CN110235219B - 用于电子能量损失光谱仪的谐波线路噪声校正 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电子能量损失光谱仪，其包括用于基础和三次谐波线路噪声的校正电路。还描述了用于生成校正信号的各种电路。还描述了一种校正基础和三次谐波线路噪声的方法。

Description

用于电子能量损失光谱仪的谐波线路噪声校正
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求根据35U.S.C.§119(e)享有2017年2月3日提交的题为“HARMONICLINE NOISE CORRECTION FOR ELECTRON ENERGY LOSS SPECTROMETER”的美国专利申请序列号No.62/454,263的权益，在此通过引用将其公开并入本文。
背景技术
透射电子显微镜(TEM)中的电子能量损失光谱(EELS)光谱采集利用遍历(即，穿过)薄标本的电子光谱对传感器曝光。典型地在透射电子显微镜(TEM)上在200-300kV操作电压下和1eV左右的能量分辨率附近实践EELS。最近，已经有驱动力朝向低得多的操作电压(例如，15kV)和更高的能量分辨率(例如，5meV)努力。电子能量损失光谱从0延伸到很多keV的能量损失。能量损失光谱的强度随着能量损失而迅速下降，EELS研究典型地被限于大约3keV能量损失。这个范围预期将来会随着探测器技术的改善而增大。
参考图1，在典型的现有技术电子能量损失光谱仪中，电子束5从透射电子显微镜1发出并通过孔10进入光谱仪。弯折磁体13使电子束弯折一个角度，典型弯折90度，以引入能量分散。所得的能量损失光谱被电子光学放大，被特别设计的电子探测器21上的透镜15、16、17聚焦和投射。在色散方向上聚焦是重要的，光谱未必被聚焦在非色散方向上。探测器记录能量损失光谱上什么是有效窗口。这一窗口具有开始和结束能量损失。开始能量损失典型通过调节TEM高压、弯折磁体的磁场或通过弯折磁体的隔离漂移管14上的电压而被设置。调节这些中的任何项都相对于探测器移动整个能量损失光谱，以观看光谱的不同感兴趣区。
EELS分辨率受到各种噪声和场源的限制。常见问题是电力线频率下的周期性噪声。这种噪声可以来自电磁场、地电流、未完全滤波的电源或更可能是所有这些来源的组合。在现有技术设计中，少量线路频率被作为校正信号混合到弯折磁体13上的DC场电流中。通过调节校正信号相对于电力线信号的相位，并且还调节校正信号幅度，在高于线路频率的频率下的EELS稳定性和低于线路频率的频率下的分辨率得到改善。
在现有技术的实施方式中，源波形是从电力线经由变压器或电阻分压器导出的，或者从感测电磁场的感测线圈导出。在高分辨率EELS系统中，在校正线路频率之后，另一个噪声问题是三次谐波。在电力系统基于60Hz的国家中，包括美国，线路频率的三次谐波是180Hz，而在电力系统基于50Hz的国家中，线路频率的三次谐波是150Hz。三次谐波，像线路频率，可能来自若干来源，包括场、杂散地电流和电源上的残余波纹。可以使用线圈作为传感器方法来校正场引入的噪声，而可以使用线路电压作为参考来校正线路频率噪声。
发明内容
本发明的一方面是一种电子能量损失光谱仪(EELS)，所述电子能量损失光谱仪利用具有AC电力线基础频率的交流(AC)电力线电压工作。所述EELS包括：用于产生电子能量电平的光谱的弯折磁体；直流弯折磁场激励源；以及电力线噪声校正电路，所述电力线噪声校正电路被配置为产生处于所述基础AC电力线频率的第一校正信号以及处于所述基础AC电力线频率的谐波的第二校正信号。在本发明的另一方面中，所述电力线噪声校正电路包括用于对所述AC电力线电压进行采样的采样电路。在本发明的另一方面中，所述电力线噪声校正电路包括用于间接感测所述EELS附近的AC电力线噪声的电磁场感测采样电路。在本发明的另一方面中，处于所述基础AC电力线频率的所述谐波的所述第二校正信号是独立于所述AC电力线电压产生的。在本发明的另一方面中，处于所述基础AC电力线频率的所述谐波的所述第二校正信号是通过对所述AC电力线信号或处于所述AC电力线频率与所感测电磁场成比例的信号进行波成形和滤波而产生的。在本发明的另一方面中，所述第一和第二校正信号中的每一个都可以在相位和幅度方面独立调节。在本发明的另一方面中，所述第一和第二校正信号中的每一个被通过电气方式添加到所述DC弯折磁场激励源。在本发明的另一方面中，所述第一和第二校正信号中的每一个利用变压器被耦合到弯折磁场激励源。在本发明的另一方面中，该EELS包括漂移管，并且其中所述第一校正信号和所述第二校正信号的幅度和相位调节版本被施加到为所述漂移管供电的DC电压。在本发明的另一方面中，该电力线噪声校正电路包括：模数信号转换器；微控制器；以及数模信号转换器，其中微控制器控制模数信号转换器以：对AC电力线电压采样，并在缓冲器中存储样本并且将样本从缓冲器输出至数模信号转换器，从而基于AC电力线电压的样本产生基础频率输出信号和基础输出信号的谐波。在本发明的另一方面中，所述谐波校正信号是所述基础AC电力线频率的三次谐波。
本发明的另一方面是一种用于产生校正信号的交流(AC)电力线噪声校正电路，所述校正信号包括基础AC电力线频率信号和所述基础AC电力线频率信号的谐波。该校正电路包括：配置为产生线路电压信号的线路电压传感器；模数(A/D)信号转换器；具有程序存储器和读/写缓冲存储器的微控制器；以及数模(D/A)信号转换器。该微控制器被配置为：在一采样速率下对线路电压信号进行采样，在读/写缓冲存储器中存储线路电压信号的样本，从读/写缓冲存储器读出线路电压信号的样本以生成处于AC电力线频率的第一读出以及处于AC电力线频率的谐波的第二读出，该微控制器还组合第一和第二读出以产生组合输出值，并向D/A转换器输出组合输出值，以产生组合校正信号。在校正电路的另一方面中，该微控制器还被配置为对线路电压信号的第一和第二读出之一或两者进行相移。在校正电路的另一方面中，该微控制器还被配置为对来自线路电压信号的第一和第二读出之一或两者提供单独的幅度调节。在校正电路的另一方面中，所述谐波校正信号是所述线路电压频率的三次谐波。在校正电路的另一方面中，线路电压传感器是变压器。在校正电路的另一方面中，线路电压传感器是电磁场传感器。在本发明的另一方面中，将校正电路用于受到与AC电源相关联的噪声的电子能量损失光谱仪(EELS)，EELS具有：由弯折磁体激励电流供电的弯折磁体，并将组合校正信号施加到弯折磁体激励电流以校正与AC电源相关联的噪声。
本发明的另一方面是一种校正电子能量损失光谱仪(EELS)中的AC电源噪声的方法，该方法包括如下步骤：对AC电力线电压进行采样，调节AC电力线电压的幅度和相位以生成基础频率校正信号，生成处于AC电力线电压的谐波的信号，调节处于AC电力线电压的谐波的信号的幅度和相位以生成谐波校正信号，并向EELS中的弯折磁体施加基础和谐波校正信号。在该方法的另一方面中，包括以下步骤：基于来自所述EELS检测的光谱的反馈，自动调节所述基础和所述谐波校正信号之一或两者的所述幅度和相位之一或两者
附图说明
被并入本说明书中并构成本说明书一部分的附图例示了本文描述的一个或多个实施例，并与说明书一起解释实施例。在附图中：
图1是具有电子能量损失光谱仪的现有透射电子显微镜的图示。
图2是具有结合了三次谐波信号较高电路的电子能量损失光谱仪的示范性透射电子显微镜的图示。
图3是用于产生基础和谐波校正信号的示范性系统的框图。
图4是用于图3的系统的微控制器的流程图。
图5是示范性系统的框图。
图6是用于校正EELS中的电力线关联噪声的示范性方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记标识相同或相似的元件。根据本文描述的实施例，EELS电子显微镜可以包括用于电力线频率的谐波的校正器。在一些实施例中，线路频率中的噪声可以仍然如现有技术中那样被校正，方式是向弯折磁体DC激励电流添加少量的线路频率。如下所述，还可能引入线路频率的三倍的第二项，用户对来自线路频率波形的相移进行控制，并对三次谐波信号进行幅度控制。
参考图2，图2中也示出了与现有EELS(图1)类似编号的部件，包括了三次谐波信号发生器30以产生三次谐波波形。根据本说明书，三次谐波信号发生器30可以通过各种方式生成三次谐波，包括，但不限于，使用正弦表以驱动数模转换器，直接实时计算波形信号以驱动数模转换器，滤波脉冲宽度调制，自由运行的模拟振荡器，或通过对线路频率波形进行平方或其他波成形并滤波以获得平方线路频率波形的谐波分量。
在图3所示且下文更详细所述的示范性实施例中，由微处理器产生三次谐波，该微处理器具有电力线信号作为输入或其数字表示用于参考。
无论产生三次谐波校正信号的模块如何，还必须控制且能够调节信号相对于线路频率的相位。为了完成这一目的，必须要对线路频率采样，或者直接从电源向EELS采样，或者直接或经由变压器或间接利用场传感器31以感测接近EELS的区域中的EMF。
可以通过各种已知方式控制三次谐波校正信号相对于基础线路频率的相位，包括，但不限于基于模拟运算放大器的相移器、锁相环、数字或模拟延迟线，或者对于数字方式产生的信号而言，通过从基础线路频率在时间上可变地偏移驱动数模转换器的电压值的过零电平。
可以使用已知模块控制三次谐波校正信号的幅度，例如，包括以数字方式或在包括可变电阻器的模拟电路中被控制的可变增益级。
图3中示出了用于产生校正信号的示范性系统，该校正信号具有基础电力线频率和基础电力线频率的三次谐波的分量。如图所示，电力线电源310被输入到隔离变压器320中，这也将电力线电压降低到更适合电子处理，例如8伏峰到峰的信号电平。由模数(A/D)转换器330对来自隔离变压器320的隔离AC电源信号进行采样，该转换器在微控制器340的控制之下并向其提供数字输出。微控制器340包括嵌入式程序存储器和数据存储器。微控制器340使用A/D转换器330以足以精确再现AC电源信号的采样速率对隔离AC电源输入采样，在一个实施例中，该AC电源信号可以基本为正弦波。微控制器340在存储器缓冲器(可以是环形缓冲器)中对AC电源信号进行采样。环形缓冲器存储输入基础线路频率波形的一个或多个完整周期，足以供微控制器读出，即，从存储的波形回放合成波形。使用环形缓冲器允许输入波形的存储是连续的，使得在到达缓冲器的末端时，存储简单地环绕回缓冲器的开始。以类似方式完成缓冲器的读出。微控制器340以采样速率读出存储器缓冲器中的内容，以产生基础频率AC电源校正信号，并且还以三倍采样速率读出存储器缓冲器的内容，以产生处于基础频率的三次谐波的第二校正信号。
根据本文描述的实施例，可以相对于输入AC电源信号的过零，通过移位独立调节基础频率校正信号和三次谐波频率校正信号的相位，其中，在存储器缓冲器中，相对于AC电源信号的过零，读出所存储的采样AC电源信号。从存储器缓冲器读出基础频率信号和读出三次谐波信号均可以被独立的用户输入或反馈产生的增益信号倍增，并在然后被汇总在一起以产生单个输出值，该输出值被输出到数模转换器350，以产生模拟校正信号351，其被缓存并施加到EELS弯折磁体和/或EELS漂移管，如本文所述。
图4示出了本文相对于图3所述实施例的微控制器340和60Hz线路频率的示范性流程图。在步骤410，微控制器340周期性地利用A/D转换器320读取变压器隔离的60Hz线路信号的样本。在示范性实施例中，采样速率为19.2kHz。在步骤420，微控制器340在存储器缓冲器，例如环形缓冲器中存储A/D值。在步骤430，微控制器340在具有第一延迟的情况下以A/D采样速率读出存储器缓冲器值，用于相对于AC电源电力线信号对60Hz校正信号进行相位调节。在步骤440，微控制器340在具有第二延迟的情况下以三倍A/D采样速率读出存储器缓冲器值(在实施例中，跳过存储器缓冲器中的每个第二和第三值)，用于相对于AC电源电力线信号对180Hz校正信号进行相位调节。
在步骤450，微控制器340根据用户输入或基于自动化反馈环路对60Hz和180Hz校正信号进行增益调节。在步骤460，微控制器340对经过相位调节和增益调节的60Hz和180Hz校正值进行求和。在步骤470，将所求和值输出到D/A转换器350，以用于校正EELS。
可以在反馈环路中人工或自动调节校正信号的相位和幅度，该环路包括用于测量EELS的输出中的三次谐波的效应的模块。
图6描述了用于校正与AC电力线相关的EELS中的噪声的示范性方法，包括处于AC电力线基础频率的谐波的噪声。
在步骤610，由微控制器经由A/D转换器对AC电力线电压进行采样。例如，样本可以直接来自硬连线源，或者由电磁场传感器产生，用于发送由EELS附近的AC电力线产生的EMF。在步骤620，调节被采样AC电力线电压的幅度和相位以生成基础频率校正信号。
在步骤630，通过以基本为三倍采样速率的速率读出环形存储器缓冲器，来产生处于AC电力线电压的谐波的信号。在步骤640，调节处于AC电力线电压的谐波的信号幅度和相位，以生成谐波校正信号。在步骤650，组合(例如，求和)基础和谐波校正信号以产生组合校正信号。在步骤660，将组合校正信号施加到EELS中的弯折磁体。在该方法的另一实施例中，将校正信号施加到EELS中的漂移管。
图5是示出装置500的示范性物理部件的图示。装置500可以对应于上述系统，例如EELS系统、主机计算机等中的各种装置。装置500可以包括总线510、处理器520、存储器530、输入部件540、输出部件550和通信接口560。
总线510可以包括允许在装置500的部件之间进行通信的路径。处理器520可以包括处理器、微处理器或可以解释并执行指令的处理逻辑器件。存储器530可以包括任何类型的动态存储装置，其可以存储信息和指令，以供处理器520执行，和/或任何类型的非易失性存储装置，其可以存储供处理器520使用的信息。
软件535包括提供功能和/或过程的应用程序或程序。软件535还意在包括固件、中间件、微码、硬件描述语言(HDL)和/或其他形式的指令。例如，相对于包括提供工作认证证据的逻辑的网络元件，这些网络元件可以被实现为包括软件535。此外，例如，装置500可以包括软件535，以执行上文结合图4所述的任务。
输入部件540可以包括允许用户向装置500输入信息的机构，例如键盘、小键盘、按钮、开关等。输出部件550可以包括向用户输出信息的机构，例如显示器、扬声器、一个或多个发光二极管(LED)等。
通信接口560可以包括收发器，收发器使得装置500能够经由无线通信、有线通信或无线和有线通信的组合而与其他装置和/或系统通信。例如，通信接口560可以包括用于经由网络与另一装置或系统通信的机构。通信接口560可以包括用于发射和/或接收RF信号的天线组件。在一种实施方式中，例如，通信接口560可以与网络和/或连接到网络的装置通信。替代地或此外，通信接口560可以是逻辑部件，逻辑部件包括输入和输出端口、输入和输出系统和/或方便向其他装置传输数据的其他输入和输出部件。
装置500可以响应于处理器520执行计算机可读介质，例如存储器530中包含的软件指令(例如，软件535)而执行特定操作。计算机可读介质可以被定义为非暂态存储器件。一种非暂态存储器件可以包括单个物理存储器件之内或跨越多个物理存储器件分布的存储空间。可以将软件指令从另一计算机可读介质或从另一装置读入存储器530中。存储器530中包含的软件指令可以导致处理器520执行本文描述的过程。或者，可将硬连线的电路与软件指令结合使用或替代之使用，来实施本文描述的过程。因此，本文描述的实施方式不限于硬件电路和软件的任何具体组合。
装置500可以包括与图5所示那些相比更少的部件、额外的部件、不同的部件和/或布置不同的部件。例如，在一些实施方式中，装置500中可以不包括显示器。在这些情况下，装置500可以是不包括输入部件540的“无头”装置。作为另一个示例，装置500可以包括一个或多个开关织构以替代或补充总线510。此外，或者替代地，装置500的一个或多个部件可以执行被描述为由装置500的一个或多个其他部件执行的一个或多个任务。
尽管上文已经描述了不同实施方式，但要明确理解的是，对于相关技术领域的技术人员而言显而易见的是，可以修改实施方式而不脱离本发明的精神。例如，尽管描述了三次谐波校正信号，但描述的系统也可以用于产生和校正可能存在并影响EELS弯折磁体或漂移管的线路频率的任何其他谐波。可以对本发明做出各种形式、设计或布置的改变而不脱离本发明的精神和范围。因此，要将上述描述视为示范性的，而非限制性的，本发明的真实范围是有以下权利要求限定的。
应当强调的是，术语“包括/包含”在本说明书中使用时是指定存在所陈述的特征、整数、步骤或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、部件、或其分组。
本申请中使用的任何元件、动作或指令都不应被解释为对于本文描述的实施方式是关键性或必要的，除非明确做出这种描述。而且，如本文所用，冠词“一”意在包括一个或多个项目。此外，除非明确做出其他表述，术语“基于”意在表示“至少部分地基于”。

Claims (19)

1.一种电子能量损失光谱仪(EELS)，所述电子能量损失光谱仪利用具有AC电力线基础频率的交流(AC)电力线电压工作，其包括：
用于产生电子能量电平的光谱的弯折磁体；
直流弯折磁场激励源；以及
电力线噪声校正电路，所述电力线噪声校正电路被配置为产生处于所述AC电力线基础频率的第一校正信号以及处于所述AC电力线基础频率的谐波的第二校正信号，
其中所述电力线噪声校正电路包括用于对所述AC电力线电压进行采样的采样电路。
2.根据权利要求1所述的EELS，其中所述电力线噪声校正电路包括用于间接感测所述EELS附近的AC电力线噪声的电磁场感测采样电路。
3.根据权利要求1所述的EELS，其中处于所述AC电力线基础频率的所述谐波的所述第二校正信号是独立于所述AC电力线电压生成的。
4.根据权利要求1所述的EELS，其中处于所述AC电力线基础频率的所述谐波的所述第二校正信号是通过对所述AC电力线电压或处于所述AC电力线基础频率的与所感测电磁场成比例的信号进行波成形和滤波而产生的。
5.根据权利要求1所述的EELS，其中所述第一校正信号和所述第二校正信号中的每一个在相位和幅度方面是能够独立调节的。
6.根据权利要求1所述的EELS，其中所述第一校正信号和所述第二校正信号中的每一个被通过电气方式添加到所述DC弯折磁场激励源。
7.根据权利要求1所述的EELS，其中所述第一校正信号和所述第二校正信号中的每一个利用变压器耦合到所述直流弯折磁场激励源。
8.根据权利要求1所述的EELS，还包括漂移管，并且其中所述第一校正信号和所述第二校正信号的幅度和相位调节版本被施加到为所述漂移管供电的DC电压。
9.根据权利要求1所述的EELS，其中所述电力线噪声校正电路包括：
模数信号转换器；
微控制器；以及
数模信号转换器；
其中所述微控制器控制所述模数信号转换器以：
对所述AC电力线电压采样，并且
在缓冲器中存储所述AC电力线电压的样本并且从所述缓冲器向所述数模信号转换器输出所述样本，使得基于所述AC电力线电压的所述样本产生基础频率输出信号和所述基础频率输出信号的谐波。
10.根据权利要求9所述的EELS，其中所述谐波是所述AC电力线基础频率的三次谐波。
11.一种用于产生校正信号的交流(AC)电力线噪声校正电路，所述校正信号包括处于AC电力线基础频率的信号和处于所述AC电力线基础频率的所述信号的谐波，其包括：
被配置为产生线路电压信号的线路电压传感器；
模数(A/D)信号转换器；
具有程序存储器和读/写缓冲存储器的微控制器；以及
数模(D/A)信号转换器；
其中所述微控制器被配置为：
以一采样速率对所述线路电压信号进行采样，
在所述读/写缓冲存储器中存储所述线路电压信号的样本，
从所述读/写缓冲存储器读出所述线路电压信号的所述样本，以生成处于所述AC电力线基础频率的第一读出以及处于所述AC电力线基础频率的谐波的第二读出，
组合所述第一读出和所述第二读出以产生组合的输出值，以及
向所述D/A信号转换器输出所述组合的输出值以产生组合的校正信号。
12.根据权利要求11所述的AC电力线噪声校正电路，其中所述微控制器还被配置为对来自所述线路电压信号的所述第一读出和所述第二读出之一或二者进行相移。
13.根据权利要求11所述的AC电力线噪声校正电路，其中所述微控制器还被配置为提供来自所述线路电压信号的所述第一读出和所述第二读出之一或两者的幅度的单独调节。
14.根据权利要求11所述的AC电力线噪声校正电路，其中所述谐波是所述AC电力线基础频率的三次谐波。
15.根据权利要求11所述的AC电力线噪声校正电路，其中所述线路电压传感器是变压器。
16.根据权利要求11所述的AC电力线噪声校正电路，其中所述线路电压传感器是电磁场传感器。
17.一种受到与AC电源相关联的噪声影响的电子能量损失光谱仪(EELS)，包括：
由弯折磁体激励电流供电的弯折磁体；以及
根据权利要求12所述的交流(AC)电力线噪声校正电路，
其中所组合的校正信号被施加到所述弯折磁体激励电流以校正与AC电源相关联的噪声。
18.一种校正电子能量损失光谱仪(EELS)中的AC电源噪声的方法，包括以下步骤：
对AC电力线电压进行采样，
调节所述AC电力线电压的幅度和相位，以生成基础频率校正信号，
生成处于所述AC电力线电压的谐波的信号，
调节处于所述AC电力线电压的所述谐波的所述信号的幅度和相位，以生成谐波校正信号，以及
向所述EELS中的弯折磁体施加所述基础频率校正信号和所述谐波校正信号。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
基于来自所述EELS检测的光谱的反馈，自动调节所述基础频率校正信号和所述谐波校正信号之一或两者的所述幅度和所述相位之一或两者。
CN201880009674.4A 2017-02-03 2018-02-01 用于电子能量损失光谱仪的谐波线路噪声校正 Active CN110235219B (zh)

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