CN101231252B - 消除电子显微镜电子能量损失谱的能量漂移的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种消除电子显微镜电子能量损失谱的漂移的方法及装置，属于能谱测量分析和显微分析领域。该方法通过在电子显微镜1镜筒处的电子能量分析仪2接收电子能量，然后通过串行快响应能谱探测器3将接收到的电子能量损失谱经漂移检测模块5获得能谱漂移量后，将能谱漂移量输入到自适应陷波器6，由自适应陷波器根据信号发生器8提供的参考信号得到下一周期预测量，将预测量变换后输出到电子束漂移管9的电压控制电路或经高低压隔离模块10输入电子显微镜1的高压发生器11。使用该方法及相应装置能够实现对电子能量损失谱接受过程中可能出现的固定窄带频率干扰下能量漂移进行有效抑制。

Description

消除电子显微镜电子能量损失谱的能量漂移的方法及装置

技术领域

本发明属于能谱测量分析和显微分析领域，特别涉及一种消除电子能量损失谱能量漂移的自适应陷波方法及装置。

背景技术

使用电子显微镜观察薄样品时，入射电子将与样品发生多种相互作用，导致电子以一定几率损失不同的能量。如果将出射电子按损失能量的大小在电子能量损失谱仪色散平面上进行强度记数，便可得到电子能量损失谱(E1ectron Energy-Loss Spectrum，缩写为EELS)，图1为标准的电子能量损失谱示意图。电子能量损失谱提供了丰富的试样信息，比如化学成分，化学键合以及固体结构、电子、声子等性质。与透射电子显微镜结合后，电子能量损失谱是纳米尺度下表征材料原位结构、性质的重要手段。

电子能量损失谱仪的普遍特征是具有一个电子能量分散器将电子束中不同能量的电子转化为它们在能量色散面上的空间分布。

根据电子能量分散器的工作原理，有通过正交电磁场分散能量的Wien过滤器，还有通过均匀磁场进行能量分散的Omega过滤器、Alpha过滤器和磁棱镜等(见文献R.F.Egerton，Electron Energy-Loss Spectroscopy in theElectron Microscope，2^nd ed.New York：Plenum Pres s，1996)。而按照电子能量分散器安装位置的不同，还可以分为镜筒内置型电子能量分散器和镜筒后置型电子能量分散器。

在并行电子能量损失谱仪中，不同能量电子在能量色散面上的空间分布经放大成像后由一个平面电子接收器记录成能谱。在串行电子能量损失谱仪中，通过一个电或磁偏转扫描信号，使能量色散面上的不同能量电子依次通过一个狭缝或等效的能量过滤装置后被电子接收器记录成能谱。

理想情况下，能量色散面上的电子能量分布位置固定，即电子能量损失谱的能量漂移量为零。但在外界电磁场或机械振动干扰作用下，能谱将会在能量色散面上发生漂移，但是各区段在能量色散面上的相对位置保持不变。由机械振动引起的能量漂移一般分布在较低频率(0～几百个赫兹)范围内。特别的，由电子能量分析仪引起的本征振动频率一般为几十个赫兹。由电磁波引起的能量漂移主要集中在50Hz工频及其倍频(100Hz，150Hz，......)。

为了提高电子能量损失谱的能量分辨率，Gatan公司的O.L.Krivanek等人曾提出(见美国专利US Patent 5，097，126)通过在高压源出射电子束的路径上放置一个Omega过滤器和一个位置偏移探测狭缝，探测电子束能量偏移信号并直接反馈到高压源的方法。该方法直接对高压源进行稳定，消除了高压源不稳的问题，但是从电子出射后到能谱记录的过程中，机械振动和环境电磁场干扰等其它因素仍然影响了能谱的稳定性，该方法并没有完全解决能量稳定问题。

Hitachi公司的Kaji Kazutoshi等人提出了通过探测电荷耦合装置CCD上电子能量损失谱零峰(见欧洲专利European Patent 1，209，720)漂移以实现能谱稳定的方法。该方法首先规定了零峰的参考位置，每次采集后将能谱的最大值所对应的位置作为该次采集的零峰位置，与参考位置比较后得到能谱的能量漂移量，在此基础上进行反馈控制抑制漂移。由于该方法采用CCD采集能谱，每次能谱采集的时间为几秒至几十秒不等，因此不能用于对较高频率(几十赫兹)能量漂移的抑制。

宾夕法尼亚大学的Pieter Kruit等人(见文献P.Kruit，H.Shuman.Position stabilization of EELS spectra.Journal of Electron MicroscopyTechnique，2(2)：167-169)提出了用荧光屏接收电子能量损失谱，双光电二极管探测器探测零峰位置漂移的方法。双光电二极管探测器将检测到的漂移量放大后反馈至偏转线圈以补偿电子能量损失谱的能量漂移，实现能谱的稳定。该方法将工频60Hz(美国供电频率)干扰幅度降低至原来的1/5。

清华大学的胡澍、王志伟等人(见中国专利200510086736.6)提出了大动态范围的串行并行能谱稳定接收方法。该系统中使用了磁棱镜作为电子能量分散器，采用串行接收方式的快响应能谱探测器接收能谱，并通过漂移检测探测快响应能谱探测器接收的能谱信号，并通过反馈校正实现整个能谱的稳定接收。该系统可实时检测出由于外界干扰等原因导致的能量漂移，能够对一定范围内的干扰信号起到抑制作用，

上述方法的特点是对全频带的干扰信号做能量反馈，因此较难以兼顾不同频率的干扰，需要对反馈回路进行设计以调节反馈增益消除不同频率的干扰。另外，外界干扰具有时变性的特征，设计好的反馈回路并不具有普遍适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在固定窄带频率干扰的情况下，对电子能量损失谱能量漂移进行抑制的方法及相应装置。

本发明所提出的方法，包含以下步骤：

步骤1，将电子能量分析仪2置于电子显微镜1中样品后的镜筒中或镜筒后的合适位置，接收来自于薄样品的透射或样品表面的反射电子束。快响应能谱探测器3置于电子能量分析仪2出口处的能量色散面上，以一定周期T₀重复采集电子能量分析仪出口处电子能量色散面或与电子能量色散面等效位置上按空间分布的一定能量范围内含有样品特征信息的电子能量损失谱；

步骤2，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内对快响应能谱探测器3采集到的电子能量损失谱进行能量漂移检测，获得能谱随时间的能量漂移量；

步骤3，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内将步骤2中获得的电子能量损失谱能量漂移量输入自适应陷波器6，由自适应陷波器6输出下一能谱采集周期的漂移预测量；

步骤4，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内将步骤3中获得的漂移预测量经输出接口模块7转换后，输入到电子能量分析仪2的电子束漂移管15的电压控制电路或经高低压隔离模块10输入电子显微镜1的高压发生器11或其它具有改变电子在能量色散面上位置以抵消能量漂移的模块或装置。

步骤1中所述的一定周期T₀与我们关心的电子能量损失谱能量漂移中的最高干扰频率f_max有关，理论上要求T₀≤1/2f_max

在步骤2中，所述的漂移检测是取某一时刻t₀采集到的能谱作为标准能谱g(x)，例如，以第一次采集得到的能谱作为g(x)，与t₀时刻后采集得到的能谱f(x)，按照公式计算它们的互相关函数，通过改变a的值直至寻找到互相关函数的最大值，该值对应的α值即电子能量损失谱的能量漂移量。

对经过模拟信号至数字信号(A/D)转换的数字化能谱，互相关函数的计算公式为 ${\mathrm{Corr}}_{f,h}\left(m\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1-\left|m\right|}{\mathrm{\Σ}}}f\left(k\right)g(k+m).$

步骤3中所述的自适应陷波器6是使用最小均方根算法(以下简称LMS算法)的有限冲击响应滤波器及其等效装置，该有限冲击响应滤波器或装置可以是数字的，也可以是模拟的。

实现本发明所述方法的装置包含有电子显微镜1、置于电子显微镜1中样品后合适位置的镜筒中或镜筒后的电子能量分析仪2、接收电子能量分析仪2出口处电子能量色散面或与之等效位置上电子能谱的串行快响应能谱探测器3、接收快响应能谱探测器3输出的输入接口模块4、与前述输入接口模块4输出相连接的漂移检测模块5、接收漂移检测模块5输出的自适应陷波器6、接收前者输出的输出接口模块7、向自适应陷波器6提供参考信号的信号发生器8，输出接口模块7的输出端连接电子能量分析仪2的电子束漂移管15的电压控制电路或经高低压隔离模块10输入电子显微镜的高压发生器11或其它具有改变电子在能量色散面上位置以抵消能量漂移的模块或装置。

所述的漂移检测模块5、自适应陷波器6可由计算机软件实现，输入接口模块和输出接口模块集成在一块与前述计算机连接的接口卡上。

所述的漂移检测模块5也可以是一个独立的模拟电路模块，自适应陷波器6也可以是一个独立的模拟电路模块。

本发明所述的方法和装置由信号发生器8提供与干扰源同频率的信号，由自适应陷波器6对这个信号进行处理后，将预测得到的抵消信号波形输出至电子束漂移管9电压控制电路或经高低压隔离模块10输入电子显微镜的高压发生器11以及其它具有改变电子在能量色散面上位置抵消能量漂移的模块或装置，从而实现对固定窄带频率干扰的抑制。

附图说明

附图1，是标准的电子能量损失谱示意图，其中a是零峰，b是等离子峰；

附图2，是数字自适应陷波器的流程框图；

附图3，是模拟自适应陷波器的原理图；

附图4，是本发明提供的能量漂移稳定装置的结构示意图；

附图5，是本发明提供的能量漂移稳定装置的另外一种实现形式的结构示意图；

附图6，是未加入自适应陷波与加入自适应陷波的漂移量对比；

附图7，是未加入自适应陷波与加入自适应陷波的频谱分析对比；

附图8，是未加入自适应陷波与加入自适应陷波的能量漂移分布对比；

附图9，是对图8中加入自适应陷波的能量漂移分布做高斯函数拟合的结果。

具体实施方式

本说明书所提供的具体实施方式是为了进一步说明本发明而提供的实例，相信本领域技术人员可以理解的是，在实际实现时，能够在不违反本发明实质内容的情况下有多种类似的实现方式。

实施例1

请见图1-5，本实施例通过下述步骤实现：

步骤1，置于电子显微镜1镜筒后方的电子能量分析仪2(Gatan 607serial EELS)接收电子显微镜1出射的电子束后，通过电子能量分析仪2内部的磁棱镜14使电子束发生90°偏转，从电子能量分析仪2出口处射出，这部分电子束由快响应能谱探测器3(DM0045C Photodetector module with9113B，Electron Tubes Ltd.)以串行方式接收电子能量损失谱，关于串行方式接收的详细描述参见申请号为200510086736.6的中国专利申请中串行方式接收部分。快响应能谱探测器3的线探测器为钨丝，钨丝位于能量分析仪2出口处，接收出射电子能量。钨丝接收电子能量后散射出部分二次电子，散射电子由闪烁体接收后发出光子，这些光子被光电倍增管接收，产生放大电压，形成时域上的连续电压信号。

在电子能量分析仪2后方产生的电子能量损失谱是按照空间分布的，但是通过在电子能量分析仪2内的电子束漂移管15或磁棱镜14扫描线圈上分别通以周期性的电压或电流，就可以使电子能量损失谱出现周期性的平移，而这个周期性电压或电流的频率，就称为扫描频率。周期性电压或电流由独立的外置信号发生器(Sony AFG 320与信号放大电路)提供。扫描频率主要受到电子束漂移管15和扫描线圈的响应速度制约，本实施例为方便选取了100Hz。快响应能谱探测器3采集得到的电子能量损失谱一般如附图1所示。

步骤2，将National Instruments PXI-8196Real Time嵌入系统中数据采集模块的输入端与快响应能谱探测器3的光电倍增管通过航空线连接，接收光电倍增管输出的电压信号，并将其A/D转换成为可供计算机直接处理的数字信号，在这里值得注意的是，数据采集模块也是以一定点数采集光电倍增管输出的电压信号，一个能谱可以用1000个点表示，也可以用2000个点表示，点数越多，能谱表示越精确，但是对计算机的运算要求也越高。本实施例固定采用1000个点来表示一张能谱。

将能谱采集的各参数调整到最优状态，将某一时刻t0采集的能谱(用户可以控制设定开始采集时间)作为标准能谱，将标准能谱的数据和当前采样周期采集的能谱数据输入到PXI-8196的内置计算机或外部的计算机，PXI-8196的内置计算机或外部计算机都安装有NI公司LabVIEW软件(LabVIEW软件是NI公司开发的、世界上最流行的虚拟仪器开发软件包，通过该软件包结合普通的计算机和与该计算机相连接的输入/输出接口板，即可根据需要随意产生所需要的信号分析和测量仪器，该仪器的测试和处理范围宽度仅取决于接口板的最高采样频率、数模(A/D)和模数(D/A)变换精度、以及计算机的运算速度)，漂移检测模块5是通过LabVIEW软件实现的，由LabVIEW软件中内置的相关联(Cross-Correlation)软件模块计算两个信号的离散互相关函数，具体计算步骤入下：(1)Cross-Correlation软件模块接收两个能谱信号的序列值，输出两个信号的离散互相关函数，将互相关函数存储在一个数组中，(2)根据输入的信号长度确定一个N值，在本实施例中，能谱用1000个点表示，则N＝999，(3)m由-N+I取到N-1，每个m与数组中储存的离散互相关函数的函数值对应，(4)对离散互相关函数求最大值所对应的m值，得到电子能量损失谱的能量漂移量。

步骤3，信号发生器8由LabVIEW内置的信号发生器软件模块实现，信号发生器8产生参考信号，该参考信号的频率与要消除的干扰信号频率相同，形式为一个(或多个)正弦信号及与之相差90度相位角的一个(或多个)余弦信号。如为了消除供电系统的工频干扰，则产生50Hz的数字正余弦波信号，将参考信号和步骤2中获得的能谱飘移量输入自适应陷波器6，在本实施例中，自适应陷波器6是由LabVIEW软件编程的基于LMS算法的有限冲击响应滤波器模块，由该有限冲击响应滤波器软件模块计算后得到输出信号，该输出信号意味着下一周期中干扰信号最可能的数值，即预测量。

自适应陷波器

为使本领域技术人员更好地理解数字自适应陷波器6，下面介绍一下数字自适应陷波器6的原理。请见附图2，本发明中，数字自适应陷波器6为有限冲击响应数字滤波器结构，对于p阶数字有限冲击响应滤波器，定义第n个采样周期时数字滤波器的参数为

若滤波器输入信号为x(n)，则数字有限冲击响应滤波器的输出信号为y(n)，两者之间满足y(n)＝w_n(0)x(n)+w_n(1)x(n-1)+...+w_n(p)x(n-p)的关系。若写成传递函数的形式，数字自适应陷波器6满足：

$W\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}=w_n\left(0\right)+w_n\left(1\right)z^{-1}+...+w_n\left(p\right)z^{-p}$

其中W(z)为数字自适应陷波器6传递函数，Y(z)与X(z)为输入信号x(n)与输出信号y(n)的Z变换；

参考信号v′(n)是与总漂移信号v(n)相关的一个或多个参考输入信号，与总漂移信号具有相同的采样频率；

预测输出信号f(n)为参考信号v′(n)经过数字自适应陷波器6的结果，因此满足关系

f(n)＝w_n(0)v′(n)+w_n(1)v′(n-1)+...+w_n(p)v′(n-p)

预测输出信号经过D/A转换后，输出以稳定能谱。

误差信号e(n)为总漂移信号v(n)与预测输出信号f(n)之差值，即e(n)＝v(n)-f(n)。误差信号作为反馈校正量输入至数字自适应陷波器6以校正滤波器参数。

自适应陷波器6的参数更新迭代关系为

参数更新

可用不同的迭代算法计算。

以消除单一固定窄带频率f₀的干扰信号为例，具体阐述数字自适应陷波方法的工作过程。首先选择两路与干扰信号相关的参考信号，分别为Csin(2πnf₀T_s+δ)和Ccos(2πf₀T_s+δ)，其中n为第n个采样周期，T_s为干扰信号的采样周期，δ为相位差，可任意选择。因此，数字自适应陷波器6的预测信号输出为f(n)＝w_n(0)Csin(2πnf₀T_s+δ)+w_n(1)Ccos(2πnf₀T_s+δ)。实际干扰信号与预测信号输出的差值为e(n)。以采用最小均方根(Least Mean Square，LMS)算法为例，数字自适应陷波器6的参数迭代过程按下式计算：

w_n+1(0)＝w_n(0)+2μe(n)Csin(2πnf₀T_s+δ)

w_n+1(1)＝w_n(1)+2μe(n)Ccos(2πnf₀T_s+δ)

其中参数μ是一个保证滤波器参数

收敛的参数。通过以上过程的反复迭代，即可实现对单一窄带频率为f₀干扰信号的抑制。当然本发明不只限于采用LMS算法，还可以使用收敛性和鲁棒性更好的变步长LMS算法等其他算法。若采用变步长LMS算法，自适应陷波器6的参数自适应更新过程与LMS算法相同，但参数μ由固定取值变为一自适应参量。自适应迭代步骤为μ_n+1＝αμ_n+γe²(n)，其中α和γ为固定参数，0＜α＜1而γ＞0。实际应用中，可将自适应陷波器6具体分成三个模块，信号发生器8用于产生参考信号，参考信号作为有限冲击响应滤波器的输入值；陷波器模块由有限冲击响应滤波器构成，参考信号经过滤波后输出的是预测信号；误差接收模块用于接收预测信号与实测信号之间的误差，以不断地实时调整陷波器参数以使预测的结果更接近实际情况。

如果外界具有多个干扰，比如说N个，则可将这N个外界干扰信号分解为2N个正余弦信号，作为多路输入信号输入至2N阶的自适应陷波器6，自适应陷波器6的输出为预测量。

步骤4，将步骤3产生的预测量经过PXI-8196中接口板的输出模块，将数字量变为电压信号输出至能量分析仪2内的电子束漂移管的电压漂移控制电路(如图4)，或经高低压隔离模块10输入电子显微镜的高压发生器11(如图5)，使预测量抵消干扰信号产生的扰动，从而实现消除电子显微镜电子能量损失谱能量漂移的目的。

在实施例1中，输入接口模块4和输出接口模块7是集成在PXI-8196的接口板上的。

实施例2

步骤1，同实施例1。

步骤2，将步骤1快响应能谱探测器输出的电压信号通过输入接口模块4输入到漂移检测模块5，漂移检测模块5是一个使用积分运算器构成的模拟互相关函数运算器，该运算器的输出即为能量漂移量。

步骤3，将步骤2中的能量漂移量输入模拟自适应陷波器6中，同时将信号发生器8产生的参考信号也同时输入到前述的模拟自适应陷波器6中，模拟自适应陷波器6中输出的电压信号即为预测量。

采用模拟算法实现自适应陷波器6的原理与数字自适应陷波方法类似，选择的参考信号为两路与干扰信号相关的信号：Csin(2πf₀t+δ)与Ccos(2πf₀t+δ)，参数自适应迭代过程是将数字自适应陷波器6的离散迭代过程用积分过程进行如下替代：

$w_t\left(0\right)=w_0\left(0\right)+2\mathrm{\μ}{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)C\sin (2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\τ}+\mathrm{\δ})\mathrm{d\τ}$

$w_t\left(1\right)=w_0\left(1\right)+2\mathrm{\μ}{\∫}_0^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)C\cos (2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\τ}+\mathrm{\δ})\mathrm{d\τ}$

检测得到的能量漂移量将作为自适应陷波模块的误差输入。模拟自适应陷波器同样可对多个固定窄带频率干扰信号进行抑制，方法与数字自适应陷波器实现方法类似。

图3给出了模拟自适应陷波器的原理框图，其中两个乘法器12位于积分器13两侧，参考信号v’(t)是与总漂移信号v(t)相关的一个或多个参考输入信号；误差信号e(t)为总漂移信号v(t)与自适应陷波器的预测输出信号f(t)之差值，即e(t)＝v(t)-f(t)。误差信号e(t)作为反馈校正量输入至自适应陷波器以校正滤波器参数。

关于模拟自适应陷波器6的原理与结构更详细的描述，可参见石油大学学报(自然科学版)1991年，第15卷，第5期85-91页刊登的论文《模拟自适应陷波器的原理与实现》。

如果外界具有多个干扰，比如说N个，则可将这N个外界干扰信号分解为2N个正余弦信号，作为多路输入信号输入至2N阶的自适应陷波器，最后自适应陷波器6的输出为预测量。

步骤4，将步骤3中生成的预测量经输出接口模块7输出到电子能量分析仪2内的电子束漂移管15的电压漂移电路，或经高低压隔离模块10输入电子显微镜1的高压发生器11，使预测量抵消干扰信号产生的扰动，从而实现消除电子显微镜电子能量损失谱能量漂移的目的。

请见图6-9，实际测试结果表明，使用本发明提出的方法及相应装置，对干扰中的固定窄带频率，取得了良好的消除效果，提高电子显微镜电子能量损失谱的测量精度。

Claims (5)

1.一种消除电子显微镜的电子能量损失谱的能量漂移的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，将电子能量分析仪(2)置于电子显微镜(1)中样品后合适位置，接收来自于薄样品的透射或经样品表面反射的电子束；快响应能谱探测器(3)置于电子能量分析仪(2)后的能量色散面上，以一定周期T₀重复采集电子能量分析仪出口处电子能量色散面或与电子能量色散面等效位置上按空间分布的一定能量范围内的电子能量损失谱；

步骤2，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内对快响应能谱探测器(3)采集到的电子能量损失谱进行能量漂移检测，获得能谱随时间的能量漂移量；

步骤3，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内将步骤2中获得的能谱的能量漂移量输入自适应陷波器(6)，由自适应陷波器(6)输出下一能谱采集周期的漂移预测量；

步骤4，在步骤1所述的每个能谱采集周期T₀内将步骤3中获得的漂移预测量经输出接口模块(7)转换后，输入到电子能量分析仪(2)的电子束漂移管(15)的电压控制电路或经高低压隔离模块(10)输入电子显微镜(1)的高压发生器(11)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中所述的自适应陷波器(6)为使用LMS算法的有限冲激响应滤波器。

3.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，包含有电子显微镜(1)、置于电子显微镜(1)镜筒中或镜筒后的电子能量分析仪(2)、接收电子能量分析仪(2)出口处电子能量色散面或与电子能量色散面等效位置的电子能谱的快响应能谱探测器(3)、接收快响应能谱探测器(3)输出的输入接口模块(4)、与前述输入接口模块(4)输出相连接的漂移检测模块(5)、接收漂移检测模块(5)输出的自适应陷波器(6)、接收自适应陷波器(6)输出的输出接口模块(7)、为自适应陷波器(6)提供参考信号的信号发生器(8)，输出接口模块(7)的输出端连接电子能量分析仪(2)的电子束漂移管(9)的电压控制电路或经高低压隔离模块(10)输入电子显微镜的高压发生器(11)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的漂移检测模块(5)、自适应陷波器(6)均由计算机软件实现，输入接口模块(4)和输出接口模块(7)一起集成在与前述计算机连接的接口卡上。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的漂移检测模块(5)是一个独立的模拟电路模块，自适应陷波器(6)是一个独立的模拟电路模块。

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