CN1769876A - 大动态范围能谱的能量稳定接收方法与其装置 - Google Patents

Abstract

大动态范围能谱的能量稳定接收方法与其装置，属于能谱测量分析方法和仪器。本发明对大动态范围能谱，提出强信号和弱信号进行分段接收的方法，即对能谱的高强度区段用快响应探测器接收，高强度能谱区段以外的弱信号用多通道并行探测器接收；同时对快响应探测器接收的谱信号进行漂移检测，并通过反馈校正实现整个能谱的能量稳定接收。通过应用上述方法的两种探测器的协同作用，在分段采集能谱数据的同时稳定谱的能量位置，可在更宽的能量范围，以更高的实际能量分辨率观察到大动态范围能谱的精细结构，为能谱的定量分析提供技术保证。

Description

大动态范围能谱的能量稳定接收方法与其装置

技术领域

本发明涉及一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法与其装置，属于能谱测量分析方法和仪器技术领域。

背景技术

现有能谱接收技术的普遍性问题与缺陷

在实际应用中，我们需要对各种各样信号的能谱进行采集，以获取能谱所包含的大量信息。所述的能谱是通过能量分析器变信号的能量分布为相关信号的空间位置分布而得到的，在这种能谱接收条件下，可能存在的问题有：

(i)许多能谱的信号强度具有很大的动态范围，也就是能谱中信号强度的最高值和最低值相差很大。强度极弱的谱信号检测需要高效率探测器长时间接收，但能谱中的强信号会饱和同一探测器的接收能力。故用单一探测器同时采集这类能谱存在一定困难。

(ii)如果通过改变接收时间等手段对大动态范围能谱信号的不同强度区域依次分别检测，不能保证信号在整个采集时间内不变。

(iii)另外在长时间能谱信号记录过程中，如果由于(能量漂移、机械振荡等)各种原因造成能量分析器后的能谱空间分布在记录平面不能形成一个固定的图形，这会造成能谱的实际分辨率降低。

电子能量损失谱

当入射电子穿透薄样品时，与样品发生弹性及非弹性相互作用，电子将损失一部分能量。如果将出射电子按其损失的能量进行分散，在能量分散平面上依信号强度统计计数，便得到电子的能量损失谱。通常能量损失谱分成三个部分：一是零损失峰(Zero-Loss Peak，以下简称零峰)，它包括未经过散射和经过纯弹性散射的透射电子，以及部分能量损失小于能量分析器分辨能力的准弹性散射的透射电子的贡献，对薄样品来说，零峰是电子能量损失谱的最强峰；二是能量损失小于50eV的区域，称为低能损失区(Low-loss region)，这部分主要包括激发等离子振荡(Plasmon Oscillation)和激发晶体内电子的带间跃迁的透射电子，其强度可以是零峰强度的1/50或更弱；三是高能损失区，主要是来自激发样品中原子内壳层电子的透射电子的贡献。其强度比低能损失区的能谱信号耕弱，并且随着能量损失的增加，电子能量损失谱强度减小。图3为超薄碳化硅样品的(透射)电子能量损失谱图。其中低能损失区的最强信号不到零损失峰的1％。另外硅原子的L吸收边峰的信号强度为零损失峰强度的万分之一或更弱，碳原子的K吸收边峰的信号强度大概是零损失峰强度的十万分之一。所以电子能量损失谱的接收需要大动态范围的能谱接收装置。电子能量损失谱提供了大量关于试样的信息，比如化学成分，化学键合，固体的结构、电子、振动等性质，与透射电子显微镜结合后，也是纳米尺度下原位表征材料的结构、性质等信息的重要手段。

电子能量损失能谱的动态范围

对电子能量损失谱，高强度能谱区段为零损失峰或零损失峰和低能损失区；高强度能谱区段以外的谱为弱小信号区段，即包括对应各原子的内壳层电子激发的电子能量损失信号的高能损失区。对整个电子能量损失谱，待测强信号与弱小信号的强度比约为10³或更大，可以看到，若同时采集电子能量损失谱的各区段，零损失峰和低能损失区的强度较高，测量仪器采集到的信号将会较强；高能损失区的强度较弱，采集到的信号则将会较弱，以至短时间内探测器只能够采集高强度能谱区段的信号，而弱小信号区段的信息因与噪声信号可比拟难以检测，如图4(a)所示；通过延长探测器的接收时间可以提高弱小信号的采集能力，但此时探测器因不能对强信号区段的谱信号进行线性接收，因而会出现平台区，如图4(b)所示。目前，谱的强度变化范围常等于或超过的电子能量损失谱仪的测量元件所能达到的最大动态范围(10⁴)。

电子能量损失谱的能量漂移特征

在外界电场、磁场或能谱装置的机械振动作用下，整个接收的能谱会发生能量损失位置的漂移。但是其特征是能谱的各区段在能量分散平面上的相对位置保持不变。这种性质，既为能谱能量不稳定发生波动的原因，也是我们通过控制外加电场、磁场实现稳定电子能量损失谱的基础。

电子能量损失谱的接收形式

现有技术中，电子能量损失谱的采集方式分串行采集和并行采集两种：

(1)串行采集方法

电子束穿透样品后，经过能量分析器进行能量分散。如果我们将出射的电子在能量发散平面上周期地扫描调制，用能量选择狭缝选择使得特定能量的电子经过狭缝，被单通道探测器接收并转化为电信号。不同能量损失的电子束强度顺次被串行探测器接收，将空间分布的谱转化成时域上变化的信号，经信号处理得到电子能量损失谱。这种方法称串行采集方法，其优点在于：可通过改变串行探测器的采样周期来满足对高强度能谱区段谱的线性接收，可顺次反复采集大动态范围的谱信息来提高对弱能谱信号的检测能力。

此外，串行方法可以通过改变扫描方式，实现灵活的串行扫描，避免仪器的响应特性掩盖电子能量损失谱的信息。通常，在谱仪的扫描装置上施加正扫描的锯齿波，所谓正扫描是指串行扫描信号的极性使得电子能量损失谱的零峰、低能损失区段和高能损失区段能依次在能量发散平面上经过单通道检测器。但以电子-光子转换元件(如闪烁体、YAG晶体)为主的单通道检测器存在响应函数，响应函数大致形状为强度依时间作指数衰减(如图5(a)所示)，其衰减的特征时间一般为100ns，也就是电子-光子元件的辉光时间。在脉冲激励下(也就是一定能量的电子束流入射时)，电子-光子转换元件的输出为激励函数(也就是电子能量损失谱，如图5(b)所示)和仪器响应函数的卷积。如果由强度高的零峰和低能损失区向强度低的高能损失区扫描，与零峰卷积的仪器响应函数产生的信号将与低能损失区附近的弱谱信号可比拟，这将掩盖我们所关心的弱谱信号信息，如图5(c)所示。例如，电子能量损失谱零损失峰附近的谱信息反映绝缘体价带与导带间的带隙，这个信息对研究半导体、绝缘体的性质很重要，而仪器响应函数的信号恰恰会掩盖这一信息。

(2)并行采集方法

相比串行探测器每次只读取单个通道的信息，获取多通道信息要靠扫描完成，并行的方法利用多通道并行探测器同时采集多个通道的谱信息。对弱小信号，并行方法具有效率较高的优势。高效率的并行采集技术可以接收很弱的高能量损失区段的能谱。串行方法接收同样强度的弱小信号则需要更长的扫描时间和多次的累积放大。

然而，并行的方法采集低能损失区附近的谱信号也有缺点。当电子束以几何点照射到YAG晶体上(将电子信号转化为光信号的器件)，由于YAG晶体的响应函数同样为如图5(a)所示的指数衰减形式，强的电子束斑将产生一个辉光区域。并行接收的谱信号为多个辉光区域的叠加，也就是实际电子能量损失谱信号与仪器响应函数的卷积函数，同样如图5(c)所示。这个结果同样说明零峰附近的谱信息会被淹没。

此外，若同时采集多个通道的谱强度，也就是并行采集，面阵探测元件CCD(多通道并行探测器中的一个接收装置)的动态范围小于全谱的动态范围，并不能实现对大动态范围能谱在大能量范围的线性接收。

影响电子能量损失谱的能量分辨率的技术瓶颈

电子能量损失谱中有关固体的结构、成分等信息虽然很丰富，但影响它们在材料研究中的应用的技术瓶颈是能谱在实际使用中实现的能量分辨率往往低于电子源的单色度(本征能量分散度)。通常场发射电子源的电子单色度为0.25电子伏。使用了电子单色器的电子源的能量分布可被限制在0.1-0.2电子伏。但当探测器的接收时间长到一秒以上，能谱实际达到的能谱能量分辨率急剧下降，可达到1个电子伏或更差。实际上，要从样品中得到试样的化学成分信息至少要3eV的能量分辨率；要得到试样的化学键信息需要0.5eV的能量分辨率；得到试样的电子结构信息则需要0.1eV的能量分辨率；若要得到试样的晶格振动性质则需要几个毫电子伏的能量分辨率。实际能量分辨率直接限制对电子能量损失谱精细结构的研究。

不论用串行还是并行接收方法，谱的能量分辨率均受以下几个因素影响：1.电子枪源的加速高压不稳。2.谱仪的光学电子装置的供电不稳。3.谱仪的光学电子装置的机械振动。其中，电子枪源高压不稳是主要因素。为了解决此问题，Gatan公司的Krivanek等人曾经提出(见文档US Patent 5,097,126)，在高压源出射电子束的路径上放置一位置偏移探测狭缝，探测电子束能量偏移信号并直接反馈到高压源。这种方法直接对高压源进行稳定，仅消除电子枪源高压不稳这一因素。电子束从电子枪源出射到能谱记录平面进行采集的过程中，仍有其他的因素造成能谱的能量位置漂移，因该方法并没完全解决能量稳定问题。而且，探测狭缝遮挡一部分电子束，降低电子束的亮度，对透射电子显微镜的成像有一定影响。

Hitachi公司的Kaji，Kazutoshi等人提出探测CCD上电子能量损失谱的零损失峰(见文档European Patent EP 1 209 720 A2)。首先规定一个零损失峰的参考位置。每次采集后将一次CCD曝光数据中最大值作为该次采集零损失峰的位置，与参考位置比较，得到谱的能量位置漂移量，进行反馈控制。但是，这种方法依赖于CCD上必须出现零损失峰的条件，否则不能够提供谱的偏移量。而且由于零峰强信号的接收，该方法不能实现大动态范围的能谱的线性接收，即面阵探测元件的动态范围不足以表征待测弱小信号中的特征峰信息。另外，由面阵探测元件采集的信息稳定能谱，反馈控制需要在能谱采集之后实施，而能谱采集的时间为几秒至几十秒不等，该方法不可能稳定频率较高(几十赫兹)的能量漂移。

宾西法尼亚大学的Pieter Kruit等人提出用荧光屏探测电子能量损失谱零损失峰的位置，双光电二极管探测器给出正比于零峰能量位置漂移量的电信号，将这个电信号放大，作为反馈控制补偿能量位置漂移，实现稳定整个能谱。但这种方法仅提供零损失峰的位置信息，丢失零损失峰附近的实际能谱信息。

电子能量损失谱的分析需要

实验测得的电子能量损失谱上叠加的原子内壳层电子激发谱含有系统点展宽函数的卷积和膜厚带来的多重散射效应。同时接收的零损失峰可以用来倒卷积出内壳层电子激发谱的信息；同时接收的包括零损失峰在内的低能损失谱信息可以用来倒卷积出附在内壳层电子激发谱上的多重散射信息。

本发明的目的是提供一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法与其装置，一方面利用具有不同采集效率的探测器同时测量实现能谱的有效动态范围的提高，另外利用强信号所需接收时间短的特点，通过对高强度能谱区域信号开展实时能量位置漂移的监控和校正，实现全能谱范围的能量稳定的接收。

本发明的技术方案如下：

一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)将信号的能量分布转化成空间位置的分布；

2)对高强度能谱区段的信号采用快响应采集：

a.利用快响应探测器反复采集高强度能谱区段的谱信号，周期性地将其信号在空间位置的强度分布转化成时域上强度变化的信号；所述快响应探测器的采样周期应满足高强度能谱区段信号的线性接收；

b.该时域上变化的信号被分成两路；其中一路信号中的一个采样周期内的谱信号被提取作为参考信号，然后提取随后每个采样周期内的谱信号相对参考信号的时域漂移量，作为整个能谱的能量漂移检测的依据，经过反馈控制器计算产生校正能谱漂移的反馈控制信号，用以稳定整个能谱；将另一路信号按所述的采样周期处理，对每采样周期内的信号反方向平移与其时域漂移量相同的通道数，然后累积获得能量稳定的高强度能谱区段的谱信号；经数次累积，输出至谱显示、存储及分析装置；

3)对高强度能谱区段以外的谱信号采用多通道并行探测器采集：

用多通道并行能谱探测器接收经过稳定后的高强度能谱区段以外的空间分布能谱；并输出至谱显示、存储及分析装置；

4)对分别接收的高强度能谱区段的信号和高强度能谱区段以外的信号进行探测效率的校正，获得强度依能量分布的整个大动态范围能量稳定的能谱。

上述方法的步骤2)中所述的快响应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对能谱的空间分布加以一个位置调制的扫描信号，使不同能量的信号以所述的采样周期相对一个单通道接收器顺次被接收，且转换成时域上强度变化的信号，同时对未经过单通道接收器的能谱信号进行解调制，以便为多通道并行探测器同时接收；所述的串行接收方法或通过仅对单通道接收器加以一个空间位置调制的扫描信号实现；所述的扫描信号为正扫描的锯齿波、反扫描的锯齿波、正弦波、半周期单调递增或递减函数波；所述的并行接收方法采用多通道并行接收器，其采样周期满足高强度能谱区段谱的线性接收。

本发明所述方法的技术特征还在于：所述步骤2)中的漂移检测采用互相关方法，即计算所述的各采样周期内的谱信号与参考信号的互相关函数，其互相关函数最大值对应的自变量表示采样周期内谱信号与参考信号的时域漂移量；所述的反馈控制信号，采用经自适应滤波后利用比例积分微分反馈控制的方法进行计算。

本发明还提供了一种采用上述方法的大动态范围电子能量损失谱的能量稳定接收装置，其特征在于：该装置包括磁棱镜电子能量分析器，设置在磁棱镜内的电子束漂移管，电子光学控制器，快响应能谱探测器，多通道并行能谱探测器，能谱稳定控制器以及能谱的显示、存储及分析装置；所述的电子光学控制器的控制端分别与磁棱镜电子能量分析器、快响应能谱探测器和多通道并行能谱探测器的输入端相连，并与电子束漂移管的电极相连接；所述的能谱稳定控制器包括漂移检测、反馈控制器和漂移校正谱的累积模块，漂移检测模块的输出端分别与反馈控制器和漂移校正谱的累积模块相连，所述的反馈控制器的信号输出连接电子束漂移管；所述的快响应能谱探测器的输出端分别与所述的能量稳定控制器中的漂移检测和漂移校正谱的累积模块相连；所述的快响应能谱探测器和多通道并行能谱探测器依次设置在该装置的光路中，所述的多通道并行能谱探测器的输出端与能谱的显示、存储及分析装置。

本发明所提供的装置的技术其特征还在于：所述的快响应能谱探测器包括纳米马达，固定在纳米马达动片上的线探测器，光电倍增管，置于光电倍增管探测窗前端的用于接收线探测器产生的二次电子的闪烁体，串行采样扫描信号发生器，位于线探测器后的解调制板，将光电倍增管输出的信号进行放大的电流-电压放大器，用于接收该放大器模拟信号的A/D转换电路；所述的反馈控制器由自适应滤波器、比例积分微分反馈控制模块以及D/A转换电路组成，漂移校正谱的累积模块由漂移校正子模块和谱累积子模块组成；所述的D/A转换电路的反馈信号，串行采样扫描信号发生器的扫描信号和电子光学控制器的输出信号输入信号加法器，信号加法器的输出连接电子束漂移管；所述的线探测器方向与谱的空间位置分布方向垂直，并且在电子束照射下产生与电子束流强度呈正比例的二次电子。

在本发明提供的大动态范围能谱的能量稳定接收装置中所述的快响应能谱探测器也可采用基于电荷藕荷的并行能谱探测器或基于光电二极管阵列平行接收器，其采样周期满足高强度能谱区段谱的线性接收；快响应能谱探测器的输出端分别与所述的能量稳定控制器中的漂移检测和漂移校正谱的累积模块相连；能谱稳定装置中所述的反馈控制器由自适应滤波器、比例积分微分反馈控制模块以及D/A转换电路组成，漂移校正谱的累积模块由漂移校正子模块和谱累积子模块组成；所述的D/A转换电路的反馈信号，串行采样扫描信号发，生器的扫描信号和电子光学控制器的输出信号输入信号加法器，信号加法器的输出连接电子束漂移管，所述的快响应能谱探测器的输出端通过串行接收缓冲区分别与漂移检测模块和漂移校正子模块相连。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性进步：应用不同记录效率的探测器分段接收不同强度能谱区段的混合型能谱接收模式，可以同时正确地实现电子能量损失谱精细结构在大动态范围内的线性记录。混合型接收的能谱信息大都来自于多通道并行能谱探测器，这就保留了现有技术中并行方法较高效率的优势。快响应能谱探测器的应用保留了现有技术中串行数据采集方法快响应和大动态范围接收的优势。通过改进的能量稳定方法和装置，可以使本发明提到的装置采集的电子能量损失谱或类似能谱，特征峰锐化，具有更高的能量分辨率。强信号采集和漂移信号提取过程中的数字化技术应用①可以使我们采用多种基于数字信号的算法，控制程序可排除大量的噪声干扰，提高的低信噪比容忍度。②互相关的数字处理漂移检测算法可实现将由快响应接收器获得的电子能量损失谱强信号区段即使不包括零损失峰，但仍可以低能量损失区段的某特征峰作为参考信号来稳定整个能谱。③灵活选择反馈控制模型使我们优化反馈回路的响应参数，并杜绝自激振荡等有害控制的发生。另外，在使用串行接收方法的快响应接收器，可使用锯齿波等可灵活改变的扫描信号反方向扫描，改变快速响应接收装置的响应函数，避免零峰的响应信号与电子能量损失谱的精细结构叠加，可得到零峰附近的能谱信息。

快响应能谱探测器和多通道并行能谱探测器的协同作用，即使用混合型探测器使不同接收效率的能谱接收器的协同作用，与仅使用单一能谱探测装置相比，扩大了能谱仪器可接收信号强度的动态范围和能量损失接收范围，同时得到实时、能量稳定的能谱，而且为测试位置样品厚度和多重散射的倒卷积处理等数据处理过程，提供了技术保证。

附图说明

图1是本发明提供的大动态范围能谱的能量稳定接收方法的实施例结构简图。

图2(a)为本发明提供的大动态范围能谱的能量稳定接收装置的结构示意图。

图2(b)为本发明提供的大动态范围能谱的能量稳定接收装置的另一种形式实施例中快响应能谱探测器的结构示意图，其他部分的细节同图2(a)。

图3是碳化硅的电子能量损失谱。

图4(a)、(b)表示现有技术中的多通道并行采集方法不同曝光时间下得到的结果。

图5为串行采集时，扫描信号为正扫描，仪器响应函数、电子能量损失谱图和接收能谱信号的结果。

图6为串行采集时，扫描信号为反扫描，仪器响应函数、电子能量损失谱图和接收能谱信号的结果。

图7(a)表示电子束位于参考位置时，快响应能谱探测器12输出的单周期信号，作为漂移检测模块的“参考信号”。

图7(b)表示电子束偏离参考位置时，快响应能谱探测器12输出的单周期信号，作为漂移检测模块的“采集谱信号”。

图8(a)、(b)分别为半周期单调递减的正弦波和反方向扫描的锯齿波。

图9(a)表示采用正弦波作智能扫描信号时零损失峰分别位于A，B，C空间位置时，零损失峰对应时域上的位置。

图9(b)表示采用正扫描锯齿波作串行采样扫描信号时零损失峰分别位于同图5(a)的A，B，C空间位置时，零损失峰对应时域上的位置。

图10(a)、(b)和(c)分别表示电子能量损失谱的分段采集中选取不同能谱区段，快响应能谱探测器12和多通道并行能谱探测器13采集到的谱信号。

图11给出一个比例积分微分反馈系统的输出输入比(幅值)和输出输入信号相位差(相值)与输入信号频率的关系，包括理论计算和测试结果，也称为系统的幅相曲线，波特(Bode)图。

具体实施方式

本发明提供的大动态范围能谱的能量稳定接收方法，其技术方案是先将信号的能量分布转化成空间位置的分布；对高强度能谱区段的谱信号采用快响应探测器采集：a.利用快响应探测器反复采集高强度能谱区段的谱信号，周期性地将其信号强度在空间位置的分布转化成时域上变化的信号；所述快响应探测器的采样周期应满足高强度能谱区段谱的线性接收；所述的高强度能谱区段指含有谱的最强峰或强度至少为待测弱小信号的10²倍的其他特征谱峰；b.该时域上变化的信号被分成两路；将其中一个采样周期内的信号作为参考，然后提取以后每个采样周期内的谱信号相对参考信号的时域漂移量，作为整个能谱的能量漂移检测的依据，经过反馈控制器计算校正能谱漂移的反馈控制信号，稳定整个能谱；将另一路信号分采样周期处理，对每采样周期内的信号反方向平移与其时域漂移量相同的通道数，然后累积获得能量稳定的高强度能谱区段谱信号；经数次累积，输出至谱显示、存储及分析装置。对高强度能谱区段以外的谱信号采用多通道并行探测器采集：用多通道并行能谱探测器接收经过稳定后的高强度能谱区段以外的空间分布能谱；并输出至谱显示、存储及分析装置。对分别接收的高强度能谱区段的谱信号和高强区段以外的谱信号进行探测效率的校正，获得强度依能量分布的整个大动态范围能量稳定的能谱。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图1是实现上述方法的一种大动态范围能谱的能量稳定接收装置的简图，以安装在(扫描)透射电子显微镜的电子能量损失谱探测装置为例。电子显微镜10的主要部分包括从电子枪源1到z衬度像装置7，电子能量损失谱仪包括磁棱镜8、电子束漂移管9、谱仪电子光学控制器11、快响应能谱探测器12、多通道并行能谱探测器13、能谱稳定控制器18以及谱显示、存储及分析装置16。能谱稳定控制器包括漂移检测模块19、反馈控制器20和漂移校正谱的累积模块21；多通道并行探测器包括基于多级透镜的能谱色散放大装置14和面阵探测器15。

(扫描)透射电子显微镜10中，电子枪枪源1发射电子束。扫描线圈3将电子枪枪源1出射的电子束偏转，随着扫描线圈3中电流的改变电子束在样品上扫描。会聚透镜2使电子束以垂直试样表面和会聚在试样表面两种方式透过样品4。物镜5和中间镜、投影镜组6将透射的电子束放大成像在荧光屏上。z衬度像装置7用来采集z衬度像。装置1~7以电子光路的主轴共轴连接。

当进行电子能量损失谱采集时，透射的电子束经过一个扇形的磁场发生90°的偏转，扇形半径可为100mm。磁场方向垂直纸面向外，该磁场由磁棱镜8提供。电子束在经过磁棱镜8后，强度按其能量损失分散，电子束的能量分布转化为强度在空间位置的分布。在100kV的电子枪源1加速电压下，能量分散度可为1.6μm/eV。谱的空间位置分布方向垂直于电子束出射方向，谱强度按其能量在能量分散平面上分布，如图1所示磁棱镜8后的谱。

快响应能谱探测器12反复采集高强度能谱区段的谱信号，周期性地将其信号强度在空间位置的分布转化成时域上变化的信号38，并给出表示反复采集时采样周期的扫描信号39，信号的波形示意图标示在图1的信号线38和39旁。然后，该时域上变化的信号38和扫描信号39分别输入能谱稳定控制器18的漂移检测模块19和反馈控制器20；一路信号输入漂移检测模块19，该模块将其中一个采样周期内的信号作为参考信号，如图7(a)所示；然后分采样周期接收时域上变化的信号，其中一个周期的信号如图7(b)所示；提取每个采样周期内的谱信号相对参考信号的时域漂移量，如图7(a)、(b)零峰之间的时域漂移量，作为整个能谱的能量漂移检测的依据。这个时域漂移量分别输出到反馈控制器20和漂移校正谱的累积模块21，经过反馈控制器计算校正能谱漂移的反馈控制信号，与电子束漂移管9相连接，其波形示意图标示在信号线40旁，这个反馈控制信号向电子束漂移管9提供电压来稳定整个能谱；漂移校正谱的累积模块21将另一路信号分采样周期处理，对每采样周期内的信号反方向移平移与其时域漂移量相同的通道数，然后累积获得能量稳定的高强度能谱区段谱信号；经数次累积，输出高强度能谱区段的谱信号至谱显示、存储及分析装置16；

同时，多通道并行能谱探测器13接收经过稳定后的高强度能谱区段以外的空间分布能谱；并输出至谱显示、存储及分析装置16。谱仪电子光路控制器11输出控制信号至磁棱镜型电子能量分析仪8、电子束漂移管9、快响应能谱探测器12和多通道并行能谱探测器13。功能为：一是调节磁棱镜型电子能量分析仪的磁场强度等参数，控制谱仪的电子光路。二是调节电子束漂移管9的电平和电磁透镜组14的参数，可以选择多通道并行能谱探测器13接收电子能量损失谱的范围。三是使快响应能谱探测器12和多通道并行能谱探测器13协同工作，快响应能谱探测器接收高强度能谱区段的谱信号，多通道并行能谱探测器13接收高强度能谱区段以外的谱信号，实现分段接收大动态范围的能谱。

同时，多通道并行能谱探测器13接收经过稳定后的高强度能谱区段以外的空间分布能谱；并输出至谱显示、存储及分析装置16。谱仪电子光路控制器11输出控制信号至磁棱镜8、电子束漂移管9的另一个极、快响应能谱探测器12和多通道并行能谱探测器13。功能为：一是调节磁棱镜的磁场强度等参数，控制谱仪的电子光路。二是调节电子束漂移管9的电平和电磁透镜组14的参数，可以选择多通道并行能谱探测器13接收电子能量损失谱的范围。三是使快响应能谱探测器12和多通道并行能谱探测器13协同工作，快响应能谱探测器接收高强度能谱区段的谱信号，多通道并行能谱探测器13接收高强度能谱区段以外的谱信号，实现分段接收大动态范围的能谱。

在电子束漂移管9(以下简称漂移管)上施加电场，可改变进入能量分析仪电子束的电子束速度。漂移管9上的电压不同，电子能量损失谱则在能量发散平面上发生不同程度的平移，而且谱的各区段空间相对位置不变。依靠这种平移，快响应能谱探测器12可输出一路扫描信号至漂移管，输出使电子束的空间分布依扫描信号振动；能谱稳定控制器18可输出一路校正信号至漂移管9，校正电子束相对参考信号的漂移。信号加法器的输入端连接快响应能谱探测器12和能谱稳定控制器18，将这两路信号加和、输出至电子束漂移管9。

谱显示、存储及分析装置16接收来自能谱稳定控制器18和多通道并行能谱探测器13的两路分段采集的谱信号。由于两种探测器对同样的强度以空间分布的能谱的探测效率和接收范围不同，根据探测器的参数和谱仪电子光学控制器控制接收的范围对两路谱信号的能量和强度作线性变换，即对不同探测效率的进行校正，归一化合并，获得整个大动态范围能量稳定的能谱。通过用高强度能谱区段的零损失峰倒卷积整个能谱，可以锐化能谱，去除仪器响应函数的影响；而且当谱的低强度区段的信号包含内壳层电子的激发谱，其多重散射效应可以通过倒卷积去除。

谱显示、存储及分析装置16接收来自能谱稳定控制器18和多通道并行能谱探测器13的两路分段采集的谱信号。由于两种探测器对同样的强度以空间分布的能谱的探测效率和接收范围不同，根据探测器的参数和谱仪电子光学控制器控制接收的范围对两路谱信号的能量和强度作线性变换，即对不同探测效率的进行校正，归一化合并，获得整个大动态范围能量稳定的能谱。通过用高强度能谱区段的零损失峰倒卷积整个能谱，可以锐化能谱，去除仪器响应函数的影响；而且当谱的低强度区段的信号包含内壳层电子的激发谱，其多重散射效应可以通过倒卷积去除。

图2给出图1所示大动态范围电子能量损失谱的能量稳定接收装置的一个具体实施例。快响应能谱探测器包括纳米马达22，固定在纳米马达动片上的线探测器23，光电倍增管25，置于光电倍增管25探测窗附近的用于接收线探测器反射电子的闪烁体24，串行采样扫描信号发生器26，位于线探测器后的解调制板27，将光电倍增管输出的信号进行放大的电流-电压放大器28，用于接收该放大器模拟信号的A/D转换电路29；反馈控制器由自适应滤波器32、比例积分微分反馈控制模块33以及D/A转换电路34组成，漂移校正谱的累积模块由校正串行谱模块35和累积谱模块36组成；D/A转换电路的反馈信号和扫描信号发生器的扫描信号输出端与信号加法器17相连，其输出端连接电子束漂移管的一个极，输出反馈控制信号驱动电子束漂移管9提供偏转电压，来稳定整个能谱；线探测器23方向与谱的空间位置分布方向垂直，并且在电子束照射下产生与电子束流强度呈正比例的二次电子。

快响应能谱探测器12采用串行方式接收，线探测器23安装在纳米马达22的动片上，这样可以在电子光路上横向移动，用于选择接收高强度谱的区域。闪烁体24位于光电倍增管25的探测窗附近，接收线探测器反射的二次电子并将其转化为光信号再由光电倍增管接收并放大。纳米马达、线探测器与光电倍增管25组成单通道接收器。解调制板位于探测线23后。电子光路经过解调制板后，从快响应能谱探测器12出射，入射到多通道并行能谱探测器13。串行采样扫描信号发生器26的输出端连接漂移管9的一个极和解调制板27。光电倍增管25信号输出端连接电流-电压放大器28，再连接A/D转换电路29，转换后的数字信号输出至能谱稳定控制器18。

从漂移管9出射的电子束在恒定的偏转电压下(通过漂移管9产生)，在能量发散平面上成谱。线探测器23置于不同位置，将得到不同强度的信号，即不同空间位置对应不同能量的谱信号。顺次采集不同能量对应的电子束强度得到强度随探测器位置变化，也就是随能量损失变化的能谱。因此，仅周期性的改变探测线23相对谱空间分布得空间位置，就是电子能量损失谱的一种串行采集方法。

除上述串行采集方法外，附图2也描述一种串行采集方法。即串行采样扫描信号发生器26产生采样频率为f、采样周期T＝1/f的周期性扫描调制信号39(如反扫描锯齿波)。这个调制信号通过信号加法器17驱动漂移管9上，对能谱的空间分布以所述的采样周期T相对线探测器23进行扫描调制。如果电子束入射在线探测器23上，就会散射出一部分二次电子。随着电子束空间位置分布的扫描振荡，线探测器23散射出的电子数量随时间变化。散射电子由闪烁体24捕捉并转化为光信号，由光电倍增管25放大，转换成时域上变化的电信号。光电倍增管25输出的光电流由电流-电压放大器28放大。电流-电压放大器适当调节增益，与光电倍增管组成大动态范围接收器。A/D转换电路29的结果输出到串行接收缓冲区30中，至此信号强度在空间位置的分布周期性地转化成时域上变化的数字信号，以便数字信号处理。同时，未经过探测线的能谱信号在解调制板27处被解调制，重新还原为能量按空间位置分布的稳定的电子能量损失谱。由于解调制板27和漂移管9的信号同源(来自串行采样扫描信号39)，解调制板27出射的能谱是经过能量稳定的，与扫描前的能谱全等，可由多通道并行能谱探测器13并行采集。

图2(b)为快响应能谱探测器的另一种实施方案。基于电荷藕荷的并行能谱探测器替代串行探测器。或采用基于光电二极管阵列平行接收器，要求其采样周期应满足高强度能谱区段谱的线性接收条件。

在快响应串行采集的方法中，用反扫描的锯齿波代替正扫描的锯齿波，恰好使仪器的响应函数反转，也就是串行采样扫描方向从弱小信号的谱区段向高强度谱区段(如图6(a)所示)。这样，即使仪器响应函数在高强度谱区段会产生信号，但此时电子能量损失谱(如图6(b)所示)和仪器响应函数的卷积函数，其零峰信号的影响区不在我们关心的电子能量损失谱的区域内，如图6(c)所示，并不会掩盖零损失峰附近的信息。采用混合型采集方法，解决了单一并行采集零峰附近的谱信息被仪器响应函数产生的信号淹没的问题。

改变串行采样扫描信号发生器26输出的信号波形，可实现“智能扫描”。串行采样扫描信号可以是正扫描的锯齿波、反扫描的锯齿波、正弦波、半周期单调递增或递减正弦波(如图8所示)；使用正弦信号扫描可以利用零点附近一阶导数存在最大值的特性，提高采集谱信号相对参考信号的漂移量在零点附近时，漂移检测模块对电子束漂移的灵敏度，如图9所示，A，B，C三点空间位置间隔相同，若扫描信号为半周期单调递增正弦波，则在零点附近对应时域上的间隔比锯齿波作扫描信号时的间隔大，说明这种扫描方式下检测电子束漂移的灵敏度高；增加扫描信号的频率可以提高快响应能谱探测器12的响应速度，从而提高电子束能量稳定系统的带宽；减少扫描信号的振幅，增加串行采集的通道数可以提高漂移检测模块19的能量分辨率。

快响应能谱探测器12输出数字信号和串行采样扫描信号至能谱稳定控制器18。数字信号输出至串行接收缓冲区30，扫描信号输出至漂移检测模块31和校正串行谱模块35。串行接收缓冲区一方面将谱信号输入至漂移检测模块31，另一方面输出至校正串行谱模块35。漂移检测将周期性时域上变化的采集谱信号与参考信号比较后输出时域漂移量，作为谱能量位置漂移的依据。该时域漂移量一路输出至反馈控制器的自适应滤波模块32，另一路输出至校正串行谱模块35，作为校正的依据。自适应滤波模块输出滤波后的能量位置漂移信号至比例积分微分控制器33，装置33再将输出的数字结果输入至D/A转换电路34，将数字量实时地转化为模拟量，输出到信号加法器17。信号加法器的输入端连接快响应能谱探测器12和能谱稳定控制器18的反馈控制信号40，将这两路信号加和，驱动电子束漂移管9的偏转电压。此外，校正串行谱模块35输出校正后的谱信号至累积谱模块36，累积一定时间后输出到谱显示、存储及分析装置16。

对高强度能谱区段以外的信号，例如电子能量损失谱的高能损失区谱信号，采用多通道并行能谱探测器，将空间分布的能谱经过电磁透镜组成像于记录平面上，多通道采集、并长时间累积曝光，接收低强度谱信号，并输出到谱显示、存储及分析装置16。

互相关算法扩大谱仪能量工作范围

通常情况下，透射电子束是稳定的，不发生漂移，电子束将以采样周期T入射在强度探测器23上，光电倍增管25输出周期为T的电信号。A/D转换电路29连续采集这个模拟量，采样周期为f_s＝f，每周期信号的采样点数为N(通道数)。当电子束不漂移，一个周期内串行接收缓冲区31得到图7(a)所示的信号，采集前我们将这帧信号设定为“参考信号”。但实际接收过程中，我们得到采集谱信号，但透射电子束的能量因电子枪源1电压不稳定等诸多原因发生微小漂移，信号的峰位(对应电子能量损失谱的Zero-Loss Peak)将发生漂移，如图7(b)所示。

Kaji，Kazutoshi等人提出的以一次CCD曝光数据的最大值作为零峰位置，计算能谱的能量位置漂移。这种方法的适应性较差，如果零峰不在CCD曝光区域，则起不到稳定作用。本发明中提出互相关算法计算漂移量。由如下方法实现：

单个采样扫描周期内，将采集谱f(t)与参考信号g(t)相关(由于能量漂移，采集谱与参考谱仅在时域上有一定平移)，可求出两者的互相关函数(Cross-correlation Function)：

${\mathrm{Corr}}_{f,g}\left(a\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)g(t+a)\mathrm{dt}$

如果f≡g，则互相关函数f(a)在a＝0点有最大值，如果g滞后于f大小为a₀，那么相关函数f(a)在a＝a₀点有最大值。Corr_f，g(a)的峰值对应自变量a表示采集谱f(t)与参考谱g(t)时域上的延迟，并可换算成能量位置的漂移量。

互相关方法是在噪声背景下提取有用信息的一个非常有效的手段。将两个带有白噪声(White Noise)的相关信号作互相关可以排除大量的噪声干扰，提高控制程序的低信噪比容忍度。

此外，判断采集谱与参考谱的相关性，可不依赖零峰信号是否被接收。将快响应能谱探测器的某特征峰作为参考谱，仍可稳定整个能谱。当前端接收的能谱区段能量损失范围增加，后端接收的能量损失范围也随之增加。这样，如图10(b)所示，可将快响应能谱探测器串行采集的区段设定为高能损失区的某一特征峰附近，如C-Ka峰，多通道并行探测器的接收区段设定为电子能量损失谱的广延精细结构区，经长时间曝光可将采集范围扩展至更高能量损失区段。相比串行采集并稳定零峰附近区域、多通道并行采集高能损失区的方法而言(如图10(a)所示)，谱仪的能量工作范围扩大。

累积能量稳定的能谱

将能量稳定快响应能谱探测器采集的信号数字化，应用数字信号处理方法，将每个扫描周期的电信号数字化存储起来，根据互相关等算法得到的能量漂移进行校正，并将校正后的单周期能谱逐周期累积起来，最终实现在稳定的同时输出一路高强度能谱区段的谱信息。

选择多种优化的反馈控制

反馈控制器20的算法可以灵活选择，并不仅限于电路的物理连接和元器件的固定参数。使用比例积分微分控制等反馈模型，可优化反馈回路的响应参数。图11显示采用比例积分微分反馈控制模型的理论计算和实测的幅相响应曲线，即波特图。图中位于衰减幅度极值线以下的曲线区域表示其对应的漂移频率在该范围内可以起到能量稳定的作用；对衰减幅度极值以上的区域则起不到很好的能量稳定作用。这是因为该反馈控制在大于一定频率振荡的输入下会变得不稳定，甚至会放大本应当校正的漂移。针对这一问题，增加自适应滤波模块33屏蔽掉能量位置漂移中频率高的成分，杜绝自激振荡等有害控制的发生，而模拟电路方法很难实现以上先进的控制手段。

Claims (7)

1.一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)将信号的能量分布转化成空间位置的分布；

2)对高强度能谱区段的信号采用快响应采集：

a.利用快响应能谱探测器反复采集高强度能谱区段的谱信号，周期性地将其信号在空间位置的强度分布转化成时域上强度变化的信号；所述快响应探测器的采样周期应满足高强度能谱区段信号的线性接收；

b.该时域上变化的信号被分成两路；其中一路信号中的一个采样周期内的谱信号被提取作为参考信号，然后提取随后每个采样周期内的谱信号相对参考信号的时域漂移量，作为整个能谱的能量漂移检测的依据，经过反馈控制器计算产生校正能谱漂移的反馈控制信号，用以稳定整个能谱；将另一路信号按所述的采样周期处理，对每采样周期内的信号反方向平移与其时域漂移量相同的通道数，然后累积获得能量稳定的高强度能谱区段的谱信号；经数次累积，输出至谱显示、存储及分析装置；

3)对高强度能谱区段以外的谱信号采用多通道并行探测器采集：

用多通道并行能谱探测器接收经过稳定后的高强度能谱区段以外的空间分布能谱；并输出至谱显示、存储及分析装置；

4)对分别接收的高强度能谱区段的信号和高强度能谱区段以外的信号进行探测效率的校正，获得强度依能量分布的整个大动态范围能量稳定的能谱。

2.按照权利要求1所述的一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法，其特征在于：步骤2)中所述的快响应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对能谱的空间分布加以一个位置调制的扫描信号，使不同能量的信号以所述的采样周期相对一个单通道接收器顺次被接收，且转换成时域上强度变化的信号，同时对未经过单通道接收器的能谱信号进行解调制，以便为多通道并行探测器同时接收；所述的串行接收方法或通过仅对单通道接收器加以一个空间位置调制的扫描信号实现；所述的扫描信号为正扫描的锯齿波、反扫描的锯齿波、正弦波、半周期单调递增或递减函数波；所述的并行接收方法采用多通道并行接收器，其采样周期满足高强度能谱区段谱的线性接收。

3.按照权利要求1所述的一种大动态范围能谱的能量稳定接收方法，其特征在于：所述步骤2)中的漂移检测采用互相关方法，即计算所述的各采样周期内的谱信号与参考信号的互相关函数，其互相关函数最大值对应的自变量表示采样周期内谱信号与参考信号的时域漂移量；所述的反馈控制信号，采用经自适应滤波后利用比例积分微分反馈控制的方法进行计算。

4.一种采用如权利要求1所述方法的大动态范围电子能量损失谱的能量稳定接收装置，其特征在于：该装置包括磁棱镜电子能量分析器(8)，设置在磁棱镜内的电子束漂移管(9)，电子光学控制器(11)，快响应能谱探测器(12)，多通道并行能谱探测器(13)，能谱稳定控制器(18)以及能谱的显示、存储及分析装置(16)；所述的电子光学控制器的控制端分别与磁棱镜电子能量分析器(8)、快响应能谱探测器(12)和多通道并行能谱探测器(13)的输入端相连，并与电子束漂移管(9)的电极相连接；所述的能谱稳定控制器包括漂移检测(19)、反馈控制器(20)和漂移校正谱的累积模块(21)，漂移检测模块的输出端分别与反馈控制器和漂移校正谱的累积模块相连，所述的反馈控制器的信号输出连接电子束漂移管；所述的快响应能谱探测器的输出端分别与所述的能量稳定控制器中的漂移检测和漂移校正谱的累积模块相连；所述的快响应能谱探测器和多通道并行能谱探测器依次设置在该装置的光路中，所述的多通道并行能谱探测器的输出端与能谱的显示、存储及分析装置。

5.按照权利要求4所述的大动态范围电子能量损失谱的能量稳定接收装置，其特征在于：所述的快响应能谱探测器(12)包括纳米马达(22)，固定在纳米马达动片上的线探测器(23)，光电倍增管(25)，置于光电倍增管(25)探测窗前端的用于接收线探测器产生的二次电子的闪烁体(24)，串行采样扫描信号发生器(26)，位于线探测器后的解调制板(27)，将光电倍增管输出的信号进行放大的电流-电压放大器(28)，用于接收该放大器模拟信号的A/D转换电路(29)；所述的反馈控制器由自适应滤波器(32)、比例积分微分反馈控制模块(33)以及D/A转换电路(34)组成，漂移校正谱的累积模块由漂移校正子模块(35)和谱累积子模块(36)组成；所述的D/A转换电路的反馈信号，串行采样扫描信号发生器的扫描信号和电子光学控制器的输出信号输入信号加法器(17)，信号加法器的输出连接电子束漂移管；所述的线探测器方向与谱的空间位置分布方向垂直，并且在电子束照射下产生与电子束流强度呈正比例的二次电子。

6.按照权利要求4所述的大动态范围能谱的能量稳定接收装置，其特征在于：所述的快响应能谱探测器采用基于电荷藕荷的并行能谱探测器或基于光电二极管阵列平行接收器，其采样周期满足高强度能谱区段谱的线性接收；所述的快响应能谱探测器的输出端分别与所述的能量稳定控制器中的漂移检测和漂移校正谱的累积模块相连。

7.按照权利要求6所述的大动态范围能谱的能量稳定接收装置，其特征在于：所述的反馈控制器由自适应滤波器(32)、比例积分微分反馈控制模块(33)以及D/A转换电路(34)组成，漂移校正谱的累积模块由漂移校正子模块(35)和谱累积子模块(36)组成；所述的D/A转换电路的反馈信号，串行采样扫描信号发生器的扫描信号和电子光学控制器的输出信号输入信号加法器(17)，信号加法器的输出连接电子束漂移管，所述的快响应能谱探测器的输出端通过串行接收缓冲区(30)分别与漂移检测模块和漂移校正子模块(35)相连。

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