CN103887134B - 带集成探测器的电子显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种电子显微镜，包括用于容纳待分析样本的真空室，包括电子源和用于聚焦从电子源发出的电子的最终形成探针的透镜的光学柱，位于真空室中、形成探针的透镜下方用于保持样本的样本台，以及位于真空室中的X射线探测器。X射线探测器包括对X射线敏感的固态传感器和用于在真空室中支持及定位探测器包括传感器的机械支持系统。机械支持系统整体容纳在真空室中。多个不同类型的探测器可在真空室中支持在机械支持系统上。机械支持系统也可包括至少一个用于热电冷却X射线传感器的热电冷却元件。

Description

带集成探测器的电子显微镜
本申请是申请日为2010年5月14日、申请号为201080031592.3、发明名称为“带集成探测器的电子显微镜”的发明专利申请的分案申请。
交叉引用
本申请依据提交于2009年5月15日的美国临时申请No.61/216,290，标题“ELECTRON MICROSCOPE WITH INTEGRATED DETECTOR(S)（带集成探测器的电子显微镜）”，其整体通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明涉及半导体X射线辐射传感器在扫描电子显微镜（SEM）或类似的分析电子束仪器中的集成，可选与背散射电子传感器结合。本发明涉及配置探测元件和显微镜以便实现在构造的性能和经济性上的改进以及其它益处的新颖方法。
背景技术
安装固态能量色散X射线（EDX）探测器到电子显微镜上首先由菲茨杰拉德（Fitzgerald）、凯尔（Keil）和海因里希（Heinrich）在1968年报告。所描述的探测器类型是从电子探针微分析仪（EPMA）的端口引入的锂漂移硅（Si(Li)）二极管。这种探测器很快被商业化，且这种同样通用类型的单元已被安装在许多种电子显微镜（EM）上，著名地包括电子探针微分析仪（EPMA）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）。尽管该技术多年来经过很大改良，EDX单元本身保留了最早模型的某些重要特征。
图1是常规Si(Li) EDX探测器单元60的图示。有源传感器元件1是Si(Li)二极管，紧邻其安装的是传感器的场效应晶体管（FET）2，该场效应晶体管（FET）2 将传感器元件产生的电流脉冲放大。传感器元件和FET都安装在热传导杆3的前端，热传导杆3在其后端与容纳于被称为杜瓦瓶（dewar）的绝热容器中的液氮储存器4热接触。热传导杆（“冷指”）、传感器二极管和FET都封闭在管状密封包壳5中，该管状密封包壳5保持在高真空，既最小化热传递，又将传感器保持在清洁状态。管状密封包壳的前端用薄窗6闭合，该薄窗6允许X射线到传感器的正面而保持内部真空。由于若要实现可接受的能量分辨率需要传感器元件和FET保持在低温，液氮（LN）储存器4是常规Si(Li)探测器设计中的必要的方面。常规地称为“前置放大器”的电路集合接收并进一步放大接收自传感器FET2的信号，也提供额外的电子功能以支持传感器运作。为了实现完整EDX系统，将用额外的电子部件增补图1的探测器单元。这些部件常规地提供必需的电力、接收自前置放大器61的波形的数字化、作为结果的X射线波谱的收集和显示以及波谱分析功能。这些额外的支持部件在本领域已知，且不是本发明的关注点。
图2示意地示出了常规Si(Li) EDX探测器单元60安装在常规SEM或EPMA（二者为实体上相似的仪器）上的方式。EDX探测器单元安装在法兰7上，该法兰7被螺栓固定在电子显微镜的样本室8上通常为这种使用而设置的若干端口之一上。于是，EDX探测器60的传感器端被带至紧邻样本9（位于样本台9'上），以便截取在聚焦电子束10的作用点发出的X射线。电子束由电子光学“柱”11产生。背散射电子（BSE）探测器62通常安装在电子柱11的最终聚焦透镜11'下方。为本图示的目的，样本室8示为一侧打开，但在使用中，样本室必须密封且抽空（并从而被替换地称为“真空室”）。因此，探测器单元60的探测器管5必须在法兰7处真空密封，探测器管5在该处穿过真空室壁。通常这涉及给管外部径向O形密封圈，典型地，其设计为滑动密封使得可改变插入与样本有关的探测器。于是，圆柱状管5、法兰7和“冷指”3以相辅的方式起作用，来支持传感器元件1在其与样本的期望关系中。这个支持系统能以多种方法配置，但实体上被安装在真空室8外部的法兰7锚固。
上面的图和说明以非常笼统的方式描述了Si(Li) EDX探测器的标准设计以及其安装在SEM/EPMA类型的电子显微镜上的方式，在该SEM/EPMA类型中，承载大块样本的样本台9'位于最终形成探针的透镜11'的下方，该最终形成探针的透镜11'构成电子光学柱11的底部元件。类似设计的Si(Li)探测器也被使用在STEM/TEM类型的电子显微镜中，在该STEM/TEM类型中，小的电子透射样本被支撑在物镜的间隙。尽管某些专门考虑可能涉及用于STEM/TEM类型仪器的EDX探测器，那些探测器在过去的实践中也大体遵循图1所示构造的原理。
设计EDX探测器到SEM/EPMA类型的电子显微镜（其是题述发明的领域）的接口，存在若干影响探测器性能的重要考虑：
(a)期望大的探测立体角，以便最大化在给定束流和测量时间下可实现的探测到的X射线数目（并由此最大化统计精度）。
(b)期望大的射出角，以便最小化在受激X射线从样本表面下的源点出射时的吸收影响。
(c)通过将探测器同轴地对准在样本上的预期束冲击点来便于探测到的X射线的最佳准直。这样的准直确保仅传感器的均匀响应区域用于探测，且源于杂散电子的X射线被排除。
因此，在“理想的”状态，传感器元件将位于非常靠近样本，同时其轴线对齐预期束冲击点，并以大射出角倾斜。然而，也期望显微镜的聚焦透镜紧邻样本，对于需要背散射电子探测器的许多应用还期望BSE探测器的样本视野不应模糊。于是，聚焦透镜下的空间既小又拥挤，这限制了理想探测器几何形状的达成。此外，样本室的实体布置，诸如进入门和备用端口的存在，将在限制探测器放置的地点和方式中起巨大作用。
可以认识到，以上考虑，在结合热接合Si(Li)传感器到外部低温冷却器这个高于一切的必要，形成了传统EDX探测器单元到图1所示的常见管状安装配置（其有时被描述性地称为“杆上传感器”）的演变。反过来，这种管状安装配置的标准化也影响了必然特别为安装这样的探测器而配置的电子显微镜的设计。由于X射线探测器过去一直由一群供应商设计及制造，而电子显微镜由另一群设计及制造，违背此常见模型并未引起任一群的兴趣。
在过去十年间，EDX探测器的技术已被无需低温冷却的高效能X射线传感器的引入而彻底改变。此类探测器的主要现行实施例是所谓“硅漂移探测器”（SDD），其操作描述在科学文献中。这些装置实现大致优于Si(Li)探测器的分光性能，而处在可用基于珀尔帖原理的小的热电冷却器方便实现的温度。
图3示出了如当前可从这种装置的制造商（德国慕尼黑的PNDetector GmbH）购得的封装的SDD模块。在这样的模块中，SDD传感器元件12是通过半导体工艺制造的小的平面“芯片”。SDD传感器芯片安装在附接于外壳底座14的小的TEC装置13的冷面。导热立柱15与TEC装置的热侧热接触，并充当外部“汇点（sink）”附件，TEC产生的热通过其从模块被移除。准直板16典型地安装在SDD传感器元件12之前，以便仅允许X射线撞击预期的有效区域。外壳帽17密封到外壳底座14。外壳帽17的前面用薄窗18闭合，该薄窗18允许X射线进入并撞击SDD传感器元件12。外壳底座14设置有一列电连接引脚19，电力和控制信号可通过其提供给传感器和TEC，且输出信号可通过其提取（这些引脚到内部元件的连接从图中省略）。可经由输出引脚得到的信号之一是TEC模块13的前面温度，该信号允许外部电路为传感器元件12调节恒定的工作温度（此调节所需的温度传感器在图中未示出）。外壳底座14典型地依据已在电子工业使用的用于安装多种类型装置和传感器的“TO-X”惯例来配置（例如TO-8情况）。整个模块全密封，且可被抽真空或充填在降低的压强下的惰性气体。
放大传感器弱电流脉冲的FET仍是SDD装置的关键部件，且必须位于紧邻其阳极，正如对于Si(Li)技术。然而，并非将FET2作为如图1所示的分立元件实施，一个SDD传感器制造商将FET电路集成到与传感器本身同一个半导体模12中，而这是图3所示的装置类型。其他制造商将分立FET安装在紧邻阳极。然而，不管FET是集成的还是分立的，应当理解的是FET与SDD传感器相关联。
对实施基于SDD技术的X射线探测器，无需使用在此图示的封装的SDD模块。实际上，相信至少一个EDX探测器单元制造商将传感器模块的非封装的原件直接放置在冷指的端部并将其封闭到抽空的管，这样很接近地反映图1所示的Si(Li)探测器的常规构造。存在涉及安装和封装SDD传感器的专门技术和专门设备，并且迄今为止，多数X射线探测器制造商已选择从这种模块的专门供应商之一购买预封装的模块。因此，对此讨论的剩余部分，将假设使用诸如图3所示的封装的SDD模块。然而，显然题述发明教导的同样的原理可同样地应用于从非封装部件组装的探测器的构造。
为了使图3的封装的SDD模块成为起作用的X射线探测器单元，其必须设置有若干东西：
1)电源和控制信号，用于操作SDD传感器及其结合的FET。
2)前置放大电路，用于放大来自传感器FET的弱信号以便产生可被量化的强波形。
3)温控电子设备，其积极地调节提供给内部TEC元件13的电力以便保持SDD传感器元件12的期望工作温度。
4)机械元件，用于在与样本的所需附近支持模块。
5)到温度足够低的散热器的热路径，热立柱15可对其放出模块产生的热。
迄今为止，商业SDD探测器已在很接近地模仿传统Si(Li)探测器形式的封装中实现了这些预备。图4示意地描绘了采用封装的SDD模块的常规SDD探测器。封装的传感器模块20附接到适当的导热杆或管21的前端，导热杆或管21的后端以结合在真空室外部的探测器的主体中的热耗散机构终结。外壳管71封闭导热杆21并提供密封表面，探测器凸端在穿过附接到显微镜的安装法兰（例如图2的法兰7）时通过该密封表面保持真空密封连接。绝热元件72提供外壳管71对导热杆72的热隔离，同时提供机械支持。结合在真空室外部的探测器的主体中的热耗散机构可采用多种形式（例如，在一个已知情况中，采用了冷水冷却器）。在图示的特定情况中，导热杆21以板73终结，该板73接触第二TEC元件22的“冷”侧。第二TEC元件22的“热”侧接触气冷式散热器23，第二TEC元件产生的热通过该气冷式散热器23耗散到环境中。这个散热器，装备着便于对流的翅片或类似结构，典型地集成到探测器单元的外盒中。此盒中容纳一批电子电路元件24，其操作探测器和第二TEC元件并提供“前置放大器”功能。当然，以上是完整SDD探测器的内部部件的非常宽泛的说明，且受细节变化影响，但尽管如此也大致符合由常规Si(Li)探测器建立的先例：
- 首先，显然此常规设计遵循LN-冷却Si(Li)探测器的先例，在于传感器通过在直管状元件的端部插入样本室被带至接近样本，该直管状元件的形式和功能与常规Si(Li)探测器所采用的相当。
- 其次，常规SDD单元的热力循环继续利用与Si(Li)探测器的热力循环所采用的相同的“冷指”策略。尽管其在SDD中的作用是作为嵌入式TEC冷却器13所需的排热管道，而不是像对于Si(Li)那样直接冷却传感器，在两个情形下冷指都提供到与样本室隔离的外部热耗散汇点的热连接。
- 最后，类似Si(Li)探测器，常规SDD探测器是通过支持系统放置传感器的模块化元件，包括管状外罩，该管状外罩又从外部由附接到电子显微镜的真空室的法兰锚固。
简而言之，在从Si(Li)传感器技术到SDD传感器技术的过渡中，探测器制造商有效地保持了常规探测器设计，伴随着替换：(a)SDD模块取代Si(Li)二极管和(b)典型为TEC模块和气冷散热器取代LN杜瓦瓶。这已是对EM制造商和EDX探测器制造商都相当合理的迁移途径，因其保持了Si(Li)探测器的常规形式而这就与过去和现在的显微镜设计的兼容性而言具有许多商业好处。然而，此常规做法未利用由与无需低温冷却的X射线探测器关联的变更约束创造的机会实现性能和成本降低的改进。
现有技术
以上背景已说明Si(Li)和SDD类型的常规EDX探测器的大致原理和做法，以及这种探测器安装到常规设计的电子显微镜的做法。现有做法已试图以多种方式优化这些原理和做法，现将描述这些方式。
大面积探测器
收集效率是EDX探测器最重要的特性之一，因其指示测量的速度和精度。用于改善收集效率的一个显而易见的策略是增大传感器有效面积，从而增大立体角。对于Si(Li)探测器，此策略被探测器噪声和有效面积之间的直接关系限制，意味着分辨率随探测器尺寸增加迅速降低。因此，具有大于30mm2有效面积的Si(Li)探测器已很少在EM应用场合中使用。另一方面，SDD探测器的技术很大程度上消除探测器面积与噪声特性间的相互影响，使得SDD性能被这种类型传感器的有效面积影响小很多。因此，80mm2的SDD探测器单元现被发售给电子显微镜应用场合，且面积高达100mm2的适当的封装的传感器模块是商业供应的。尽管这种在探测器尺寸的增加肯定在某些方面有利，其也有缺点，特别是在常规管状安装EDX设计的背景下。探测器管的直径必须容纳传感器装置的尺寸，且带着用于安装和连接的容差，而此增加的管直径限制探测器的最优放置。由于避免与最终聚焦透镜、BSE探测器及样本干涉的必要，较大直径的探测器必须有点缩回和/或操作在较小射出角。为避免这些后果，有必要增大样本到最终聚焦透镜表面的工作距离，而这又对显微镜的光学性能不利。因此，可认识到当增大的探测器立体角伴有探测器管直径增加时，折中和收益递减因而发生。
除了这样的几何形状考虑之外，通过增大探测器面积提高探测效率在大通量X射线撞击探测器时产生其它问题。装备有现代电子设备的SDD探测器可探测速率超过100,000事件/秒的X射线。然而，在这样的高速率，也存在增加的“加和事件”可能性，在该事件中两个不同的X射线发射在时间上彼此太接近地到达探测器，以致于其不能被区分为分开的事件。此效应在测得的X射线波谱中导致“加和峰值”和其它假象，而这又产生有关精确分析的问题。因此，操作在紧邻样本的大面积探测器对X射线速率低的分析的情况可以是有利的，但在速率高时有问题。当然，X射线探测速率总能通过降低电子束强度从而减少产生的X射线数目或者通过拉回探测器以便减小立体角（许多探测器正是为此原因安装在滑块上）来降低。然而，运用这些策略中的任一个趋向于击败大面积探测器这点，且当样本既有高发射区域又有低发射区域时这些策略都不是最优的。
最后，存在其它与非常大面积的X射线传感器关联的更细微的问题。一个是大的感应面积使得更难以使X射线路径准直以接收从束作用点发射的X射线并排除由杂散电子撞击别处产生的那些。并且，尽管SDD探测器的能量分辨率在传感器面积增大时不像Si(Li)探测器那样显著降低，在SDD装置的当前阶段仍存在一些分辨率损失。且最后，分光品质的大面积SDD传感器现在基本上比小装置更昂贵。
因此，通过增大传感器元件面积来提高X射线探测效率在一点上是切实可行的选择，然后其它因素越来越多地削弱其吸引力。
多个探测器
一个提高X射线探测效率的可选方式是使用多个探测器。这有时随Si(Li)探测器使用在X射线收集速度非常重要、显微镜装备有适当的安装端口且高成本有保证的专门应用场合。由于此策略对每个传感器元件利用独立的计数电子设备组，可实现此策略用于大大增加有效探测立体角而不使加和事件问题恶化。
也不断增长地认识到，多个探测器不仅提供更大灵敏度，也便于非平坦样本（诸如颗粒样本或断裂表面）的分析，在非平坦样本的分析中，地形影响（例如遮蔽）可经由单个探测器产生误导性的结果。此外，去除笨重的液氮杜瓦瓶已使安装多个探测器更可行。由于以上原因，行业内使用多个EDX探测器的兴趣一直在增长，且已设计考虑到此预备的特定SEM单元。
多元件传感器阵列
为了获得多个探测器的好处而不激增电子显微镜上的端口的一个可使用的策略是在单个探测器外壳中结合多个传感器元件。这对SDD传感器是有吸引力的选择，因其经由半导体光刻技术制作。因此，制造在同一模具中接合多个传感器元件的SDD阵列相对简单，且这种多元件传感器阵列对于集成到X射线探测器单元是商业上可获得的。特定的商业探测器单元安装一个有四个10mm2传感器元件的阵列在单个探测器管中，其中阵列垂直于管的轴线，且给每个传感器提供其各自的电子处理通道。在此方式中，单个探测器提供与40mm2传感器相当的探测立体角，而由于并行处理电子设备，单个探测器能保持比这个尺寸的单一元件探测器高许多的计数速率。然而，由于这种阵列的固有尺寸，这种探测器需要尤其大的安装管，而由于从样本后缩，从而又牺牲了一些灵敏度。因此这种类型探测器最适合使用高束流且高计数速率比高灵敏度更重要的应用场合（例如EPMA分析）。
多元件传感器阵列概念的另一个商业变体围绕中心孔布置传感器元件。当作为用于电子显微镜的探测器实施时，传感器阵列结合在平坦外壳中，外壳带有用于束的中心通道。外壳插在电子显微镜的最终聚焦透镜之下，紧邻样本之上，使得效果是四个传感器排列在束的轴线周围的效果。此布置可产生非常有利的探测立体角，并从而提供高灵敏度，以及用于分析粗糙样本的对称探测器阵列的好处。然而，此传感器占据通常为BSE探测器保留的位置，从而其不适于需要高质量BSE信号的许多应用场合。也值得注意的是，这种类型商业探测器单元的单个当前例子将阵列附连到从样本室的侧端口插入的管的端部，从而衍生常规管状端口安装配置的变体。
显然，多元件SDD装置可以是用于实现更高计数速率的非常有效的方法。这种探测器结合大面积探测器和多个探测器二者的一定优势，但其目前是相当昂贵的装置，其特别的接口需求对某些显微镜中的安装呈现了挑战。结构上，其用于SEM类型仪器的实施例已实施为常规模块化管状安装探测器几何形状的直接延伸。
入口窗和电子阱考虑
X射线窗6或18全密封探测器，同时允许X射线进入。有两种不同的基本窗类型被采用：铍窗相对便宜且粗糙，但对低能X射线不透明。因此，铍窗（BeW）探测器对测量在周期表中低于氟的元素一般没用。超薄窗（UTW）由透射低能X射线的薄材料制作，从而允许探测低至铍的元素。然而，UTW探测器需要磁电子阱来防止高能散射电子穿透X射线窗并撞击传感器，从而破坏测得的X射线波谱。由于在这种阱中使用的永磁体的强度被可用的磁体技术限制，这种阱的孔面积的增加必然导致削弱的偏转场强，而所需偏转量同时增加。于是，唯一出路是增加阱深。尽管有新颖的构建，由于增加的电子阱深，带有大面积传感器的UTW探测器必须因此比更小面积的传感器从样本后移更多。此考虑对单一元件传感器和多元件传感器阵列都适用，且当需要轻元素探测时对可达到的立体角可构成显著的限制。
传感器倾斜的探测器
传感器倾斜的探测器在EDX技术早期曾相当普遍遇到，因为当时电子显微镜尚未为安装高射出角探测器而设计。许多过去的SEM仪器具有平坦底部光学系统（而不是图2所示的截锥体样式），且进入端口定位成与极片底部平行。为了适应这种几何形状，Si(Li)二极管元件以一个角度安装在探测器管中，使得管在极片下水平伸出，而传感器轴相对于样本倾斜。此策略对小面积探测器运作相当良好，但当传感器尺寸增加时变得笨重。因此其长久来对SDD类型探测器有有限的使用。此类型安装的相对不受欢迎可很大程度上归因于在常规管类型安装中以非轴向方向安装大面积传感器或传感器模块的难度。
常规X射线探测器技术总结
从以上现有技术讨论中可看出许多想象的方法已被应用到配置EDX探测器的挑战中以优化性能。SDD技术的引入在大面积传感器和多个传感器单元方面提供了新的可变因素。然而，在EDX发展的40年间，且持续至今，存在某些根本没有变的东西。这些包括：
1.“杆上传感器”形式，由此，传感器安装在延伸入样本室的直杆或管的端部。
2.模块化的端口安装的布置，由此，探测器是从显微镜分立的实体并经由附接到外部端口被支撑在样本室中。
3.冷指方法，其中传感器通过贯穿显微镜的真空外壳的铜棒、热导管或类似导热杆来冷却。
4.外部冷源方法，其中从显微镜本身分开且工作在环境温度或低于环境温度的“汇点”结合在位于显微镜样本室外部的探测器主体中。
5.外部电子设备方法，其中操作探测器所需的全部工作电子设备（除了传感器关联的FET）都位于真空室外部。
6.X射线探测器的模块性，其将每个探测器单元作为单独实体实施，区别于也在电子显微镜中使用的显微镜和其它探测器。
以上常规中的许多直接或间接地源于与对用于冷却Si(Li)传感器的LN储存器的需求关联的实际考虑，该需求是与SDD传感器技术不再相关的约束。同时，关键SDD传感器技术作为封装的模块的可用性使得电子显微镜制造商以非常规方式利用此技术更加可行。然而，就X射线探测器和电子显微镜配置以及涉及行业在探测器制造商和显微镜制造商的分隔的商业因素而言，长期存在的常规已作用为抑制将违背长期接受的常规的创新。在此背景下，本发明者已获益于在几十年参与X射线探测器发展和电子显微镜发展中产生的独特视角，且已能在本文公开的综合方法中察觉独特机会。
发明内容
本发明教导了设计电子显微镜的新方法，其中一个或多个能量分散传感器直接集成到显微镜结构中，从而实现许多重要好处。教导的方法对SDD技术直接可用，但对无需液氮冷却的其它类型固态X射线传感器（诸如PIN二极管或CCD装置）也可用。这些发明的精髓在于抛弃“杆上传感器”配置，该配置是过去和现在的常规管状安装设计的X射线探测器的特征。相反，示出了X射线探测器功能如何有利地集成到EM本身的结构中。也示出了一些在此公开的创新设计元件如何也有利地应用在设计新颖的端口安装的探测器的背景下。
主题创新特别针对的电子显微镜类型是一种SEM/EPMA类型，其中样本台位于最终聚焦透镜外部及下方。然而，本文教导的创新的一些有利方面也可用于其它配置的电子显微镜。
主题发明的实质是通过将传感器元件直接结合到SEM/EPMA类型的电子显微镜的样本室中来偏离常规X射线探测器的传统“杆上传感器”（管状安装）几何形状。这样，主题发明将X射线探测器作为显微镜本身的内部部件实施，而不是作为从外部插入的独立模块。此新方法有若干有利特征：
1.其允许传感器相对于样本的更优化放置，因传感器无需位于从显微镜外部的安装表面插入的直杆或管的端部。
2.其允许显微镜的更优化设计，因几何形状不被在传感器期望位置和外部端口之间提供笔直路线的需求限制。
3.通过排除大量与管状安装关联的空间“架空”，其允许传感器元件离样本更近，从而允许用较小且较便宜的传感器实现大传感器的优点。
4.其更加容易且经济地支持探测器多样性，因不需为每个提供独立端口，并且可分享某些能力（诸如热力循环和电子连接）。
5.其便于X射线探测器与其它探测器类型（例如BSE探测器）的更加灵活且优化的集成。
6.其允许关于热管理采用的TEC冷却的传感器的更高效的方法。
7.其便于关键的放大和支持电子设备紧邻传感器的放置，以最小化噪声拾取并减少引线电容。
本发明的电子显微镜包含两个主要特征，其一是固态X射线探测器的实体集成，其二涉及集成X射线探测器的热管理。关于第一个特征，本发明的电子显微镜由真空室、光学柱和样本台组成，其中真空室用于容纳待分析样本，光学柱包括电子源和用于聚焦从电子源发出的电子的最终形成探针的透镜，样本台位于真空室中、形成探针的透镜下，用于保持样本。电子显微镜进一步包括位于真空室中的集成X射线探测器，该X射线探测器包括对X射线敏感的固态传感器。
提供了用于在真空室中定位和支持探测器包括传感器的结构支持，且此支持整体定位真空室中。除了如其电气操作所需的，X射线探测器没有任何部分位于真空室外部。
关于本发明的第二个特征，设计X射线探测器的热管理，提供了与至少一个X射线探测器组合的电子显微镜。显微镜包括容纳用于保持待分析样本的样本台的真空室，也包括至少一个安装在真空室内、接合固态X射线传感器的X射线探测器。X射线探测器集成到显微镜中，由此，用于传感器的结构或机械支持包括至少一个用于冷却X射线传感器的热电冷却元件。所有热电冷却元件保持在真空室中，无一定位在真空室外，且结构支持本身为热电冷却的传感器提供了热管道，结构支持作为散热器也与显微镜外壳结构接合，在真空室内部或外部。
在一个实施例中，X射线传感器和用于X射线传感器的整个结构支持容纳在真空室中，由此，机械支持作为散热器在真空室内部附接到外壳结构。在其另一个实施例中，用于X射线传感器的结构支持可从真空室上的端口离开，且结构或机械支持整体地作为散热器接合显微镜外壳。
此发明公开了带有集成EDX探测性能的新的EM设计类型。这是非明显的发明，在于用于支持X射线传感器模块特别是热传导需求的预备必须集成到EM本身的设计中，这此前未成为EM制造商的关注，也未被EDX系统制造商预期。
将从商业可得SDD探测器诸如TO-X情况预安装在圆形外壳的集成方面具体描述主题发明。本发明显然对可通过热电冷却装置充分冷却或完全无需冷却的其它类型的紧凑X射线探测器也是可用的。这包括较老类型的模块化探测器（诸如普遍使用在手持X射线监测器中的PIN二极管），以及可被开发的未来一代基于芯片的X射线探测器。此外，尽管利用现成封装的探测器模块（图3所示类型的）无疑是便利的出发点，可预期到通过开发比当前可得的封装模块更适合这种使用的传感器元件自定义封装将获得更深远的优势。封装的传感器和“裸”传感器的区别可进一步被无需单独真空窗来保护的强大传感器的潜在发展所模糊。于是，将分立传感器元件（而不是封装的模块）集成到SEM类型仪器中被预期为本发明的明显延伸。
主题发明的主要方面是，其教导了EDX探测器如何有利地集成到EM的结构中，而不是如现有做法作为可移除的端口进入装置。相对于现有技术，本发明的若干变体的显著特征是这样集成的EDX探测器不能被当作经由显微镜室端口安装的个体元件。本发明的这个非常重要的方面的另一表达方式是没有EDX探测器的机械部件需要穿入显微镜的真空外壳——仅需提供电连接的通道。也教导了实施这种电连接的新颖且改良的方式。
本发明的第二个关键方面是，为了实现以上集成，实行了热管理的新颖方法，由此电子显微镜本身的结构使用在热力循环中，传感器由此被冷却，术语“循环”以机构的含义使用，在该机构中热被传送离开传感器到达散热机构。
本发明的第三个方面是，其教导了容纳多个传感器的特别有效且经济的方式，结果是此前未被作为单一探测器系统实行的传感器新颖配置。
本发明的第四个方面是，为支持前三个方面开发的特定创新在设计新颖的模块化端口安装的探测器的做法中也有应用。
附图说明
其它目的和优势在下文中出现在随后的描述和权利要求中。附图示出本发明的特定实用实施例，以范例的目的而不限制本发明或附加权利要求的范围，其中：
图1是在常规Si(Li)EDX探测器竖直截面的透视示意图；
图2是等距示意图，示出了常规Si(Li)EDX探测器单元安装在常规SEM或EPMA显微镜上的方式；
图3是在封装的SDD模块的局部截面的等距示图；
图4是在局部截面的等距示图，示出使用封装的SDD模块的常规SDD探测器内部元件；
图5是在局部竖直截面的侧视图，示意地示出了如结合在本发明的显微镜中的使用封装的SDD模块的X射线探测器的内部元件；
图6和图7是透视图，示出了构造有封装的SDD模块的集成EDX探测器组件结合到本发明的结构中的实施方式；
图8是在局部竖直横截面的示意图，示出了本发明的一个实施例，其中不同类型探测器的阵列结合在电子显微镜中；
图9是用于本发明的电子显微镜的电路板的底透视图，该电路板提供了插入在电子柱和真空室之间的热障；以及
图10是图9所示的电路板的顶视图。
具体实施方式
现描述题述发明的若干变体以说明本发明的突出特征。选择的示例用来说明关键创新——如何将X射线传感器结合到显微镜的结构中——如何便于与额外的创新元件结合实现的许多有用变体。并非所有的创新元件都使用在每个说明的示例中。
示例1 - 基本单传感器探测器
图5示出了构造有封装的SDD模块的集成EDX探测器非常基本的实施方式。安装托架25设计为通过提供的螺钉通道孔81附接到特定SEM的样本室82的平坦“天花板”表面。探测器元件26是图3所示类型的封装的SDD模块20。安装托架25的尺寸选择为使得SDD模块26保持在样本的期望附近，而其轴线指向显微镜的电子束在样本上的名义撞击点。封装的SDD模块26的带螺纹热立柱15紧紧旋入位于热接口立柱27前面的螺纹孔中，其中热接口立柱27的后部为锥形且备有中心螺纹孔。热接口立柱的作用是在封装的SDD模块26和冷板28之间提供有效的热桥。冷板在其前面结合匹配锥形孔，热立柱的锥形后部插入该锥形孔中。插入通过冷板28后部的螺钉29拉动热接口立柱27与冷板紧密接触，良好的热接触被这两部分的锥形渐缩所支持。冷板28又通过四个夹紧螺钉31将TEC模块30夹紧到安装托架25的前唇缘。
此布置的功能是有效地从探测器模块26提取热，并通过TEC元件30将热量转移至安装托架25，安装托架25又将热量传导至样本室82结构，在此热量分布到遍及样本室的大量热质量中并通过从其表面的对流和到关联结构的传导而耗散。由于从封装的SDD模块26提取的热量非常小，热电电路产生的额外热并不明显升高样本室的温度，且若需要，这可通过做外部预备便于这种余热从显微镜对流和/或传导来最小化。这种预备可以简单如提供结构上的元件，诸如便于对流冷却的附接到样本室的翅片。在作为此实施方式的设计目的的特定显微镜中，外部加压气流源确保环境空气流过样本室，且单独此预备迄今已被发现是耗散产生的极少热的适当方法。在极端情况，诸如可能由意图在格外热的环境中工作的仪器呈现的，可使用基于流体的热交换器或制冷装置来冷却样本室。突出点是完成这种用于冷却考虑到这点需求而设计的显微镜的样本室的预备可比处理安装在常规电子显微镜上的常规X射线探测器的“点冷却”问题容易许多。
注意到电子显微镜的样本室在工作中必须保持在相对高真空下，因此在其任意内部部件间基本上没有对流传热。另一方面，这是一个优势，因其最小化热寄生传递至冷却的传感器装置。然而，缺乏空气分子传递热穿过小间隙使得在热力循环的多个元件间存在亲密机械接触至关重要。确保这种接触是热接口立柱27和冷板28之间锥形接口的目的。同样至关重要的是冷板28和安装托架25与TEC模块30的相对面有良好热接触。用于在表面间提供良好热接口的技术在本领域熟知。小心准备表面以确保其免于表面不规则是至关重要的却不足够的。有设计为使用在热元件之间来给任何残余的间隙不规则搭桥的多种热“油脂”复合物以及可压缩热接触垫或可变形薄金属片。当然，任何这种材料必须被小心选择以确保其相容于真空使用。
为热路径中的结构选择的材料也在此方案的成功中起到作用。在说明的优选实施中，热接口立柱27和冷板28由铜制造。安装托架25由铝制造。这些材料都是特别好的导热体。另一方面，夹紧螺钉31不应为穿过TEC模块传热提供有效热路径。不锈钢螺钉是可接受的选择，归因于此材料有相当差的导热性。由机械性能强、低脱气塑料如PEEK或Vespel制造的螺钉是更好的选择，且在优选实施方式中使用PEEK螺钉。
为使SDD装置按规范运行，其传感器元件必须保持在约-20℃的温度。因此，须在典型实验室环境的环境温度（～25℃）与SDD传感器元件间提供约45℃的温降。SDD模块20内部的TEC装置13原则上可提供此差异。然而，实际现实是不能依赖有权使用这个的探测器降低环境温度以汇集其产生的热。例如，为非实验室操作设计的一台特定EM仪器指定为环境工作温度高达35℃，且在该仪器的情况下，在为更高温度留容差后，内部环境温度可能超过40℃。众所周知，TEC装置的效率随温差增长迅速下降。例如，由0.6安培电流驱动的特定TEC模块越过18℃温差提供2.43瓦冷却 ，以及越过60℃温差仅0.25瓦冷却。因此，让单级TEC模块提供SDD探测器在温暖环境中被操作达到最佳性能所需的大温差是不实际的。如图4所示，常规方法是使用安装于显微镜外部的第二TEC元件22，其从接收来自SDD模块20的热的长冷指21移除热，且该第二TEC元件22接着传递热到结合在显微镜外部的探测器外盒上的对流翅片23，由此，热耗散到环境空气中。然而，此方法并不理想，在于：(1)冷指代表了必须在启动时被冷却至合适温度的大量热质量。此外，由于冷指支撑在紧邻其管状外罩且冷指必须通过某种真空密封穿入显微镜的样本室的事实，一定量的寄生热“泄露”通过辐射和传导到达冷指是不可避免的。此寄生热传递作用为增加放置于外部TEC模块的要求，令其耗散更大的热量。(2)常规探测器设计几乎没有用于增加从其外部TEC装置热侧的热耗散的实际选择。电子显微镜尚未普遍设计有用于探测器环境的热管理的任何预备，并且由于这些仪器的极端震动灵敏度，在EDX探测器中结合风扇是被强烈阻止的。于是，为了确保在温暖环境下足够的热耗散，唯一的实际选择是在外部探测器外壳上接合特大翅片以便增强被动对流冷却。由于探测器往往安装在显微镜上非常拥挤的区域，这种大冷却肋片是不合意的，且在任何情况下都不能确定其将接收足够气流。相比之下，在此说明的简单设计最小化这些问题。在封装的SDD模块26和第二TEC模块30之间插有极微小的热质量，且寄生热传递几乎没有机会。此外，从支撑托架25比样本室82更暖的程度上说，寄生热传递实际上辅助了从传感器带走热的功能。因此，此类型设计固有一些有用的热效率。也容易看出，相比提供到外部汇点的隔离路径同时穿入样本室壁，提供到样本室的良好热路径是简单得多的机械问题。最后，要注意相比在探测器的特定地点控制温度，从电子显微镜的相当大的真空室耗散热量通常是更简单的问题。即，通过实行将热管理作为与显微镜设计关联的问题，而非仅为探测制造商的关注点，可实现更有效且可靠的热性能。
将此简单设计制成实用探测所需的唯一剩余方面是提供操作单元所需的电连接。对此实施方式，这通过简单的线束（图中未示出）实现。微型引脚插口附接到线束的端部，接着插口被压到封装的SDD模块20或26的引脚19上。线束的另一端以匹配穿过样本室壁的真空密封电引线的多引脚插座终结（这种引线的商业来源为熟悉真空系统高中者所知，或者其可被订制制造）。在样本室的外部，引线连接到合适的探测器电子设备和合适的控制器以便操作和调节TEC模块（封装的SDD模块内部的那个13和汇集来自封装的SDD模块的第二个30）。这些电子部件可从商业供应商获得，或其可根据熟知的原理订制制造。
显然，在此说明的探测器的机械部件的极度简单和图4所示的常规的基于SDD的探测器单元的构造成显著对比。最值得注意地，消除常规冷指及其精密制造的真空密封盖代表了重大的简化。此外，可认识到，本示例的内部安装的探测器允许在EM本身设计上的大量简化，因为无需提供内联端口来允许常规探测器管插入紧邻样本。相反，所需的相对小的电引线可位于样本室的便利面。因此，以此方式将探测器集成入显微镜的样本室在设计上提供了极大的灵活性。然而，同样明显的是此处所述类型的探测器不是可插入任意电子显微镜的“一般”装置。相反，对于最优实施方式，探测器和显微镜必须一起设计。重要考虑之一是显微镜样本室的导热性。在此处说明的实施方式中，样本室由铝构造，其提供了从探测器的安装托架导热的有效热路径。
当然，探测器安装到显微镜上的具体方法当然可以有多种变体。在此说明的设计为连接到样本室“天花板”表面做了准备，但调整支撑托架25以安装到任意提供足够热耗散的便利表面是简单的事情。当然，没有什么能阻止这种探测器附接到显微镜的端口盖，如果那是最便利的安装点的话。如果端口足够大，盖也可容纳电引线 ，且其尺寸可允许探测器以类似常规管状安装设计的方式通过端口插入。此布置可能在样本室由非良好导热体（例如不锈钢）的材料构造的情况中特别有利。在这样的情况中，附接到装配外部冷却翅片的铜或铝的端口板（例如）可提供必需的热耗散方式。但不像常规管状安装配置，不需要热路径实体地穿入样本室或从其热隔离，且端口无需位于相对于样本瞄准的方向。因此，依据本教导构造的X射线探测器的端口安装是有时可用来获利而不偏离所公开的发明的精神或牺牲其优点的选择。
同样显而易见的是，采用合适的设计，为维修目的将依据此公开构造的探测器从显微镜移除可以很简单。在本示例中，其涉及移除若干螺钉以及从引线连接拔下电线束缆。因此，尽管EDX探测器的设计集成到电子显微镜的结构中，就安装和维修而言，其仍可保持期望的模块性。
在此说明的简单探测器提供了用于在电子显微镜诸如SEM或EPMA中提供EDX能力的廉价而有效的方法。然而，此设计的功能性可轻易通过对具备普通技能者显而易见的简单修改来增强。例如，为美观和保护原因将探测器封闭在简单外壳可能被视为期望的。同样，更改设计以适应X射线传感器模块的不同尺寸或样式（包括结合用于UTW类型的电子阱）或者更改SDD模块的位置及方向来实现在几何形状上期望的变体是简单的事情。可进一步注意到即使是这个非常简单的探测器设计也有助于多个EDX探测器在显微镜上的安装，因为无需提供多个正确取向的端口。最后，可注意到将外部电子支持电路的元件迁移到此设计背景下的样本室（以下一示例的方式）是简单的事情。简而言之，一旦常规的瞄准的、热隔离的模块化管状安装X射线探测器惯例的专制被废除，取代以使用带有热集成支持结构的内部二级TEC的设计，许多有用选择和简化对设计者变得可行。
示例2 – 柱集成阵列探测器
之前的示例说明了采用对本文所教导原理中的一些的非常简单的应用可实现的实际好处。此第二示例说明了接合额外新颖做法并提供额外好处的更加复杂的实施方式。
显然，实现封装的SDD模块到电子显微镜的有效集成的重要关键是实现封装的SDD模块到第二TEC模块的紧密有效热接合。图6示出了这样的安装。在此，封装的SDD模块26的热立柱旋入“T字形的”铜立柱32的茎上的螺纹孔中，其中铜立柱32的平坦面接触第二TEC模块30的冷面。使用带中心开口的夹紧板33通过四个夹紧螺钉31将第二TEC模块30的热面抵靠平坦的热耗散表面（未示出）夹紧。
图6所示的组件可作为多种不同探测器配置的基本部件使用。其具有在TEC模块30和封装的SDD模块26之间提供非常简单而旋转可调的接合的优点。此接合不仅代表极微小的热质量，也最小化热接合处的数目。此设计的巧妙之处是传感器插入的距离可通过调节T字形的安装立柱32的茎的长度来定制，且探测器在模块中的对中可通过更改中心孔在热夹紧板33上的位置来调整。因此，此简单安装可容易地适于不同探测器尺寸和配置的优化。
并非如之前的示例所做将金属丝附接到来自封装的SDD模块的引脚上，图7示出了如何通过设置引脚插口35的小印刷电路板34更便利地将此达成。电路板又可设置有允许经由匹配插头来附接信号电缆的小连接器36。此外，电路板提供了安装支持封装的SDD模块的电子电路的便利位置。特别是，在此电路板上实施前置放大器的第一高增益级和调节传感器FET偏压的电路以便最小化引线长度和噪声拾取机会是有利的。图中所示的封装的电荷敏感放大器装置37是商业可得的部件，代表依据此设计可位于SDD模块附近的一种电路。对选为位于此板的特定电路的选择是前置放大器设计技术的一方面，而前置放大器设计与本发明的教导无关，但显然对有本领域技术者而言，在显微镜真空室的良好防护环境中在这种紧邻SDD模块处结合大量电路的机会可对低噪声前置放大器设计的苛刻目标有利。同样显而易见的是，实施这样的有利布置是常规地被配合传感器进入极小直径的管的需求所阻止的。
图8示出了结合组件38，38'，38"的柱集成阵列探测器的设计，三个不同地布置在图9中，四个在图10中。所示设计允许多达四个这种组件围绕为此目的设计的特定SEM仪器的聚焦透镜39紧密布置。聚焦透镜39通过O形环40密封，并固定到柱安装法兰41上，柱安装法兰41又可移除地附接到探测器安装接口法兰42，探测器安装接口法兰42为多个探测器组件38，38'，38"的TEC元件30提供成合适角度的热安装面。夹在透镜安装法兰41和探测器安装接口法兰42之间的是印刷电路板43，其通过该对相对的共半径O形环44密封到所述法兰，且所述电路板也通过螺钉（未示出）机械固定到探测器安装接口法兰42。此电路板43于是位于真空外罩内部及外部，并提供许多有利功能，如将简短说明的。探测器安装接口法兰42通过螺钉（未示出）固定到电子显微镜的真空室45，带着在所述元件间的大量热接触，以及由O形环46提供的真空密封。同样由电路板43支持且电连接到电路板43的是位于紧邻形成探针的透镜39之下的环形BSE探测器47。一个SDD探测器组件38装配有带10mm2有效区域的UTW类型SDD传感器模块，且装备有依据已知的磁偏转原理构造的电子阱48。探测器组件38'结合PIN二极管类型传感器，探测器组件38"结合30mm2BeW类型传感器模块。这样，此示例说明了不同配置和类型的X射线探测器可方便地集成到共同阵列的方式，以及其它类型探测器，诸如BSE探测器47。
可观察到由探测器安装接口法兰42、电路板43、探测器组件38，38'，38"、电子阱 48和BSE探测器47组成的探测器阵列构成可从柱安装法兰41和样本室45卸下的模块化组件，如图9和图10所示。容易认识到这种模块化附件对探测器阵列的制造和维修都有极大好处，因可从显微镜其余部分分开安装阵列的所有元件，且观察和调整其定位。
电路板43提供许多有利功能：
1.其提供了内部电连接到构成阵列的探测器的便利方法，采用该种电连接器和印刷电路板常用线束。
2.其提供了通过真空接口传递电源和信号的方便、紧凑且经济的方法，而不依靠真空引线或需要显微镜端口来安装所述引线。
3.其在柱安装法兰41和探测器安装接口法兰42之间提供了热障。由于电子显微镜中普遍使用的磁聚焦透镜39产生大量热量，期望从一同起作用耗散探测器组件38，38'，38"产生的热的探测器安装接口法兰42和样本室45隔离此热源。
4.其提供了在真空外罩中实施支持电路的现成方法。
5.在显微镜外部，其提供了对关联的支持电子设备安装额外电路和/或附件的便利位置，采用常规电路板部件。
这样可观察到，尽管对实施如本文教导的集成阵列探测器不是必需的，使用跨越真空密封外壳外部和内部的普通电路板在其自身理由下是既新颖又特别有利的做法。尽管作为在真空系统的内部和外部元件之间提供电连接的方法的这种电路板的不寻常的实体布置在真空系统做法中先前已知且在电子显微镜构造的背景中有先例，如在此教导的实行在电子显微镜信号探测器的背景中是先前未知的，热隔离方面也是先前未实行的。可轻易认识到，用于制造通过真空外壳的电连接的此新颖布置在模块化管状安装EDX探测器的常规技术中是不现实的。也可认识到，将此布置使用在电子光学系统不是像此处情况一样设计为容易卸下的最常规的显微镜中的背景中是不现实的。因此，尽管出现许多优点，此新颖做法不是已知技术的明显应用场合。
对熟悉真空系统技术者，显然，构造电路板43以及小电路板34和内部附接于其的元件所使用的材料必须适应样本室达到的真空级。对于相对“低真空”仪器的满意操作必需的真空级，这通过使用常规材料满意地实现。在“高真空”实施方式的情况中，如果需要，特殊电路板材料是商业可得的。
显然，在此说明的探测器阵列可容纳一至四个EDX探测器。由于此布置本质简单的性质，以及分享公共资源（诸如电源）的能力，此布置基本上比安装多个常规模块化管状安装配置的EDX探测器便宜。由于不需要像常规端口安装的探测器的情况那样在显微镜上有合适的安装端口阵列，显微镜设计也被简化。极大的灵活性也产生在可通过在探测器安装接口法兰42的变化容易地更改探测器几何形状而无需更改样本室45的事实中。
与本示例关联的另一个重要新颖方面涉及为了在共同阵列中集成多种探测器的预备。常规做法是将每个探测器作为分离的单元对待，与其它探测器分开，且与显微镜分开。现有技术已知的多元件传感器探测器已利用相同的传感器元件。除了教导将EDX探测器集成入显微镜结构的做法之外，如在此说明的，主题发明也教导了创造结合多个多种类型的探测器的显微镜组件的做法。此做法有两个显著形式：
1.本发明教导了集成探测器阵列的创造，该集成探测器阵列可容易地结合不同种类的固态X射线传感器并从而被有效配置以实现特定分析目标，其中有差异的探测器种类是有利的。
2.具有本领域技术人员可认识到探测器可安装到其上的可拆卸阵列的概念极大地便于了将除X射线传感器外许多不同探测器类型结合到电子显微镜中。与此前做法的独立的端口安装装置相比，共用安装结构便于最优的定位和调整。这通过传感器更优化的包装以及构造上明显的节约方便了性能改进。再一次，值得注意的是，这个期望的结果在常规显微镜设计做法中不可行，因此此前未被采取。尽管目前的示例特别地教导了将背散射电子（BSE）探测器结合到SDD类型的EDX传感器阵列中，对此创新的利用可多产地延伸到结合其它类型传感器和“分析工具”，例如拉曼探针、阴极发光探测器，次级电子探测器，机械探针等等。
此示例也说明了此发明教导的热管理的做法。值得注意的是，探测器安装接口法兰42在优选实施中由铝构造，且与样本室45其余部分大量热接触，使得整体构成耗散用于冷却探测器的TEC模块产生的热的有效方法。此特定实施方式特别有效，在于探测器安装接口法兰42起到样本室45的部分真空外壳的作用并且这样对周围环境暴露，其起到热传递和热耗散的双重作用。如期望的，后一作用可通过接合附于此接口部件外部的蓄意对流结构而轻易增强。
最后，可认识到，尽管在此提供的示例将单个TEC元件接合到每个SDD传感器元件，这不是主题发明教导的做法的要求。利用为安装在共同热基底上的多重传感器提供冷却的可能更大的TEC模块的设计也是预期的。

Claims (8)

1.一种电子显微镜和X射线探测器的组合，所述电子显微镜包括容纳用于保持待分析样本的样本台的真空室，且所述X射线探测器包括固态X射线传感器和热力循环，所述固态X射线传感器安装在所述真空室中，所述热力循环接合所述传感器并结合目的是从所述传感器移除热的至少一个热电冷却元件；
结合所述真空室的所述热力循环用于耗散来自所述热电冷却元件的输出热，
其中所述电子显微镜和X射线探测器的组合包括从所述电子显微镜的光学元件热隔离所述真空室的绝热屏障，其中所述绝热屏障包括为所述X射线探测器保留电子电路的电路板。
2.如权利要求1所述的组合，包括用于包括所述X射线传感器的所述X射线探测器的机械支持，其中所述机械支持用作用于传导热到所述真空室的所述热力循环的元件。
3.如权利要求2所述的组合，其中所述机械支持整体容纳在所述真空室中。
4.如权利要求1所述的组合，其中所述X射线探测器包括分享所述热力循环的多个X射线传感器。
5.如权利要求1所述的组合，所述电路板包括用于从所述真空室中的所述X射线探测器传输信号到所述真空室外部的导体。
6.如权利要求1所述的组合，包括一系列所述热电冷却元件。
7.如权利要求1所述的组合，其中所述固态X射线传感器包括SDD传感器。
8.一种电子显微镜和X射线探测器的组合，所述电子显微镜包括容纳用于保持待分析样本的样本台的真空室，且所述X射线探测器包括固态X射线传感器和结合目的是从所述传感器移除热的多样的热电冷却元件的热力循环，所述固态X射线传感器安装在所述真空室中；其中所有所述热电冷却元件容纳在所述真空室中，其中所述电子显微镜和X射线探测器的组合还包括从所述电子显微镜的光学元件热隔离所述真空室的绝热屏障，其中所述绝热屏障包括为所述X射线探测器保留电子电路的电路板。
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