CN108122730A - 飞行时间带电粒子光谱术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞行时间带电粒子光谱术。一种用于执行带电粒子光谱术的装置，包括：源，用于产生沿着射束路径传播的带电粒子的脉冲射束；样本保持器，用于将样本保持在所述射束路径中的照射位置处；检测器装置，用于执行对穿越所述样本的带电粒子的能量区分检测，其中，在所述源与所述检测器装置之间，所述射束路径相继穿越下述各部分：充能腔，用于对所述射束施加时间相关的加速场；初级漂移空间；所述照射位置；时间聚焦腔，用于将所述射束中的能量差异转换成飞行时间差异；次级漂移空间。

Description

飞行时间带电粒子光谱术
技术领域
本发明涉及用于执行带电粒子光谱术的装置，包括：
- 源,用于产生沿着射束路径传播的带电粒子的脉冲射束；
- 样本保持器，用于将样本保持在所述射束路径中的照射位置处；
- 检测器装置，用于执行对穿越所述样本的带电粒子的能量区分检测。
如此处所应用的术语“穿越（traverse）”可以指代透射（通过）样本或反射（自）样本。
本发明还涉及使用这样的装置的方法。
本发明附加地涉及其中包括这样的装置的带电粒子显微镜。
背景技术
带电粒子显微术是用于对微观对象进行成像（尤其是以电子显微术的形式）的公知且越来越重要的技术。在历史上，基本类的电子显微镜已经经历了演变成多种公知装置种类（诸如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）以及扫描透射电子显微镜（STEM））、以及还演变成各种子种类，诸如所谓的“双射束”工具（例如，FIB-SEM），所述“双射束”工具附加地采用“加工”聚焦离子束（FIB），从而例如允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积（IBID）之类的支持性活动。 更具体来说：
- 在SEM中，通过由扫描电子束来照射样本而促成从样本放射“辅助”辐射，其例如是以二次电子、背向散射电子、X射线和阴极发光（红外、可见和/或紫外光子）的形式；然后检测该放射辐射的一个或多个分量并将其用于图像累积目的。
- 在TEM中，将被用来照射样本的电子束选取为具有用以穿透样本的足够高的能量（为此，该样本一般将比在SEM样本的情况下更薄）；然后，可以使用从样本放射的透射电子来创建图像。当以扫描模式操作这样的TEM（因此变成STEM）时，将在照射电子束的扫描运动期间累积讨论中的图像。
可以例如从以下维基百科链接收集关于这里阐明的话题中的一些的更多信息：
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy。
作为将电子用作照射射束的替换方案，还可以使用其它种类的带电粒子来执行带电粒子显微术。在这方面，短语“带电粒子”应被宽泛地解释为涵盖例如电子、正离子（例如Ga或He离子）、负离子、质子和正电子。关于非基于电子的带电粒子显微术，可以例如从诸如以下的参考文献收集一些进一步的信息：
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H. Escovitz、T.R. Fox和R. Levi-Setti，Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source，Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5)，1826-1828页 (1975)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444。
应注意，除了成像和执行（局部化的）表面改性（例如铣削、蚀刻、沉积等）之外，带电粒子显微镜还可以具有其它功能性，诸如执行光谱术、检查衍射图等。
在所有情况下，带电粒子显微镜（CPM）将至少包括以下部件：
- 辐射源，诸如肖特基电子源或离子枪。
- 照明器，其用来操纵来自源的“原始”辐射射束并且对其执行某些操作（诸如聚焦、畸变减轻、（利用光圈）裁切、滤光等等）。其一般将包括一个或多个（带电粒子）透镜，并且还可以包括其它类型的（粒子）光学部件。如果期望的话，照明器可以被提供有偏转器系统，其可以被调用来促使其离开射束跨被研究样本执行扫描运动。
- 样本保持器，可以在其上保持和定位（例如倾斜、旋转）研究中的样本。 如果期望的话，该保持器可以被移动以便影响射束相对于样本的扫描运动。一般来讲，这样的样本保持器将被连接到定位系统，诸如机械载台。
- 检测器（用于检测从被照射的样本放射的辐射），其本质上可以是单一式或者复合式/分布式，并且其可以取决于被检测的辐射而采用许多不同形式。示例包括光电二极管、CMOS检测器、CCD检测器、光伏电池、X射线检测器（诸如硅漂移检测器和Si（Li）检测器）等。一般来说，CPM可以包括若干不同类型的检测器，可以在不同情况下调用对该不同类型的检测器的选择。
在透射型显微镜（例如诸如（S）TEM）的情况下，CPM还将包括：
- 成像系统，其实质上采用透射通过样本（平面）的带电粒子并且将它们引导（聚焦）到分析装置（诸如检测/成像设备、光谱学装置（诸如EELS设备；EELS=电子衡量损失光谱学）等）上。就上文提到的照明器而言，成像系统还可以执行其它功能（诸如畸变减轻、裁切、滤光等），并且它一般将包括一个或多个带电粒子透镜和/或其它类型的粒子光学部件。
在下文中，有时可能（作为示例）在电子显微术的特定情境中阐述本发明；然而，这样的简化仅意图用于清楚性/说明性目的，而不应被解释为限制性的。
如在上面的开篇段落中阐述的装置的一个示例是飞行时间EELS设备。在传统的EELS中，将已经穿过样本（并且从而获得光谱特征）的电子束引导通过色散设备（诸如粒子棱镜），在所述色散设备中使用电磁场来产生射束中电子的横向偏转；由于给定电子的偏转半径将取决于其能量，因此可以使用该机制来将“多色”样本后射束分解成按能量分类的子射束的横向阵列。然而，该方法的缺点是所采用的色散设备趋向于相对昂贵且笨重，并且整个机构必然占据相当大的横向占用空间（footprint）。在替换提议（其至今尚未在商业上可行）中，采用飞行时间方法，藉此利用以下事实：电子的样本后速度将取决于电子在穿越样本时经受的能量损失，该能量损失将转化成样本与所采用的检测器机构之间的飞行时间差异。然而，样本后射束的组成电子之间的微小的飞行时间差别是难以相互区分的，使得该方法受到相对粗糙（且至今不可接受）的能量分辨率的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决该问题。更具体来说，本发明的目的是提供一种飞行时间带电粒子光谱学装置/方法，可以利用该装置/方法获得大幅改善的能量分辨率。此外，本发明的目的是该新装置/方法应比本领域中的现有提议更加通用。
在上面的开篇段落中阐述的装置中实现这些和其它目的，所述装置的特征在于，在所述源与所述检测器装置之间，所述射束路径相继穿越下述各部分：
- 充能腔，用于对所述射束施加时间相关的加速场；
- 初级漂移空间；
- 所述照射位置；
- 时间聚焦腔，用于将所述射束中的能量差异转换成飞行时间差异；
- 次级漂移空间。
技术人员将理解的是，如此处采用的术语“腔”指代共振腔，通常也称为射频（RF）腔或微波腔。
本质上，这样的机构的操作尤其开拓出以下的创新效果：
- 使用（脉冲源与样本之间的）充能腔来在射束撞击在样本上之前在射束中故意引入相关的能量扩散（有效地散焦）。这是通过在该腔内部生成时间相关加速场来完成的。结果，在随后的初级漂移空间中，每个带电粒子脉冲在时间上扩散——这进而导致瞬时能量扩散的降低（由于保存了相位空间）。在样本处的较低的瞬时能量扩散最终意味着更好的能量分辨率。原则上，可以在不使用充能腔的情况下实现类似的脉冲扩散效果，但是初级漂移空间于是将不得不（过度地）更长；此外，在这样的机构中，将不会如本发明所提供的那样具有调谐射束扩散效果的大小（以及甚至反转其符号）的灵活性。
- （样本与检测器装置之间的）时间聚焦腔在检测器装置的位置（入口平面）处创建“时间焦点”，——意味着使得标称射束（未与样本相互作用）中的带电粒子以缩短的（最优地：可能最短的）时间扩散到达检测器装置处；另一方面，在样本中已经损耗/获得了能量的射束粒子将在不同时间到达。次级漂移空间用来放大该效果，从而产生允许到达时间与能量的高度精确相关的时间焦点。此外，射束中的总能量扩散除了“已相关的”能量扩散（其中，平均能量以线性方式取决于到达时间）之外还包括“未相关的”（瞬时）能量扩散，并且可以作为时间聚焦腔动作的一部分来有利地调整掉（regulate away）该已相关的能量扩散分量。
- 可以使用充能腔来按照期望布置射束的相位空间。如果希望实现良好的能量分辨率，则可以在到达样本之前拉伸射束脉冲；替换地，如果希望实现改善的时间分辨率（例如，当监控时间相关的过程时），则可以压缩射束脉冲。
通过开拓这些效果，发明人从具有1 eV的能量扩散的连续电子束开始，针对2米的总射束路径长度已经实现了20meV的格外良好的能量分辨率。这样的总路径长度与例如在CPM（诸如TEM）中并入该机构是相兼容的，在所述CPM中，粒子光学镜筒已具有该量级的实际长度。在不应用本发明的情况下，将会不得不在将（显著地）比CPM的粒子光学镜筒更长的所需路径长度下接受粗糙得多的最优能量分辨率。
在本发明的实施例中，所述充能腔和所述时间聚焦腔中的至少一个（并且优选地二者都）包括TM010腔。根据在电磁领域中的标准使用，符号“TM”指示横向磁场，即不具有纵向磁分量（使得沿着z轴的B = 0）的电磁场，而下标的三元组“010”表明满足与该腔中的麦克斯韦方程有关的边界条件所需的波向量k的整数特征值。TM010腔具有在半径r = 0处为零（从z轴向外测量）的方位角磁场， 以及非零（时变）的轴上纵向电场，该电场可以用来（取决于该场的相位）拉伸或压缩进入的脉冲串；因此，这使得TM010可适用于履行充能腔（轴向拉伸/散束）和/或时间聚焦腔（轴向压缩/聚束）的作用。作为对TM010模式的可能替换方案，原则上可以使用在r = 0处具有纵向电场的另一单极模式：更具体来说，任何TM0np 模式，其中n和p为整数，其中n > 0且p ≥ 0。
在本发明的特定实施例中，检测器装置包括TM110腔。TM110模式是在r = 0处具有强侧向磁场且在r = 0处具有零电场的双极模式。当并入到本发明的检测器装置中时，可以采用TM110模式来在进入射束中产生带电粒子的侧向偏转，藉此，针对特定粒子的所述侧向偏转的幅度取决于其在该腔处的到达时间（因为这确定了粒子将经历的振荡腔场的相位）。以此方式，将不同的到达时间的（纵向）集合转换成不同偏转幅度的（侧向）集合，可以使用一个或多个（固定或可移动的）传感器（诸如光电二极管、（固态）光电倍增器等））来（单独地）标示（register）其对应强度/电流。作为潜在的替换方案，可以避免这样的侧向偏转，并且替代地使用具有非常快的采样/重置速率的检测器（例如，诸如雪崩光电二极管/固态光电倍增器的像素化阵列）来“直接”标示（具有不同到达时间的）纵向粒子串。
在本发明的另一实施例中，所述源包括TM110腔。使用TM110腔来截断（来自连续源（例如，诸如肖特基枪或液金离子源）的）连续射束是有利的，因为其可以与上文提到的检测器装置中的TM110腔共享共同的RF激励源，这允许源脉冲与检测器装置的操作频率的方便的（（半）自动）同步。此外，可以使用这样的TM110腔来产生高相干脉冲。作为对以此方式来使用TM110腔的替换方案，可以替代地使用脉冲激光触发，例如，如在来自目标（诸如金属箔或金属片、LaB6丝、肖特基丝等）的（电子或正离子的）激光诱导光电发射的情况下。
出于完整性，应注意到，如在前两个段落中提到的TM110模式可以例如在靠近腔壁（远离z轴）放置的赫兹双极环路天线的帮助下在腔中激发。此类型的天线可以例如通过以下来实现：
- 在腔壁中创建小孔；
- 以下述方式通过该孔将同轴线缆的内导体馈送到该腔的内部，该方式使得所述内导体不接触所述（导电）壁；
- 接近于所述壁在所述内导体中创建环路；
- 适当地定向该环路（例如，使得其平面垂直于y轴，以激励平行于y的磁场）；
- 将所述同轴线缆连接到振荡射频（RF）激励源（电源/放大级）。
可以以各种方式来调节该腔的振动行为。例如，可以更改所述振荡激励源的频率。替换地，可以将小的导电（例如，金属）或介电“柱塞”（调谐元件）例如通过与上面提到的天线相对的小孔部分地插入到该腔中；于是，这样的柱塞的插入程度将影响该腔的共振频率，这是因为：
- 插入导电柱塞将局部地降低该腔的有效半径，在共振频率中具有随之产生的增加；
- 插入介电柱塞将增加该腔的有效介电常数，在共振频率中具有随之产生的降低。
无需多言，当在共振状态上激励该腔（即，振荡激励源的频率与该腔的共振频率相匹配）时，在该腔中得到的电磁场将是最大的。技术人员将熟知这样的构思，并且将能够根据特定配置的细节/要求来实现和优化它们；特别地，技术人员将认识到，可以采用其它类型和/或位置的天线（或其它激励装置），以及其它类型和/或位置的调谐元件/柱塞。技术人员还将理解的是，类似的考虑适用于上面提到的TM010模式，除了上面提到的激励天线可以具有与TM110情况不同的定向之外。关于在本发明中使用的共振腔的几何结构，这可以例如是所谓的“药丸盒腔”（其在形式上基本上是圆柱形的），但是其它形状也是可能的，例如，如在所谓的“鼻锥”或“重进入”腔的情况下，其针对TM010模式趋向于是更加能量高效的（通过降低墙壁附近的磁场，从而降低欧姆损耗）。在射束截断的TM110腔/模式的情况下，可以通过（部分地）用适当的介电材料来填充该腔而改善效率。
技术人员将理解到，为了实现最优结果，上面提到的各种腔（即，射束截断腔（源）、充能腔、时间聚焦腔以及侧向偏转腔（检测器装置））可以关于频率/相位而彼此相匹配。在此方面，可以例如利用在通往每个腔的路径中的相位调节器来将它们全部连接到同一RF激励源；替换地，可以将每个腔连接到其自己的RF激励源，并且调谐这些源以便互相匹配。
应注意到，在某些情况下，使用多个腔的一系列阵列（与唯一腔相对）来履行/补足如上面阐述的给定的腔作用可能是有利的。这在如果例如单个腔不能够在给定的辅助参数内产生令人满意的效果（诸如在可用空间内的足够强的场）的情况下可能是有利的——在这种情况下，可用采用连续腔的阵列来产生累积的效果。在这样的机构中，如果在该阵列的连续成员之间创建中间漂移空间，则可以缩短在该阵列中的最后一个腔之后的末端漂移空间。在多腔系列阵列的特定实施例中，直接在时间聚焦腔的上游或下游提供补充TM010腔，并且该补充TM010腔被配置成产生（在零交叉处的）所述时间聚焦腔中的激励的第二谐波和反转相位。可达到的分辨率通常被纵向像差所限制，但是可以通过添加所述补充腔来改善分辨率，所述补充腔起作用来移除一阶“球形”像差。为了理解这点，应注意到，时间聚焦腔中的电场具有正弦时间形状，并且本发明将在射束脉冲仅在所述正弦的充分线性的部分（即，靠近零交叉）期间进入时间聚焦腔的情况下最佳地工作；如果该脉冲在重新压缩之前“过长”，那么时间焦点将会受到与在常规的聚焦光学器件中的球形像差类似的像差效果的影响。确保这样的线性度的一种方式是将射束脉冲裁剪为足够短；然而，如果这不是（足够）可行，那么所述补充腔起作用来减轻存在的任何非线性度效果。
如上文（在讨论充能腔时）已经提及的，可以有利地在如下情况时使用本发明：
- 所述样本具有作为时间的函数而改变的属性；
- 所述脉冲射束用于聚集所述样本的瞬间（光谱）快照的时间系列，从而捕捉所述属性的时间演变。
这样的方案可以在一定程度上比作频闪摄影术，其中撞击在样本上的脉冲射束提供频闪照明并且（适当同步的）检测器装置捕捉样本的对应“冻帧”光谱“影像”。由于一般将会存在每个单独脉冲的相对有限数量的带电粒子，因此一般将需要每个“图像”收集若干个脉冲以便实现足够的信噪比。在该情境中的时间过程的示例例如包括相位平移、等离子激元激励、机械振动、热耗散、化学反应、生物细胞分裂、晶体生长、样本运动（例如，样本穿过流管）等。
附图说明
现在将基于示例性实施例和示意性附图来更详细地阐明本发明，在附图中：
图1呈现了其中实现当前发明的实施例的特定类型的CPM的纵截面视图。
在该图中，可以使用对应的参考符号来表示对应特征。
具体实施方式
实施例1
图1是其中实现了当前发明的实施例的CPM M的实施例的高度示意性的描绘；在该情况下，CPM是（S）TEM，但是在当前发明的情境中，其可以（正如有效地那样）例如是基于离子的或质子显微镜，或者是SEM。在该图中，在真空外壳2内，连续电子源4（诸如例如，肖特基发射器）产生电子的射束（B），该电子的射束（B）穿越电子光学照明器6，该电子光学照明器6用来将电子引导/聚焦到样本S（其可以例如被（局部地）薄化/平面化）的所选部分上。该照明器6具有电子光轴B’，并且一般将包括各种各样的静电/磁性透镜、（一个或多个）（扫描）偏转器8、校正器（诸如消象散器）等；通常，照明器6还可以包括聚光器系统（事实上，整个项目6有时也称为“聚光器系统”）。
将样本S保持在样本保持器H上。如此处图示出的，该保持器H的一部分（在外壳2内部）被安装在支架A’中，该支架A’可以通过定位设备（载台）A以多个自由度来定位/移动；例如，支架A’可以（尤其）在X、Y和Z方向（参见所描绘的笛卡尔坐标系）上是可移位的，并且可以绕着平行于X的纵轴旋转。这样的移动允许由沿着轴B’行进的电子束对样本S的不同部分进行照射/成像/检查（和/或作为对射束扫描的替换方案而允许执行扫描运动[使用（一个或多个）偏转器8]，和/或允许由例如聚焦离子束（未描绘）对样本S的所选部分进行加工）。
沿着轴B’行进的（聚焦）电子束B将以下述方式与样本S交互，该方式是为了引起各种类型的“受激”辐射从样本S放射，该放射包括（例如）次级电子、背向散射电子、X射线以及光辐射（阴极发光）。如果期望的话，可以借助于传感器22来检测这些辐射类型中的一个或多个，传感器22可能例如是组合式闪烁器/光电倍增器或EDX（能量色散X射线光谱学）模块；在这样的情况下，可以使用基本上与在SEM中相同的原理来构建图像/光谱。然而，在（S）TEM中具有主要重要性的是，可以替代地/补充地研究穿越（穿过）样本S、从其发出（放射）并且继续沿着轴B’传播（基本上，但是一般具有一些偏转/散射）的电子。这样的透射电子通量进入成像系统（组合式物镜/投影透镜）24，该成像系统24一般将包括各种各样的静电/磁性透镜、偏转器、校正器（诸如消象散器）等。在正常的（非扫描）TEM模式中，该成像系统24可以将透射电子通量聚焦到荧光屏幕26上，如果期望的话，可以缩回/收回荧光屏幕26（如由箭头26’示意性地指示的），以便使荧光屏幕26避开轴B’。将通过成像系统24在屏幕26上形成样本S（的一部分）的图像（或衍射图），并且这可以通过位于外壳2的壁的适当部分中的观察口28来观察。用于屏幕26的缩回机构可以例如本质上是机械的和/或电气的，并且在此处没有描绘。
作为对在屏幕26上观察图像的替换方案，可以替代地利用下述事实：从成像系统24发出的电子通量的焦深一般是相当大的（例如，大约1米）。 因此，可以在屏幕26的下游使用各种类型的感测设备/分析装置，诸如：
- TEM 相机30。在相机30处，电子通量可以形成静态图像（或衍射图），其可以由控制器10来处理并且被显示在显示设备（未描绘出）（诸如例如，平板显示器）上。当不需要时，可以缩回/收回（如由箭头30’示意性地指示的）相机30以便使相机30避开轴B’。
- STEM检测器32。可以将来自检测器32的输出记录为射束B在样本S上的（X,Y）扫描位置的函数，并且可以作为X、Y的函数来构建图像，该图示是来自检测器32的输出的“映射”。通常，检测器32将具有比相机30（例如，每秒102个图像）高得多的采集速率（例如，每秒106个点）。在常规工具中，与在相机30中表征性地呈现的像素矩阵相对，检测器32可以包括具有例如20 mm直径的单个像素。再一次地，当不需要时，可以缩回/收回（如由箭头32’示意性地指示的）检测器32以便使检测器32避开轴B’（但是这样的缩回在例如圆环形的环形暗场检测器32的情况下将不是必要的；在这样的检测器中，中央孔将在检测器不在使用中时允许射束通过）。
- 作为对使用相机30或检测器32进行成像的替换方案，还可以调用光谱传感器34，其可以用于执行根据本发明的EELS光谱术，如下面解释的那样。
应注意到，项目30、32和34的顺序/位置并非是严格的，并且可设想到许多可能变型。例如，光谱传感器34也可以被集成到成像系统24中（还需要将项目18重新定位）。
注意，控制器/计算机处理器10经由控制线（总线）10’连接到各种图示出的部件。该控制器10可以提供各种各样的功能，诸如同步动作、提供设定点、处理信号、执行计算以及在显示设备（未描绘出）上显示消息/信息。无需多言，（示意性地描绘的）控制器10可以（部分地）处于外壳2内部或外部，并且可以按照期望而具有单一式或复合式结构。技术人员将理解的是，外壳2内部不一定被保持在严格真空下；例如，在所谓的“环境（S）TEM”中，有意地在外壳2内引入/维持给定气体的背景大气（background atmosphere）。技术人员还将理解的是，在实践中，可能是有利的是：限制外壳2的容积以使得在可能的情况下其基本上紧抱轴B’，采取小型管的形式（例如，直径大约1 cm）（所采用的电子束穿过该小型管），但是进行加宽以适应诸如源4、样本保持器H、屏幕26、相机30、检测器32、光谱学检测器34等的结构。
在当前发明的情境中，显微镜M包括4个RF腔12、13、16和18，其功能可以解释如下：
- 腔12是TM110腔，其用作射束截断器以便对从连续/静态源4发出的射束进行脉冲。腔12可以与连续源4一起被视为形成复合式脉冲射束源4’。
- 腔14是TM010腔，其充当如上面以及在权利要求中阐述的充能腔。如已经解释的那样，腔14充当样本S上游的射束B的散束器/拉伸器。在充能腔14与样本S之间，存在初级漂移空间14’，其通过为在腔14中产生的成比例的相位空间改变（在时间能量相关性中的改变）提供增加的纵向范围（在该范围中以便在到达腔16之前使所述改变自身显现）来充当一种“增强器”。
- 腔16是TM010腔，其充当如上面以及在权利要求中阐述的时间聚焦腔。如已经解释的那样，腔16充当在射束B穿越样本S之后并且在射束B进入检测器装置34’之前的射束B的聚束器/压缩器。在时间聚焦腔16与检测器装置34’之间，存在次级漂移空间16’，其类似地通过为在腔16中产生的成比例的相位空间改变（在时间能量相关性中的改变）提供增加的纵向范围（在范围中以便在到达腔18之前使所述改变自身显现）来充当一种“增强器”。
- 腔18是TM110腔，其用作侧向偏转器，用来将射束B中的不同到达时间的（纵向）集合转换成不同偏转幅度的（侧向）集合，其对应的强度/电流可以使用传感器34来（单独地）标示。腔18可以与传感器34一起被视为形成复合式检测器装置34’。传感器34可以例如是侧向延伸的光电二极管（像素化）阵列（用于并行/同时检测），或者其可以是可侧向移动、局部化的传感器（用于串行/按顺序检测）。
这些腔12、14、16和18被布置在射束路径B’上，并且每一个都提供有进入和离开光圈（通常为一对相对定位的、小的、轴向孔），以允许它们被射束B穿越。每一个腔都经由驱动线20’和调节器20a被连接到RF激励源20（在该情况下是公共源，但是其可以替换地是多个单独的源），该调节器20a可用于单独地调整被发送到腔12、14、16、18中的每一个的驱动波形的特性（例如，幅度）。当不需要这些腔（例如，由于正使用该CPM M来收集影像而非光谱数据）时，可以简单地关闭它们；替换地/补充地，可以将它们中的一个或多个安装在可以用于将它们从射束B的路径上移开（并在需要时将它们移回到位置中）的缩回机构上。
出于给出某些设计指导的目的，应当提到以下非限制性规范：
- 从源4发出的电子的（平均）能量为30 keV。
- 以~2.998 GHz的频率（欧洲标准s带）来激励全部的腔12、14、16、18。
- 从截断器腔12发出的脉冲具有~ 0.6 eV FWHM（半最大值全宽度）的能量扩散以及~100 fs（飞秒）的持续时间。
- 初级漂移空间14’具有~ 40 cm的长度，而次级漂移空间16’具有~ 95 cm的长度。在腔12与18之间的总射束路径长度为~ 2米。在样本S与腔16之间存在~ 5cm的（自由裁量）空间。
- 这两个TM010腔14、16具有（在射束B的方向上的）~ 17 mm的有效长度。
- 用~ 2.2 MV/m的轴上峰电场来操作充能腔14。如果电子脉冲以理想相位经过充能腔14（当脉冲在该腔的中心中时，该场的零交叉），则产生~ 47 eV FWHM的总能量扩散。等到这样的脉冲到达样本S处时将其拉伸至~ 2.9 ps的时间持续时间。总的能量扩散仍为~ 47 eVFWHM，但是瞬时（非相关）扩散被降低至~ 18 meV（毫电子伏特）。
- 时间聚焦腔16具有 ~ 115 kV/m的峰电场；其不需要与腔14的峰电场一样强，因为在该点处已将脉冲进行拉伸。
- 最终，检测能量分辨率为~ 23 meV。这比样本中的非相关扩散稍高，因为该检测一定程度上受限于像差。如上面提到的，补充的第二谐波腔可以减轻这样的像差，并且从而稍微改善该分辨率——藉此，如果利用更长的脉冲进行工作的话，则该改善将更大。

Claims (9)

1.一种用于执行带电粒子光谱术的装置，包括：
- 源，用于产生沿着射束路径传播的带电粒子的脉冲射束；
- 样本保持器，用于将样本保持在所述射束路径中的照射位置处；
- 检测器装置，用于执行对穿越所述样本的带电粒子的能量区分检测，
其特征在于，在所述源与所述检测器装置之间，所述射束路径相继穿越下述各部分：
- 充能腔，用于对所述射束施加时间相关的加速场；
- 初级漂移空间；
- 所述照射位置；
- 时间聚焦腔，用于将所述射束中的能量差异转换成飞行时间差异；
- 次级漂移空间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述充能腔和所述时间聚焦腔中的至少一个包括TM010腔。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述检测器装置包括TM110腔。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其中，所述源包括TM110腔。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的装置，其中，直接在时间聚焦腔的上游或下游提供补充TM010腔，并且所述补充TM010腔被配置成产生所述时间聚焦腔中的激励的第二谐波和反转相位。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，其中，所述装置被包括在带电粒子显微镜中。
7.根据权利要求6所述的装置，其是EELS模块。
8.一种执行带电粒子光谱术的方法，包括以下步骤：
- 使用源来产生沿着射束路径传播的带电粒子的脉冲射束；
- 将样本保持在所述射束路径中的照射位置处；
- 使用检测器装置来执行对穿越所述样本的带电粒子的能量区分检测，
其特征在于以下步骤：
- 在所述照射位置的上游，使用充能腔来对所述射束施加时间相关的加速场，并且然后使该射束穿过初级漂移空间；
- 在所述照射位置的下游以及所述检测器装置的上游，使用时间聚焦腔来将所述射束中的能量差异转换成飞行时间差异，并且然后使该射束穿过次级漂移空间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
- 所述样本具有作为时间的函数而改变的属性；
- 所述脉冲射束用于聚集所述样本的瞬间光谱快照的时间系列，从而捕捉所述属性的时间演变。
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