成多个图像的两种方法的对比实例中可更清楚地看出这一点。在第一种方法中，采用固定的曝光时间，因此，将1微秒-曝光的100个传感器读出数与获得0.25秒左右的数据的总时间相加(例如，400fps下的100个全高帧)，总曝光时间为100微秒。根据本专利技术的实施例的第二种方法中，采用不同的或步进曝光时间，例如，对10个传感器读出数采用1微秒曝光，对9个传感器读出数采用10微秒曝光。将这些传感器读出数相加，将两个光谱相结合。第二种方法允许模糊图像区域的相同曝光时间为100微秒，但仅需要19个待相加的传感器读出数并且仅需要约为0.05秒的时间获取。这样，曝光能比第一种方法的单一曝光模式快五倍。光谱/秒的求和帧速率限制在成像操作模式下，帧速率会受数据路径和计算机处理能力的限制。然而，在光谱操作模式下，最终的光谱为沿非色散方向的二维图像的投影，如图3所示。在本专利技术系统中，通过直接检测器摄像机系统203的直接检测器摄像机处理模块206进行投影，如图2所示。然后将一维图片从所述直接检测器摄像机处理模块206传输至所述主机207，其能使数据负荷降低检测器的像素高度的一个因数。在一些实施中，差异为一个因数，约为4,000左右。数据负荷的大幅度减少意味着不再需要将处理单元中的多个传感器读出数帧相加及将形成的求和帧传输至主机，在不受数据连接带宽或计算机处理能力的限制的情况下每秒能传输400光谱至主机。这种情况下，由于所有投影的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子能量损失光谱仪，包括：一个直接检测传感器，设置用于直接曝光电子光谱并将所述电子光谱转换为二维图像；及一个传感器处理器，其中所述传感器处理器用于将二位图像转换为一维光谱，且其中所述一维光谱输出至计算机。

【技术特征摘要】
2016.01.20 US 62/281,1471.一种电子能量损失光谱仪，包括：一个直接检测传感器，设置用于直接曝光电子光谱并将所述电子光谱转换为二维图像；及一个传感器处理器，其中所述传感器处理器用于将二位图像转换为一维光谱，且其中所述一维光谱输出至计算机。2.根据权利要求1所述电子能量损失光谱仪，进一步包括：一个高速快门；及一个摄像机控制器，其中所述高速快门的操作与所述直接检测传感器的读出时间相结合。3.根据权利要求2所述电子能量损失光谱仪，其中所述摄像机控制器设置用于通过在所述高速快门控制的对各图像的曝光的条件下将所述电子光谱曝光于所述直接检测传感器中获得多个图像，其中所述多个图像结合形成一个合成图像。4.根据权利要求3所述电子能量损失光谱仪，其中所述摄像机控制器设置用于获得所述多个图像，因此所述多个图像包括通过将所述直接检测传感器曝光第一曝光时间而形成的至少一个图像和通过将所述直接检测传感器曝光不同于所述第一曝光时间的第二曝光时间而形成的至少一个附加图像。5.根据权利要求4所述电子能量损失光谱仪，进一步包括一个摄像机处理器，配置用于将所述多个图像结合形成一维光谱。6.根据权利要求2所述电子能量损失光谱仪，进一步包括一个具有漂流管电压的漂流管，其中所述摄像机控制器配置用于将所述漂流管电压的控制与所述直接检测传感器的所述读出时间相结合。7.根据权利要求6所述电子能量损失光谱仪，其中所述摄像机控制器进一步配置用于将所述高速快门的控制与所述漂流管电压的控制相结合。8.根据权利要求7所述电子能量损失光谱仪，其中所述摄像机控制器配置用于：获得第一漂流管电压下的多个图像，包括通过将所述直接检测传感器曝光第一曝光时间而形成的至少一个第一图像和通过将所述直接检测传感器曝光不同于所述第一曝光时间的第二曝光时间而形成的至少一个第二图像；及获得第二漂流管电压下的多个图像，包括通过将所述直接检测传感器曝光所述第一曝光时间而形...

【专利技术属性】
技术研发人员：科林·特雷弗，马修·伦特，亚历山大·约瑟夫·古本斯，爱德华·詹姆斯，雷伊·达德利·特韦斯顿，罗伊斯·约瑟夫，桑杰·帕瑞卡，托马斯·沙，
申请(专利权)人：加坦公司，
类型：发明
国别省市：美国,US