能量色散辐射光谱测量系统中的堆积排除技术方案

一种检测堆积的方法，包括：相对于噪声触发值测试前置放大器信号的瞬时倾斜度，并且在确定瞬时倾斜度超过噪声触发值之后，识别前置放大器信号的第一后续部分，其中前置放大器信号的瞬时倾斜度增加到最大值。该方法还包括在第一后续部分之后识别前置放大器信号的第二后续部分，其中瞬时倾斜度仍超过噪声触发水平，但是已经从最大值下降了高于噪声触发水平的量，以及在第二后续部分之后并且在瞬时倾斜度下降到低于噪声触发水平之前，识别前置放大器信号的第三后续部分，其中前置放大器输出信号的瞬时倾斜度增加了高于噪声触发值的量，并且响应于此确定堆积已经出现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能量色散辐射光谱(energy-dispersiveradiationspectrometry)系 统，如X射线光谱测量系统或伽马射线光谱测量系统，并且尤其涉及用于改善能量色散辐 射光谱测量系统中的堆积排除的方法。
技术介绍
能量色散辐射光谱测量系统，例如(但非限制的)X射线光谱测量系统或伽马射线 光谱测量系统，被用于检测、测量和分析来自例如扫描电子显微镜(SEM)的辐射发射(如X 射线发射或伽马射线发射)。典型的能量色散辐射光谱测量系统包括以下四个主要部件 (1)检测器，⑵前置放大器，⑶脉冲处理器，以及⑷基于计算机的分析器。仅是为了方 便而不是限制的目的，以下说明将涉及X射线光谱测量系统和X射线形式的光子(与例如 在伽马射线光谱测量系统中检测到的伽马射线形式的光子相对比)。通常采用某种类型的半导体传感器的形式的该检测器将进入的X射线转换为典 型的大约具有几十至几百纳秒持续时间的大约几万个电子量级的非常小的电流脉冲。每个 电流脉冲的幅度与X射线的能量成比例。该前置放大器放大由该检测器输出的电流脉冲并且典型地将其转换为几十毫伏 至几百毫伏范围内的电压信号。有两种主要类型的前置放大器“拖尾脉冲(tail-pulse)” 或RC耦合前置放大器，以及脉冲复位前置放大器。在本文中别处描述的主题适用于这两种 前置放大器。在脉冲复位型前置放大器中，在传感器中产生的电荷聚集在反馈电容器中，使得 所得到的电压以变化的高度和间隔的逐步增大，直到其达到上限。当达到该上限时，施加 “复位”脉冲，该“复位”脉冲使累积的电荷从反馈电容器排出，使前置放大器在短时间内(典 型地为几微秒)恢复到接近其最小输出电压。然后，由X射线与检测器的相互作用产生的 电荷再次累积在反馈电容器上，并且重复该循环。相反，拖尾脉冲前置放大器对检测器输出 的电压阶跃信号起到高通滤波器的作用，指数返回到基线，其时间常数与前置放大器的反 馈电容器中的电荷聚集时间相比较长。该脉冲处理器接收前置放大器信号并通过积分处理产生X射线能量的数值表示。在较早的能量色散辐射光谱测量系统中，脉冲处理器包括两个分开的部件，即“整形放大 器”和模拟-数字转换器。另一方面，现代的能量色散辐射光谱测量系统典型地结合了这些 功能，最新的设计直接将前置放大器信号数字化并使用数字信号处理执行所有的脉冲检测 和滤波功能。该基于计算机的分析器将脉冲处理器输出的X射线能量累积为检测到的X射线数 量相对于它们的能量的光谱或曲线图。该光谱被分成某种程度任意数量的小范围，其被称 为“通道”或“区间(bin)”。在较早的系统中，由称为多通道分析器(MCA)的硬件部件进行 将X射线向光谱通道的累积并且由计算机读取累积结果。在现代的系统中，通过计算机或 者甚至在脉冲处理器内由软件处理MCA功能。若干个因素使得脉冲处理器的工作更加复杂。例如，电子噪声叠加在从前置放大 器接收到的基本(underlying)信号上。对于接近最低可检测能量水平的X射线，前置放大 器输出的阶跃高度可能显著小于电子噪声的峰-峰偏移。在这种情况下，只能通过在该阶 跃前后的相对长的时间段过滤该信号以平均掉噪声的贡献来检测X射线。这种噪声平均的 量是所有脉冲处理器的基本操作参数。在本领域中将该平均时间不同地称为“整形时间”或 “峰化时间”。另外，前置放大器输出中的阶跃不是瞬时的。在没有噪声时，该信号会是S形曲 线。这起因于带宽限制、装置电容以及X射线产生的全部电子到达传感器的阳极所需的时 间而导致的。这些电子可以看作是在半导体传感器内的偏压电场的影响下穿过传感器材料 向阳极移动的小团簇或云。对于拖尾脉冲前置放大器，信号的初始上升是相同的S形的形 式，然后是指数衰减，其时间常数可以随设计而不同，但是与初始上升相比总是较长的。在称为锂漂移硅或Si (Li)检测器的每个面上具有简单的平面电极的传统检测器 中，偏置电场线是直的(对于第一近似，忽略边沿效应)和往返进行(rim front-to-back)。 结果，电子云收集时间近似为常数，并且由于装置的电容相对较大，前置放大器信号的“上 升时间”(S形阶跃的宽度)由带宽限制决定。近年来开发出一种称为硅漂移检测器(SDD)的新型传感器。其显著的新颖特征是 在偏置电极中蚀刻的同心图案，当稍微变化的电压施加到该图案中的各个环时，其使得传 感器材料内的偏置电场被整形，使得电子集中到非常小的阳极点。这具有将有效的装置电 容减小大约四个数量级的效果。来自X射线交互作用的电子云根据它行进到达阳极的路 径长度随着漂移时间在一定程度上或大或小地展开。因为装置电容被减小，所以云聚集时 间对前置放大器信号的上升时间的贡献更大，与Si(Li)检测器情况中的百分之几相比，在 SDD中可以以大约2的因子改变(尽管SDD的上升时间的范围的较长端由于总电容减少而 可能仍比传统的平面电极传感器(Si(Li)检测器)更快)。本领域中已知的“脉冲堆积(pulse pile-up)”现象是由于连续到达的X射线靠 得太近以至于不能单独测量它们的能量而造成的。如果无法检测到，则对于两个X射线，根 据该系统的脉冲整形滤波器的细节及X射线之间的时间间隔，只在该对中较高能量的X射 线的能量和这两个X射线能量和之间的某个位置测得一个能量。因此，脉冲处理器需要能 够有效地检测堆积的出现，当检测到时，将与其相关的能量测量结果丢弃(称为堆积排除 (pile up rejection))。无论是自然出现的辐射还是受某种形式的激发诱导的辐射都是随机过程。无论平均发射率多高或多低，两个发射的X射线之间的时间间隔都可能以某个非零的几率任意地 短。在任一时间间隔t内得到第二 X射线的几率是P=(I-e-(rt))其中e是自然对数的底，r是平均X射线到达率。仍可以被识别为不同事件的两个X射线之间的最小时间间隔在本领域中被称为 “脉冲对分辨时间”，它是能量的强逆函数。换句话说，检测小(低能量)脉冲之间的接近重 合比检测大脉冲之间的接近重合困难得多。因为所有的脉冲处理器的峰检测滤波器都对高 能X射线响应强烈，所以最难检测的情况是紧密跟随的低能X射线。 传统的堆积检测方法一般地可被描述为一个或多个并行滤波器，与主能量测量处 理路径(称为“主通道”)的整形时间相比，其具有固定的但非常短的整形时间。它们被不 同地称作“快通道”或“堆积排除通道”。每个通道(主通道和快通道)具有被称为死时间 (deadtime)的参数，它是该通道准确且明确地测得单个X射线的能量所用的时间量。因为 快通道死时间Df比主通道的死时间D短得多，所以对于在时间上靠近在一起到达的X射线， 快通道更可能产生明显的脉冲。在快通道中使用的(模拟或数字)滤波器一般是用于能量 测量(主通道)的同一类型，只是脉冲宽度小得多。然而，因为快通道整形时间过短，所以它们在平均掉电子噪声时不是很有效。任何 脉冲处理通道的整形时间决定可以在该通道中检测到的最低能量X射线。如果其检测阈值 被设置得较低，则该处理通道将由于前置放大器输出信号中的随机噪声波动而产生过多的 错误触发。现有技术的X射线光谱测量系统典型地能够区分大约100-200电子伏特m 的X射线与主测量通道中的噪声，但是快通道的阈值能量必须高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从能量色散辐射光谱测量系统的前置放大器的输出信号检测堆积的方法，该方法包括：相对于噪声触发值测试所述前置放大器输出信号的瞬时倾斜度；在确定所述瞬时倾斜度超过所述噪声触发值之后，识别所述前置放大器输出信号的第一后续部分，其中所述前置放大器输出信号的瞬时倾斜度增加到最大值；在所述第一后续部分之后，识别所述前置放大器输出信号的第二后续部分，其中所述前置放大器输出信号的瞬时倾斜度仍超过所述噪声触发水平，但是已经从所述最大值下降了高于所述噪声触发水平的量；以及在所述第二后续部分之后并在所述瞬时倾斜度下降到低于所述噪声触发水平之前，识别所述前置放大器输出信号的第三后续部分，其中所述前置放大器输出信号的瞬时倾斜度增加了高于所述噪声触发值的量，并且响应于此，确定堆积已经出现。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RB莫特，
申请(专利权)人：普尔斯特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]