專利名稱：大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法與其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法與其裝置，屬于能譜測量分析方法和儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有能譜接收技術(shù)的普遍性問題與缺陷在實際應(yīng)用中，我們需要對各種各樣信號的能譜進(jìn)行采集，以獲取能譜所包含的大量信息。所述的能譜是通過能量分析器變信號的能量分布為相關(guān)信號的空間位置分布而得到的，在這種能譜接收條件下，可能存在的問題有(i)許多能譜的信號強度具有很大的動態(tài)范圍，也就是能譜中信號強度的最高值和最低值相差很大。強度極弱的譜信號檢測需要高效率探測器長時間接收，但能譜中的強信號會飽和同一探測器的接收能力。故用單一探測器同時采集這類能譜存在一定困難。
(ii)如果通過改變接收時間等手段對大動態(tài)范圍能譜信號的不同強度區(qū)域依次分別檢測，不能保證信號在整個采集時間內(nèi)不變。
(iii)另外在長時間能譜信號記錄過程中，如果由于(能量漂移、機械振蕩等)各種原因造成能量分析器后的能譜空間分布在記錄平面不能形成一個固定的圖形，這會造成能譜的實際分辨率降低。
電子能量損失譜當(dāng)入射電子穿透薄樣品時，與樣品發(fā)生彈性及非彈性相互作用，電子將損失一部分能量。如果將出射電子按其損失的能量進(jìn)行分散，在能量分散平面上依信號強度統(tǒng)計計數(shù)，便得到電子的能量損失譜。通常能量損失譜分成三個部分一是零損失峰(Zero-Loss Peak，以下簡稱零峰)，它包括未經(jīng)過散射和經(jīng)過純彈性散射的透射電子，以及部分能量損失小于能量分析器分辨能力的準(zhǔn)彈性散射的透射電子的貢獻(xiàn)，對薄樣品來說，零峰是電子能量損失譜的最強峰；二是能量損失小于50eV的區(qū)域，稱為低能損失區(qū)(Low-loss region)，這部分主要包括激發(fā)等離子振蕩(Plasmon Oscillation)和激發(fā)晶體內(nèi)電子的帶間躍遷的透射電子，其強度可以是零峰強度的1/50或更弱；三是高能損失區(qū)，主要是來自激發(fā)樣品中原子內(nèi)殼層電子的透射電子的貢獻(xiàn)。其強度比低能損失區(qū)的能譜信號耕弱，并且隨著能量損失的增加，電子能量損失譜強度減小。圖3為超薄碳化硅樣品的(透射)電子能量損失譜圖。其中低能損失區(qū)的最強信號不到零損失峰的1％。另外硅原子的L吸收邊峰的信號強度為零損失峰強度的萬分之一或更弱，碳原子的K吸收邊峰的信號強度大概是零損失峰強度的十萬分之一。所以電子能量損失譜的接收需要大動態(tài)范圍的能譜接收裝置。電子能量損失譜提供了大量關(guān)于試樣的信息，比如化學(xué)成分，化學(xué)鍵合，固體的結(jié)構(gòu)、電子、振動等性質(zhì)，與透射電子顯微鏡結(jié)合后，也是納米尺度下原位表征材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等信息的重要手段。
電子能量損失能譜的動態(tài)范圍對電子能量損失譜，高強度能譜區(qū)段為零損失峰或零損失峰和低能損失區(qū)；高強度能譜區(qū)段以外的譜為弱小信號區(qū)段，即包括對應(yīng)各原子的內(nèi)殼層電子激發(fā)的電子能量損失信號的高能損失區(qū)。對整個電子能量損失譜，待測強信號與弱小信號的強度比約為103或更大，可以看到，若同時采集電子能量損失譜的各區(qū)段，零損失峰和低能損失區(qū)的強度較高，測量儀器采集到的信號將會較強；高能損失區(qū)的強度較弱，采集到的信號則將會較弱，以至短時間內(nèi)探測器只能夠采集高強度能譜區(qū)段的信號，而弱小信號區(qū)段的信息因與噪聲信號可比擬難以檢測，如圖4(a)所示；通過延長探測器的接收時間可以提高弱小信號的采集能力，但此時探測器因不能對強信號區(qū)段的譜信號進(jìn)行線性接收，因而會出現(xiàn)平臺區(qū)，如圖4(b)所示。目前，譜的強度變化范圍常等于或超過的電子能量損失譜儀的測量元件所能達(dá)到的最大動態(tài)范圍(104)。
電子能量損失譜的能量漂移特征在外界電場、磁場或能譜裝置的機械振動作用下，整個接收的能譜會發(fā)生能量損失位置的漂移。但是其特征是能譜的各區(qū)段在能量分散平面上的相對位置保持不變。這種性質(zhì)，既為能譜能量不穩(wěn)定發(fā)生波動的原因，也是我們通過控制外加電場、磁場實現(xiàn)穩(wěn)定電子能量損失譜的基礎(chǔ)。
電子能量損失譜的接收形式現(xiàn)有技術(shù)中，電子能量損失譜的采集方式分串行采集和并行采集兩種(1)串行采集方法電子束穿透樣品后，經(jīng)過能量分析器進(jìn)行能量分散。如果我們將出射的電子在能量發(fā)散平面上周期地掃描調(diào)制，用能量選擇狹縫選擇使得特定能量的電子經(jīng)過狹縫，被單通道探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號。不同能量損失的電子束強度順次被串行探測器接收，將空間分布的譜轉(zhuǎn)化成時域上變化的信號，經(jīng)信號處理得到電子能量損失譜。這種方法稱串行采集方法，其優(yōu)點在于可通過改變串行探測器的采樣周期來滿足對高強度能譜區(qū)段譜的線性接收，可順次反復(fù)采集大動態(tài)范圍的譜信息來提高對弱能譜信號的檢測能力。
此外，串行方法可以通過改變掃描方式，實現(xiàn)靈活的串行掃描，避免儀器的響應(yīng)特性掩蓋電子能量損失譜的信息。通常，在譜儀的掃描裝置上施加正掃描的鋸齒波，所謂正掃描是指串行掃描信號的極性使得電子能量損失譜的零峰、低能損失區(qū)段和高能損失區(qū)段能依次在能量發(fā)散平面上經(jīng)過單通道檢測器。但以電子-光子轉(zhuǎn)換元件(如閃爍體、YAG晶體)為主的單通道檢測器存在響應(yīng)函數(shù)，響應(yīng)函數(shù)大致形狀為強度依時間作指數(shù)衰減(如圖5(a)所示)，其衰減的特征時間一般為100ns，也就是電子-光子元件的輝光時間。在脈沖激勵下(也就是一定能量的電子束流入射時)，電子-光子轉(zhuǎn)換元件的輸出為激勵函數(shù)(也就是電子能量損失譜，如圖5(b)所示)和儀器響應(yīng)函數(shù)的卷積。如果由強度高的零峰和低能損失區(qū)向強度低的高能損失區(qū)掃描，與零峰卷積的儀器響應(yīng)函數(shù)產(chǎn)生的信號將與低能損失區(qū)附近的弱譜信號可比擬，這將掩蓋我們所關(guān)心的弱譜信號信息，如圖5(c)所示。例如，電子能量損失譜零損失峰附近的譜信息反映絕緣體價帶與導(dǎo)帶間的帶隙，這個信息對研究半導(dǎo)體、絕緣體的性質(zhì)很重要，而儀器響應(yīng)函數(shù)的信號恰恰會掩蓋這一信息。
(2)并行采集方法相比串行探測器每次只讀取單個通道的信息，獲取多通道信息要靠掃描完成，并行的方法利用多通道并行探測器同時采集多個通道的譜信息。對弱小信號，并行方法具有效率較高的優(yōu)勢。高效率的并行采集技術(shù)可以接收很弱的高能量損失區(qū)段的能譜。串行方法接收同樣強度的弱小信號則需要更長的掃描時間和多次的累積放大。
然而，并行的方法采集低能損失區(qū)附近的譜信號也有缺點。當(dāng)電子束以幾何點照射到Y(jié)AG晶體上(將電子信號轉(zhuǎn)化為光信號的器件)，由于YAG晶體的響應(yīng)函數(shù)同樣為如圖5(a)所示的指數(shù)衰減形式，強的電子束斑將產(chǎn)生一個輝光區(qū)域。并行接收的譜信號為多個輝光區(qū)域的疊加，也就是實際電子能量損失譜信號與儀器響應(yīng)函數(shù)的卷積函數(shù)，同樣如圖5(c)所示。這個結(jié)果同樣說明零峰附近的譜信息會被淹沒。
此外，若同時采集多個通道的譜強度，也就是并行采集，面陣探測元件CCD(多通道并行探測器中的一個接收裝置)的動態(tài)范圍小于全譜的動態(tài)范圍，并不能實現(xiàn)對大動態(tài)范圍能譜在大能量范圍的線性接收。
影響電子能量損失譜的能量分辨率的技術(shù)瓶頸電子能量損失譜中有關(guān)固體的結(jié)構(gòu)、成分等信息雖然很豐富，但影響它們在材料研究中的應(yīng)用的技術(shù)瓶頸是能譜在實際使用中實現(xiàn)的能量分辨率往往低于電子源的單色度(本征能量分散度)。通常場發(fā)射電子源的電子單色度為0.25電子伏。使用了電子單色器的電子源的能量分布可被限制在0.1-0.2電子伏。但當(dāng)探測器的接收時間長到一秒以上，能譜實際達(dá)到的能譜能量分辨率急劇下降，可達(dá)到1個電子伏或更差。實際上，要從樣品中得到試樣的化學(xué)成分信息至少要3eV的能量分辨率；要得到試樣的化學(xué)鍵信息需要0.5eV的能量分辨率；得到試樣的電子結(jié)構(gòu)信息則需要0.1eV的能量分辨率；若要得到試樣的晶格振動性質(zhì)則需要幾個毫電子伏的能量分辨率。實際能量分辨率直接限制對電子能量損失譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。
不論用串行還是并行接收方法，譜的能量分辨率均受以下幾個因素影響1.電子槍源的加速高壓不穩(wěn)。2.譜儀的光學(xué)電子裝置的供電不穩(wěn)。3.譜儀的光學(xué)電子裝置的機械振動。其中，電子槍源高壓不穩(wěn)是主要因素。為了解決此問題，Gatan公司的Krivanek等人曾經(jīng)提出(見文檔US Patent 5,097,126)，在高壓源出射電子束的路徑上放置一位置偏移探測狹縫，探測電子束能量偏移信號并直接反饋到高壓源。這種方法直接對高壓源進(jìn)行穩(wěn)定，僅消除電子槍源高壓不穩(wěn)這一因素。電子束從電子槍源出射到能譜記錄平面進(jìn)行采集的過程中，仍有其他的因素造成能譜的能量位置漂移，因該方法并沒完全解決能量穩(wěn)定問題。而且，探測狹縫遮擋一部分電子束，降低電子束的亮度，對透射電子顯微鏡的成像有一定影響。
Hitachi公司的Kaji，Kazutoshi等人提出探測CCD上電子能量損失譜的零損失峰(見文檔European Patent EP 1 209 720 A2)。首先規(guī)定一個零損失峰的參考位置。每次采集后將一次CCD曝光數(shù)據(jù)中最大值作為該次采集零損失峰的位置，與參考位置比較，得到譜的能量位置漂移量，進(jìn)行反饋控制。但是，這種方法依賴于CCD上必須出現(xiàn)零損失峰的條件，否則不能夠提供譜的偏移量。而且由于零峰強信號的接收，該方法不能實現(xiàn)大動態(tài)范圍的能譜的線性接收，即面陣探測元件的動態(tài)范圍不足以表征待測弱小信號中的特征峰信息。另外，由面陣探測元件采集的信息穩(wěn)定能譜，反饋控制需要在能譜采集之后實施，而能譜采集的時間為幾秒至幾十秒不等，該方法不可能穩(wěn)定頻率較高(幾十赫茲)的能量漂移。
賓西法尼亞大學(xué)的Pieter Kruit等人提出用熒光屏探測電子能量損失譜零損失峰的位置，雙光電二極管探測器給出正比于零峰能量位置漂移量的電信號，將這個電信號放大，作為反饋控制補償能量位置漂移，實現(xiàn)穩(wěn)定整個能譜。但這種方法僅提供零損失峰的位置信息，丟失零損失峰附近的實際能譜信息。
電子能量損失譜的分析需要實驗測得的電子能量損失譜上疊加的原子內(nèi)殼層電子激發(fā)譜含有系統(tǒng)點展寬函數(shù)的卷積和膜厚帶來的多重散射效應(yīng)。同時接收的零損失峰可以用來倒卷積出內(nèi)殼層電子激發(fā)譜的信息；同時接收的包括零損失峰在內(nèi)的低能損失譜信息可以用來倒卷積出附在內(nèi)殼層電子激發(fā)譜上的多重散射信息。
本發(fā)明的目的是提供一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法與其裝置，一方面利用具有不同采集效率的探測器同時測量實現(xiàn)能譜的有效動態(tài)范圍的提高，另外利用強信號所需接收時間短的特點，通過對高強度能譜區(qū)域信號開展實時能量位置漂移的監(jiān)控和校正，實現(xiàn)全能譜范圍的能量穩(wěn)定的接收。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將信號的能量分布轉(zhuǎn)化成空間位置的分布；2)對高強度能譜區(qū)段的信號采用快響應(yīng)采集a.利用快響應(yīng)探測器反復(fù)采集高強度能譜區(qū)段的譜信號，周期性地將其信號在空間位置的強度分布轉(zhuǎn)化成時域上強度變化的信號；所述快響應(yīng)探測器的采樣周期應(yīng)滿足高強度能譜區(qū)段信號的線性接收；b.該時域上變化的信號被分成兩路；其中一路信號中的一個采樣周期內(nèi)的譜信號被提取作為參考信號，然后提取隨后每個采樣周期內(nèi)的譜信號相對參考信號的時域漂移量，作為整個能譜的能量漂移檢測的依據(jù)，經(jīng)過反饋控制器計算產(chǎn)生校正能譜漂移的反饋控制信號，用以穩(wěn)定整個能譜；將另一路信號按所述的采樣周期處理，對每采樣周期內(nèi)的信號反方向平移與其時域漂移量相同的通道數(shù)，然后累積獲得能量穩(wěn)定的高強度能譜區(qū)段的譜信號；經(jīng)數(shù)次累積，輸出至譜顯示、存儲及分析裝置；3)對高強度能譜區(qū)段以外的譜信號采用多通道并行探測器采集用多通道并行能譜探測器接收經(jīng)過穩(wěn)定后的高強度能譜區(qū)段以外的空間分布能譜；并輸出至譜顯示、存儲及分析裝置；4)對分別接收的高強度能譜區(qū)段的信號和高強度能譜區(qū)段以外的信號進(jìn)行探測效率的校正，獲得強度依能量分布的整個大動態(tài)范圍能量穩(wěn)定的能譜。
上述方法的步驟2)中所述的快響應(yīng)采集采用串行接收或并行接收方法，所述的串行接收方法是對能譜的空間分布加以一個位置調(diào)制的掃描信號，使不同能量的信號以所述的采樣周期相對一個單通道接收器順次被接收，且轉(zhuǎn)換成時域上強度變化的信號，同時對未經(jīng)過單通道接收器的能譜信號進(jìn)行解調(diào)制，以便為多通道并行探測器同時接收；所述的串行接收方法或通過僅對單通道接收器加以一個空間位置調(diào)制的掃描信號實現(xiàn)；所述的掃描信號為正掃描的鋸齒波、反掃描的鋸齒波、正弦波、半周期單調(diào)遞增或遞減函數(shù)波；所述的并行接收方法采用多通道并行接收器，其采樣周期滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收。
本發(fā)明所述方法的技術(shù)特征還在于所述步驟2)中的漂移檢測采用互相關(guān)方法，即計算所述的各采樣周期內(nèi)的譜信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，其互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的自變量表示采樣周期內(nèi)譜信號與參考信號的時域漂移量；所述的反饋控制信號，采用經(jīng)自適應(yīng)濾波后利用比例積分微分反饋控制的方法進(jìn)行計算。
本發(fā)明還提供了一種采用上述方法的大動態(tài)范圍電子能量損失譜的能量穩(wěn)定接收裝置，其特征在于該裝置包括磁棱鏡電子能量分析器，設(shè)置在磁棱鏡內(nèi)的電子束漂移管，電子光學(xué)控制器，快響應(yīng)能譜探測器，多通道并行能譜探測器，能譜穩(wěn)定控制器以及能譜的顯示、存儲及分析裝置；所述的電子光學(xué)控制器的控制端分別與磁棱鏡電子能量分析器、快響應(yīng)能譜探測器和多通道并行能譜探測器的輸入端相連，并與電子束漂移管的電極相連接；所述的能譜穩(wěn)定控制器包括漂移檢測、反饋控制器和漂移校正譜的累積模塊，漂移檢測模塊的輸出端分別與反饋控制器和漂移校正譜的累積模塊相連，所述的反饋控制器的信號輸出連接電子束漂移管；所述的快響應(yīng)能譜探測器的輸出端分別與所述的能量穩(wěn)定控制器中的漂移檢測和漂移校正譜的累積模塊相連；所述的快響應(yīng)能譜探測器和多通道并行能譜探測器依次設(shè)置在該裝置的光路中，所述的多通道并行能譜探測器的輸出端與能譜的顯示、存儲及分析裝置。
本發(fā)明所提供的裝置的技術(shù)其特征還在于所述的快響應(yīng)能譜探測器包括納米馬達(dá)，固定在納米馬達(dá)動片上的線探測器，光電倍增管，置于光電倍增管探測窗前端的用于接收線探測器產(chǎn)生的二次電子的閃爍體，串行采樣掃描信號發(fā)生器，位于線探測器后的解調(diào)制板，將光電倍增管輸出的信號進(jìn)行放大的電流-電壓放大器，用于接收該放大器模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換電路；所述的反饋控制器由自適應(yīng)濾波器、比例積分微分反饋控制模塊以及D/A轉(zhuǎn)換電路組成，漂移校正譜的累積模塊由漂移校正子模塊和譜累積子模塊組成；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的反饋信號，串行采樣掃描信號發(fā)生器的掃描信號和電子光學(xué)控制器的輸出信號輸入信號加法器，信號加法器的輸出連接電子束漂移管；所述的線探測器方向與譜的空間位置分布方向垂直，并且在電子束照射下產(chǎn)生與電子束流強度呈正比例的二次電子。
在本發(fā)明提供的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置中所述的快響應(yīng)能譜探測器也可采用基于電荷藕荷的并行能譜探測器或基于光電二極管陣列平行接收器，其采樣周期滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收；快響應(yīng)能譜探測器的輸出端分別與所述的能量穩(wěn)定控制器中的漂移檢測和漂移校正譜的累積模塊相連；能譜穩(wěn)定裝置中所述的反饋控制器由自適應(yīng)濾波器、比例積分微分反饋控制模塊以及D/A轉(zhuǎn)換電路組成，漂移校正譜的累積模塊由漂移校正子模塊和譜累積子模塊組成；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的反饋信號，串行采樣掃描信號發(fā)，生器的掃描信號和電子光學(xué)控制器的輸出信號輸入信號加法器，信號加法器的輸出連接電子束漂移管，所述的快響應(yīng)能譜探測器的輸出端通過串行接收緩沖區(qū)分別與漂移檢測模塊和漂移校正子模塊相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性進(jìn)步應(yīng)用不同記錄效率的探測器分段接收不同強度能譜區(qū)段的混合型能譜接收模式，可以同時正確地實現(xiàn)電子能量損失譜精細(xì)結(jié)構(gòu)在大動態(tài)范圍內(nèi)的線性記錄?；旌闲徒邮盏哪茏V信息大都來自于多通道并行能譜探測器，這就保留了現(xiàn)有技術(shù)中并行方法較高效率的優(yōu)勢?？祉憫?yīng)能譜探測器的應(yīng)用保留了現(xiàn)有技術(shù)中串行數(shù)據(jù)采集方法快響應(yīng)和大動態(tài)范圍接收的優(yōu)勢。通過改進(jìn)的能量穩(wěn)定方法和裝置，可以使本發(fā)明提到的裝置采集的電子能量損失譜或類似能譜，特征峰銳化，具有更高的能量分辨率。強信號采集和漂移信號提取過程中的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用①可以使我們采用多種基于數(shù)字信號的算法，控制程序可排除大量的噪聲干擾，提高的低信噪比容忍度。②互相關(guān)的數(shù)字處理漂移檢測算法可實現(xiàn)將由快響應(yīng)接收器獲得的電子能量損失譜強信號區(qū)段即使不包括零損失峰，但仍可以低能量損失區(qū)段的某特征峰作為參考信號來穩(wěn)定整個能譜。③靈活選擇反饋控制模型使我們優(yōu)化反饋回路的響應(yīng)參數(shù)，并杜絕自激振蕩等有害控制的發(fā)生。另外，在使用串行接收方法的快響應(yīng)接收器，可使用鋸齒波等可靈活改變的掃描信號反方向掃描，改變快速響應(yīng)接收裝置的響應(yīng)函數(shù)，避免零峰的響應(yīng)信號與電子能量損失譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)疊加，可得到零峰附近的能譜信息。
快響應(yīng)能譜探測器和多通道并行能譜探測器的協(xié)同作用，即使用混合型探測器使不同接收效率的能譜接收器的協(xié)同作用，與僅使用單一能譜探測裝置相比，擴大了能譜儀器可接收信號強度的動態(tài)范圍和能量損失接收范圍，同時得到實時、能量穩(wěn)定的能譜，而且為測試位置樣品厚度和多重散射的倒卷積處理等數(shù)據(jù)處理過程，提供了技術(shù)保證。


圖1是本發(fā)明提供的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法的實施例結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2(a)為本發(fā)明提供的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2(b)為本發(fā)明提供的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置的另一種形式實施例中快響應(yīng)能譜探測器的結(jié)構(gòu)示意圖，其他部分的細(xì)節(jié)同圖2(a)。
圖3是碳化硅的電子能量損失譜。
圖4(a)、(b)表示現(xiàn)有技術(shù)中的多通道并行采集方法不同曝光時間下得到的結(jié)果。
圖5為串行采集時，掃描信號為正掃描，儀器響應(yīng)函數(shù)、電子能量損失譜圖和接收能譜信號的結(jié)果。
圖6為串行采集時，掃描信號為反掃描，儀器響應(yīng)函數(shù)、電子能量損失譜圖和接收能譜信號的結(jié)果。
圖7(a)表示電子束位于參考位置時，快響應(yīng)能譜探測器12輸出的單周期信號，作為漂移檢測模塊的“參考信號”。
圖7(b)表示電子束偏離參考位置時，快響應(yīng)能譜探測器12輸出的單周期信號，作為漂移檢測模塊的“采集譜信號”。
圖8(a)、(b)分別為半周期單調(diào)遞減的正弦波和反方向掃描的鋸齒波。
圖9(a)表示采用正弦波作智能掃描信號時零損失峰分別位于A，B，C空間位置時，零損失峰對應(yīng)時域上的位置。
圖9(b)表示采用正掃描鋸齒波作串行采樣掃描信號時零損失峰分別位于同圖5(a)的A，B，C空間位置時，零損失峰對應(yīng)時域上的位置。
圖10(a)、(b)和(c)分別表示電子能量損失譜的分段采集中選取不同能譜區(qū)段，快響應(yīng)能譜探測器12和多通道并行能譜探測器13采集到的譜信號。
圖11給出一個比例積分微分反饋系統(tǒng)的輸出輸入比(幅值)和輸出輸入信號相位差(相值)與輸入信號頻率的關(guān)系，包括理論計算和測試結(jié)果，也稱為系統(tǒng)的幅相曲線，波特(Bode)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法，其技術(shù)方案是先將信號的能量分布轉(zhuǎn)化成空間位置的分布；對高強度能譜區(qū)段的譜信號采用快響應(yīng)探測器采集a.利用快響應(yīng)探測器反復(fù)采集高強度能譜區(qū)段的譜信號，周期性地將其信號強度在空間位置的分布轉(zhuǎn)化成時域上變化的信號；所述快響應(yīng)探測器的采樣周期應(yīng)滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收；所述的高強度能譜區(qū)段指含有譜的最強峰或強度至少為待測弱小信號的102倍的其他特征譜峰；b.該時域上變化的信號被分成兩路；將其中一個采樣周期內(nèi)的信號作為參考，然后提取以后每個采樣周期內(nèi)的譜信號相對參考信號的時域漂移量，作為整個能譜的能量漂移檢測的依據(jù)，經(jīng)過反饋控制器計算校正能譜漂移的反饋控制信號，穩(wěn)定整個能譜；將另一路信號分采樣周期處理，對每采樣周期內(nèi)的信號反方向平移與其時域漂移量相同的通道數(shù)，然后累積獲得能量穩(wěn)定的高強度能譜區(qū)段譜信號；經(jīng)數(shù)次累積，輸出至譜顯示、存儲及分析裝置。對高強度能譜區(qū)段以外的譜信號采用多通道并行探測器采集用多通道并行能譜探測器接收經(jīng)過穩(wěn)定后的高強度能譜區(qū)段以外的空間分布能譜；并輸出至譜顯示、存儲及分析裝置。對分別接收的高強度能譜區(qū)段的譜信號和高強區(qū)段以外的譜信號進(jìn)行探測效率的校正，獲得強度依能量分布的整個大動態(tài)范圍能量穩(wěn)定的能譜。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步的說明圖1是實現(xiàn)上述方法的一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置的簡圖，以安裝在(掃描)透射電子顯微鏡的電子能量損失譜探測裝置為例。電子顯微鏡10的主要部分包括從電子槍源1到z襯度像裝置7，電子能量損失譜儀包括磁棱鏡8、電子束漂移管9、譜儀電子光學(xué)控制器11、快響應(yīng)能譜探測器12、多通道并行能譜探測器13、能譜穩(wěn)定控制器18以及譜顯示、存儲及分析裝置16。能譜穩(wěn)定控制器包括漂移檢測模塊19、反饋控制器20和漂移校正譜的累積模塊21；多通道并行探測器包括基于多級透鏡的能譜色散放大裝置14和面陣探測器15。
(掃描)透射電子顯微鏡10中，電子槍槍源1發(fā)射電子束。掃描線圈3將電子槍槍源1出射的電子束偏轉(zhuǎn)，隨著掃描線圈3中電流的改變電子束在樣品上掃描。會聚透鏡2使電子束以垂直試樣表面和會聚在試樣表面兩種方式透過樣品4。物鏡5和中間鏡、投影鏡組6將透射的電子束放大成像在熒光屏上。z襯度像裝置7用來采集z襯度像。裝置1~7以電子光路的主軸共軸連接。
當(dāng)進(jìn)行電子能量損失譜采集時，透射的電子束經(jīng)過一個扇形的磁場發(fā)生90°的偏轉(zhuǎn)，扇形半徑可為100mm。磁場方向垂直紙面向外，該磁場由磁棱鏡8提供。電子束在經(jīng)過磁棱鏡8后，強度按其能量損失分散，電子束的能量分布轉(zhuǎn)化為強度在空間位置的分布。在100kV的電子槍源1加速電壓下，能量分散度可為1.6μm/eV。譜的空間位置分布方向垂直于電子束出射方向，譜強度按其能量在能量分散平面上分布，如圖1所示磁棱鏡8后的譜。
快響應(yīng)能譜探測器12反復(fù)采集高強度能譜區(qū)段的譜信號，周期性地將其信號強度在空間位置的分布轉(zhuǎn)化成時域上變化的信號38，并給出表示反復(fù)采集時采樣周期的掃描信號39，信號的波形示意圖標(biāo)示在圖1的信號線38和39旁。然后，該時域上變化的信號38和掃描信號39分別輸入能譜穩(wěn)定控制器18的漂移檢測模塊19和反饋控制器20；一路信號輸入漂移檢測模塊19，該模塊將其中一個采樣周期內(nèi)的信號作為參考信號，如圖7(a)所示；然后分采樣周期接收時域上變化的信號，其中一個周期的信號如圖7(b)所示；提取每個采樣周期內(nèi)的譜信號相對參考信號的時域漂移量，如圖7(a)、(b)零峰之間的時域漂移量，作為整個能譜的能量漂移檢測的依據(jù)。這個時域漂移量分別輸出到反饋控制器20和漂移校正譜的累積模塊21，經(jīng)過反饋控制器計算校正能譜漂移的反饋控制信號，與電子束漂移管9相連接，其波形示意圖標(biāo)示在信號線40旁，這個反饋控制信號向電子束漂移管9提供電壓來穩(wěn)定整個能譜；漂移校正譜的累積模塊21將另一路信號分采樣周期處理，對每采樣周期內(nèi)的信號反方向移平移與其時域漂移量相同的通道數(shù)，然后累積獲得能量穩(wěn)定的高強度能譜區(qū)段譜信號；經(jīng)數(shù)次累積，輸出高強度能譜區(qū)段的譜信號至譜顯示、存儲及分析裝置16；同時，多通道并行能譜探測器13接收經(jīng)過穩(wěn)定后的高強度能譜區(qū)段以外的空間分布能譜；并輸出至譜顯示、存儲及分析裝置16。譜儀電子光路控制器11輸出控制信號至磁棱鏡型電子能量分析儀8、電子束漂移管9、快響應(yīng)能譜探測器12和多通道并行能譜探測器13。功能為一是調(diào)節(jié)磁棱鏡型電子能量分析儀的磁場強度等參數(shù)，控制譜儀的電子光路。二是調(diào)節(jié)電子束漂移管9的電平和電磁透鏡組14的參數(shù)，可以選擇多通道并行能譜探測器13接收電子能量損失譜的范圍。三是使快響應(yīng)能譜探測器12和多通道并行能譜探測器13協(xié)同工作，快響應(yīng)能譜探測器接收高強度能譜區(qū)段的譜信號，多通道并行能譜探測器13接收高強度能譜區(qū)段以外的譜信號，實現(xiàn)分段接收大動態(tài)范圍的能譜。
同時，多通道并行能譜探測器13接收經(jīng)過穩(wěn)定后的高強度能譜區(qū)段以外的空間分布能譜；并輸出至譜顯示、存儲及分析裝置16。譜儀電子光路控制器11輸出控制信號至磁棱鏡8、電子束漂移管9的另一個極、快響應(yīng)能譜探測器12和多通道并行能譜探測器13。功能為一是調(diào)節(jié)磁棱鏡的磁場強度等參數(shù)，控制譜儀的電子光路。二是調(diào)節(jié)電子束漂移管9的電平和電磁透鏡組14的參數(shù)，可以選擇多通道并行能譜探測器13接收電子能量損失譜的范圍。三是使快響應(yīng)能譜探測器12和多通道并行能譜探測器13協(xié)同工作，快響應(yīng)能譜探測器接收高強度能譜區(qū)段的譜信號，多通道并行能譜探測器13接收高強度能譜區(qū)段以外的譜信號，實現(xiàn)分段接收大動態(tài)范圍的能譜。
在電子束漂移管9(以下簡稱漂移管)上施加電場，可改變進(jìn)入能量分析儀電子束的電子束速度。漂移管9上的電壓不同，電子能量損失譜則在能量發(fā)散平面上發(fā)生不同程度的平移，而且譜的各區(qū)段空間相對位置不變。依靠這種平移，快響應(yīng)能譜探測器12可輸出一路掃描信號至漂移管，輸出使電子束的空間分布依掃描信號振動；能譜穩(wěn)定控制器18可輸出一路校正信號至漂移管9，校正電子束相對參考信號的漂移。信號加法器的輸入端連接快響應(yīng)能譜探測器12和能譜穩(wěn)定控制器18，將這兩路信號加和、輸出至電子束漂移管9。
譜顯示、存儲及分析裝置16接收來自能譜穩(wěn)定控制器18和多通道并行能譜探測器13的兩路分段采集的譜信號。由于兩種探測器對同樣的強度以空間分布的能譜的探測效率和接收范圍不同，根據(jù)探測器的參數(shù)和譜儀電子光學(xué)控制器控制接收的范圍對兩路譜信號的能量和強度作線性變換，即對不同探測效率的進(jìn)行校正，歸一化合并，獲得整個大動態(tài)范圍能量穩(wěn)定的能譜。通過用高強度能譜區(qū)段的零損失峰倒卷積整個能譜，可以銳化能譜，去除儀器響應(yīng)函數(shù)的影響；而且當(dāng)譜的低強度區(qū)段的信號包含內(nèi)殼層電子的激發(fā)譜，其多重散射效應(yīng)可以通過倒卷積去除。
譜顯示、存儲及分析裝置16接收來自能譜穩(wěn)定控制器18和多通道并行能譜探測器13的兩路分段采集的譜信號。由于兩種探測器對同樣的強度以空間分布的能譜的探測效率和接收范圍不同，根據(jù)探測器的參數(shù)和譜儀電子光學(xué)控制器控制接收的范圍對兩路譜信號的能量和強度作線性變換，即對不同探測效率的進(jìn)行校正，歸一化合并，獲得整個大動態(tài)范圍能量穩(wěn)定的能譜。通過用高強度能譜區(qū)段的零損失峰倒卷積整個能譜，可以銳化能譜，去除儀器響應(yīng)函數(shù)的影響；而且當(dāng)譜的低強度區(qū)段的信號包含內(nèi)殼層電子的激發(fā)譜，其多重散射效應(yīng)可以通過倒卷積去除。
圖2給出圖1所示大動態(tài)范圍電子能量損失譜的能量穩(wěn)定接收裝置的一個具體實施例。快響應(yīng)能譜探測器包括納米馬達(dá)22，固定在納米馬達(dá)動片上的線探測器23，光電倍增管25，置于光電倍增管25探測窗附近的用于接收線探測器反射電子的閃爍體24，串行采樣掃描信號發(fā)生器26，位于線探測器后的解調(diào)制板27，將光電倍增管輸出的信號進(jìn)行放大的電流-電壓放大器28，用于接收該放大器模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換電路29；反饋控制器由自適應(yīng)濾波器32、比例積分微分反饋控制模塊33以及D/A轉(zhuǎn)換電路34組成，漂移校正譜的累積模塊由校正串行譜模塊35和累積譜模塊36組成；D/A轉(zhuǎn)換電路的反饋信號和掃描信號發(fā)生器的掃描信號輸出端與信號加法器17相連，其輸出端連接電子束漂移管的一個極，輸出反饋控制信號驅(qū)動電子束漂移管9提供偏轉(zhuǎn)電壓，來穩(wěn)定整個能譜；線探測器23方向與譜的空間位置分布方向垂直，并且在電子束照射下產(chǎn)生與電子束流強度呈正比例的二次電子。
快響應(yīng)能譜探測器12采用串行方式接收，線探測器23安裝在納米馬達(dá)22的動片上，這樣可以在電子光路上橫向移動，用于選擇接收高強度譜的區(qū)域。閃爍體24位于光電倍增管25的探測窗附近，接收線探測器反射的二次電子并將其轉(zhuǎn)化為光信號再由光電倍增管接收并放大。納米馬達(dá)、線探測器與光電倍增管25組成單通道接收器。解調(diào)制板位于探測線23后。電子光路經(jīng)過解調(diào)制板后，從快響應(yīng)能譜探測器12出射，入射到多通道并行能譜探測器13。串行采樣掃描信號發(fā)生器26的輸出端連接漂移管9的一個極和解調(diào)制板27。光電倍增管25信號輸出端連接電流-電壓放大器28，再連接A/D轉(zhuǎn)換電路29，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸出至能譜穩(wěn)定控制器18。
從漂移管9出射的電子束在恒定的偏轉(zhuǎn)電壓下(通過漂移管9產(chǎn)生)，在能量發(fā)散平面上成譜。線探測器23置于不同位置，將得到不同強度的信號，即不同空間位置對應(yīng)不同能量的譜信號。順次采集不同能量對應(yīng)的電子束強度得到強度隨探測器位置變化，也就是隨能量損失變化的能譜。因此，僅周期性的改變探測線23相對譜空間分布得空間位置，就是電子能量損失譜的一種串行采集方法。
除上述串行采集方法外，附圖2也描述一種串行采集方法。即串行采樣掃描信號發(fā)生器26產(chǎn)生采樣頻率為f、采樣周期T＝1/f的周期性掃描調(diào)制信號39(如反掃描鋸齒波)。這個調(diào)制信號通過信號加法器17驅(qū)動漂移管9上，對能譜的空間分布以所述的采樣周期T相對線探測器23進(jìn)行掃描調(diào)制。如果電子束入射在線探測器23上，就會散射出一部分二次電子。隨著電子束空間位置分布的掃描振蕩，線探測器23散射出的電子數(shù)量隨時間變化。散射電子由閃爍體24捕捉并轉(zhuǎn)化為光信號，由光電倍增管25放大，轉(zhuǎn)換成時域上變化的電信號。光電倍增管25輸出的光電流由電流-電壓放大器28放大。電流-電壓放大器適當(dāng)調(diào)節(jié)增益，與光電倍增管組成大動態(tài)范圍接收器。A/D轉(zhuǎn)換電路29的結(jié)果輸出到串行接收緩沖區(qū)30中，至此信號強度在空間位置的分布周期性地轉(zhuǎn)化成時域上變化的數(shù)字信號，以便數(shù)字信號處理。同時，未經(jīng)過探測線的能譜信號在解調(diào)制板27處被解調(diào)制，重新還原為能量按空間位置分布的穩(wěn)定的電子能量損失譜。由于解調(diào)制板27和漂移管9的信號同源(來自串行采樣掃描信號39)，解調(diào)制板27出射的能譜是經(jīng)過能量穩(wěn)定的，與掃描前的能譜全等，可由多通道并行能譜探測器13并行采集。
圖2(b)為快響應(yīng)能譜探測器的另一種實施方案?；陔姾膳汉傻牟⑿心茏V探測器替代串行探測器?；虿捎没诠怆姸O管陣列平行接收器，要求其采樣周期應(yīng)滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收條件。
在快響應(yīng)串行采集的方法中，用反掃描的鋸齒波代替正掃描的鋸齒波，恰好使儀器的響應(yīng)函數(shù)反轉(zhuǎn)，也就是串行采樣掃描方向從弱小信號的譜區(qū)段向高強度譜區(qū)段(如圖6(a)所示)。這樣，即使儀器響應(yīng)函數(shù)在高強度譜區(qū)段會產(chǎn)生信號，但此時電子能量損失譜(如圖6(b)所示)和儀器響應(yīng)函數(shù)的卷積函數(shù)，其零峰信號的影響區(qū)不在我們關(guān)心的電子能量損失譜的區(qū)域內(nèi)，如圖6(c)所示，并不會掩蓋零損失峰附近的信息。采用混合型采集方法，解決了單一并行采集零峰附近的譜信息被儀器響應(yīng)函數(shù)產(chǎn)生的信號淹沒的問題。
改變串行采樣掃描信號發(fā)生器26輸出的信號波形，可實現(xiàn)“智能掃描”。串行采樣掃描信號可以是正掃描的鋸齒波、反掃描的鋸齒波、正弦波、半周期單調(diào)遞增或遞減正弦波(如圖8所示)；使用正弦信號掃描可以利用零點附近一階導(dǎo)數(shù)存在最大值的特性，提高采集譜信號相對參考信號的漂移量在零點附近時，漂移檢測模塊對電子束漂移的靈敏度，如圖9所示，A，B，C三點空間位置間隔相同，若掃描信號為半周期單調(diào)遞增正弦波，則在零點附近對應(yīng)時域上的間隔比鋸齒波作掃描信號時的間隔大，說明這種掃描方式下檢測電子束漂移的靈敏度高；增加掃描信號的頻率可以提高快響應(yīng)能譜探測器12的響應(yīng)速度，從而提高電子束能量穩(wěn)定系統(tǒng)的帶寬；減少掃描信號的振幅，增加串行采集的通道數(shù)可以提高漂移檢測模塊19的能量分辨率。
快響應(yīng)能譜探測器12輸出數(shù)字信號和串行采樣掃描信號至能譜穩(wěn)定控制器18。數(shù)字信號輸出至串行接收緩沖區(qū)30，掃描信號輸出至漂移檢測模塊31和校正串行譜模塊35。串行接收緩沖區(qū)一方面將譜信號輸入至漂移檢測模塊31，另一方面輸出至校正串行譜模塊35。漂移檢測將周期性時域上變化的采集譜信號與參考信號比較后輸出時域漂移量，作為譜能量位置漂移的依據(jù)。該時域漂移量一路輸出至反饋控制器的自適應(yīng)濾波模塊32，另一路輸出至校正串行譜模塊35，作為校正的依據(jù)。自適應(yīng)濾波模塊輸出濾波后的能量位置漂移信號至比例積分微分控制器33，裝置33再將輸出的數(shù)字結(jié)果輸入至D/A轉(zhuǎn)換電路34，將數(shù)字量實時地轉(zhuǎn)化為模擬量，輸出到信號加法器17。信號加法器的輸入端連接快響應(yīng)能譜探測器12和能譜穩(wěn)定控制器18的反饋控制信號40，將這兩路信號加和，驅(qū)動電子束漂移管9的偏轉(zhuǎn)電壓。此外，校正串行譜模塊35輸出校正后的譜信號至累積譜模塊36，累積一定時間后輸出到譜顯示、存儲及分析裝置16。
對高強度能譜區(qū)段以外的信號，例如電子能量損失譜的高能損失區(qū)譜信號，采用多通道并行能譜探測器，將空間分布的能譜經(jīng)過電磁透鏡組成像于記錄平面上，多通道采集、并長時間累積曝光，接收低強度譜信號，并輸出到譜顯示、存儲及分析裝置16。
互相關(guān)算法擴大譜儀能量工作范圍通常情況下，透射電子束是穩(wěn)定的，不發(fā)生漂移，電子束將以采樣周期T入射在強度探測器23上，光電倍增管25輸出周期為T的電信號。A/D轉(zhuǎn)換電路29連續(xù)采集這個模擬量，采樣周期為fs＝f，每周期信號的采樣點數(shù)為N(通道數(shù))。當(dāng)電子束不漂移，一個周期內(nèi)串行接收緩沖區(qū)31得到圖7(a)所示的信號，采集前我們將這幀信號設(shè)定為“參考信號”。但實際接收過程中，我們得到采集譜信號，但透射電子束的能量因電子槍源1電壓不穩(wěn)定等諸多原因發(fā)生微小漂移，信號的峰位(對應(yīng)電子能量損失譜的Zero-Loss Peak)將發(fā)生漂移，如圖7(b)所示。
Kaji，Kazutoshi等人提出的以一次CCD曝光數(shù)據(jù)的最大值作為零峰位置，計算能譜的能量位置漂移。這種方法的適應(yīng)性較差，如果零峰不在CCD曝光區(qū)域，則起不到穩(wěn)定作用。本發(fā)明中提出互相關(guān)算法計算漂移量。由如下方法實現(xiàn)單個采樣掃描周期內(nèi)，將采集譜f(t)與參考信號g(t)相關(guān)(由于能量漂移，采集譜與參考譜僅在時域上有一定平移)，可求出兩者的互相關(guān)函數(shù)(Cross-correlation Function)Corrf,g(a)=∫-∞∞f(t)g(t+a)dt]]>如果f≡g，則互相關(guān)函數(shù)f(a)在a＝0點有最大值，如果g滯后于f大小為a0，那么相關(guān)函數(shù)f(a)在a＝a0點有最大值。Corrf，g(a)的峰值對應(yīng)自變量a表示采集譜f(t)與參考譜g(t)時域上的延遲，并可換算成能量位置的漂移量。
互相關(guān)方法是在噪聲背景下提取有用信息的一個非常有效的手段。將兩個帶有白噪聲(White Noise)的相關(guān)信號作互相關(guān)可以排除大量的噪聲干擾，提高控制程序的低信噪比容忍度。
此外，判斷采集譜與參考譜的相關(guān)性，可不依賴零峰信號是否被接收。將快響應(yīng)能譜探測器的某特征峰作為參考譜，仍可穩(wěn)定整個能譜。當(dāng)前端接收的能譜區(qū)段能量損失范圍增加，后端接收的能量損失范圍也隨之增加。這樣，如圖10(b)所示，可將快響應(yīng)能譜探測器串行采集的區(qū)段設(shè)定為高能損失區(qū)的某一特征峰附近，如C-Ka峰，多通道并行探測器的接收區(qū)段設(shè)定為電子能量損失譜的廣延精細(xì)結(jié)構(gòu)區(qū)，經(jīng)長時間曝光可將采集范圍擴展至更高能量損失區(qū)段。相比串行采集并穩(wěn)定零峰附近區(qū)域、多通道并行采集高能損失區(qū)的方法而言(如圖10(a)所示)，譜儀的能量工作范圍擴大。
累積能量穩(wěn)定的能譜將能量穩(wěn)定快響應(yīng)能譜探測器采集的信號數(shù)字化，應(yīng)用數(shù)字信號處理方法，將每個掃描周期的電信號數(shù)字化存儲起來，根據(jù)互相關(guān)等算法得到的能量漂移進(jìn)行校正，并將校正后的單周期能譜逐周期累積起來，最終實現(xiàn)在穩(wěn)定的同時輸出一路高強度能譜區(qū)段的譜信息。
選擇多種優(yōu)化的反饋控制反饋控制器20的算法可以靈活選擇，并不僅限于電路的物理連接和元器件的固定參數(shù)。使用比例積分微分控制等反饋模型，可優(yōu)化反饋回路的響應(yīng)參數(shù)。圖11顯示采用比例積分微分反饋控制模型的理論計算和實測的幅相響應(yīng)曲線，即波特圖。圖中位于衰減幅度極值線以下的曲線區(qū)域表示其對應(yīng)的漂移頻率在該范圍內(nèi)可以起到能量穩(wěn)定的作用；對衰減幅度極值以上的區(qū)域則起不到很好的能量穩(wěn)定作用。這是因為該反饋控制在大于一定頻率振蕩的輸入下會變得不穩(wěn)定，甚至?xí)糯蟊緫?yīng)當(dāng)校正的漂移。針對這一問題，增加自適應(yīng)濾波模塊33屏蔽掉能量位置漂移中頻率高的成分，杜絕自激振蕩等有害控制的發(fā)生，而模擬電路方法很難實現(xiàn)以上先進(jìn)的控制手段。
權(quán)利要求
1.一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法，其特征在于該方法按如下步驟進(jìn)行1)將信號的能量分布轉(zhuǎn)化成空間位置的分布；2)對高強度能譜區(qū)段的信號采用快響應(yīng)采集a.利用快響應(yīng)能譜探測器反復(fù)采集高強度能譜區(qū)段的譜信號，周期性地將其信號在空間位置的強度分布轉(zhuǎn)化成時域上強度變化的信號；所述快響應(yīng)探測器的采樣周期應(yīng)滿足高強度能譜區(qū)段信號的線性接收；b.該時域上變化的信號被分成兩路；其中一路信號中的一個采樣周期內(nèi)的譜信號被提取作為參考信號，然后提取隨后每個采樣周期內(nèi)的譜信號相對參考信號的時域漂移量，作為整個能譜的能量漂移檢測的依據(jù)，經(jīng)過反饋控制器計算產(chǎn)生校正能譜漂移的反饋控制信號，用以穩(wěn)定整個能譜；將另一路信號按所述的采樣周期處理，對每采樣周期內(nèi)的信號反方向平移與其時域漂移量相同的通道數(shù)，然后累積獲得能量穩(wěn)定的高強度能譜區(qū)段的譜信號；經(jīng)數(shù)次累積，輸出至譜顯示、存儲及分析裝置；3)對高強度能譜區(qū)段以外的譜信號采用多通道并行探測器采集用多通道并行能譜探測器接收經(jīng)過穩(wěn)定后的高強度能譜區(qū)段以外的空間分布能譜；并輸出至譜顯示、存儲及分析裝置；4)對分別接收的高強度能譜區(qū)段的信號和高強度能譜區(qū)段以外的信號進(jìn)行探測效率的校正，獲得強度依能量分布的整個大動態(tài)范圍能量穩(wěn)定的能譜。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法，其特征在于步驟2)中所述的快響應(yīng)采集采用串行接收或并行接收方法，所述的串行接收方法是對能譜的空間分布加以一個位置調(diào)制的掃描信號，使不同能量的信號以所述的采樣周期相對一個單通道接收器順次被接收，且轉(zhuǎn)換成時域上強度變化的信號，同時對未經(jīng)過單通道接收器的能譜信號進(jìn)行解調(diào)制，以便為多通道并行探測器同時接收；所述的串行接收方法或通過僅對單通道接收器加以一個空間位置調(diào)制的掃描信號實現(xiàn)；所述的掃描信號為正掃描的鋸齒波、反掃描的鋸齒波、正弦波、半周期單調(diào)遞增或遞減函數(shù)波；所述的并行接收方法采用多通道并行接收器，其采樣周期滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法，其特征在于所述步驟2)中的漂移檢測采用互相關(guān)方法，即計算所述的各采樣周期內(nèi)的譜信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，其互相關(guān)函數(shù)最大值對應(yīng)的自變量表示采樣周期內(nèi)譜信號與參考信號的時域漂移量；所述的反饋控制信號，采用經(jīng)自適應(yīng)濾波后利用比例積分微分反饋控制的方法進(jìn)行計算。
4.一種采用如權(quán)利要求1所述方法的大動態(tài)范圍電子能量損失譜的能量穩(wěn)定接收裝置，其特征在于該裝置包括磁棱鏡電子能量分析器(8)，設(shè)置在磁棱鏡內(nèi)的電子束漂移管(9)，電子光學(xué)控制器(11)，快響應(yīng)能譜探測器(12)，多通道并行能譜探測器(13)，能譜穩(wěn)定控制器(18)以及能譜的顯示、存儲及分析裝置(16)；所述的電子光學(xué)控制器的控制端分別與磁棱鏡電子能量分析器(8)、快響應(yīng)能譜探測器(12)和多通道并行能譜探測器(13)的輸入端相連，并與電子束漂移管(9)的電極相連接；所述的能譜穩(wěn)定控制器包括漂移檢測(19)、反饋控制器(20)和漂移校正譜的累積模塊(21)，漂移檢測模塊的輸出端分別與反饋控制器和漂移校正譜的累積模塊相連，所述的反饋控制器的信號輸出連接電子束漂移管；所述的快響應(yīng)能譜探測器的輸出端分別與所述的能量穩(wěn)定控制器中的漂移檢測和漂移校正譜的累積模塊相連；所述的快響應(yīng)能譜探測器和多通道并行能譜探測器依次設(shè)置在該裝置的光路中，所述的多通道并行能譜探測器的輸出端與能譜的顯示、存儲及分析裝置。
5.按照權(quán)利要求4所述的大動態(tài)范圍電子能量損失譜的能量穩(wěn)定接收裝置，其特征在于所述的快響應(yīng)能譜探測器(12)包括納米馬達(dá)(22)，固定在納米馬達(dá)動片上的線探測器(23)，光電倍增管(25)，置于光電倍增管(25)探測窗前端的用于接收線探測器產(chǎn)生的二次電子的閃爍體(24)，串行采樣掃描信號發(fā)生器(26)，位于線探測器后的解調(diào)制板(27)，將光電倍增管輸出的信號進(jìn)行放大的電流-電壓放大器(28)，用于接收該放大器模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換電路(29)；所述的反饋控制器由自適應(yīng)濾波器(32)、比例積分微分反饋控制模塊(33)以及D/A轉(zhuǎn)換電路(34)組成，漂移校正譜的累積模塊由漂移校正子模塊(35)和譜累積子模塊(36)組成；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的反饋信號，串行采樣掃描信號發(fā)生器的掃描信號和電子光學(xué)控制器的輸出信號輸入信號加法器(17)，信號加法器的輸出連接電子束漂移管；所述的線探測器方向與譜的空間位置分布方向垂直，并且在電子束照射下產(chǎn)生與電子束流強度呈正比例的二次電子。
6.按照權(quán)利要求4所述的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置，其特征在于所述的快響應(yīng)能譜探測器采用基于電荷藕荷的并行能譜探測器或基于光電二極管陣列平行接收器，其采樣周期滿足高強度能譜區(qū)段譜的線性接收；所述的快響應(yīng)能譜探測器的輸出端分別與所述的能量穩(wěn)定控制器中的漂移檢測和漂移校正譜的累積模塊相連。
7.按照權(quán)利要求6所述的大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收裝置，其特征在于所述的反饋控制器由自適應(yīng)濾波器(32)、比例積分微分反饋控制模塊(33)以及D/A轉(zhuǎn)換電路(34)組成，漂移校正譜的累積模塊由漂移校正子模塊(35)和譜累積子模塊(36)組成；所述的D/A轉(zhuǎn)換電路的反饋信號，串行采樣掃描信號發(fā)生器的掃描信號和電子光學(xué)控制器的輸出信號輸入信號加法器(17)，信號加法器的輸出連接電子束漂移管，所述的快響應(yīng)能譜探測器的輸出端通過串行接收緩沖區(qū)(30)分別與漂移檢測模塊和漂移校正子模塊(35)相連。
全文摘要
大動態(tài)范圍能譜的能量穩(wěn)定接收方法與其裝置，屬于能譜測量分析方法和儀器。本發(fā)明對大動態(tài)范圍能譜，提出強信號和弱信號進(jìn)行分段接收的方法，即對能譜的高強度區(qū)段用快響應(yīng)探測器接收，高強度能譜區(qū)段以外的弱信號用多通道并行探測器接收；同時對快響應(yīng)探測器接收的譜信號進(jìn)行漂移檢測，并通過反饋校正實現(xiàn)整個能譜的能量穩(wěn)定接收。通過應(yīng)用上述方法的兩種探測器的協(xié)同作用，在分段采集能譜數(shù)據(jù)的同時穩(wěn)定譜的能量位置，可在更寬的能量范圍，以更高的實際能量分辨率觀察到大動態(tài)范圍能譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，為能譜的定量分析提供技術(shù)保證。
文檔編號G06F19/00GK1769876SQ20051008673
公開日2006年5月10日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者袁俊, 胡澍, 王志偉 申請人:清華大學(xué)