[發(fā)明專利]能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中的堆積排除

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310047956.2
• 申請日: 2009-07-28
• 公開（公告）號: CN103217701A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·B·摩特
• 申請（專利權(quán)）人: 普爾斯特有限責(zé)任公司
• 主分類號: G01T1/36
• 分類號: G01T1/36
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 陳華成

本申請是申請日為2009年7月28日、申請?zhí)枮?00980136944.9、發(fā)明名稱為“能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中的堆積排除”的發(fā)明專利申請的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量色散輻射光譜（energy-dispersive?radiation?spectrometry）系統(tǒng)，如X射線光譜測量系統(tǒng)或伽馬射線光譜測量系統(tǒng)，并且尤其涉及用于改善能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中的堆積排除的方法。

背景技術(shù)

能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)，例如（但非限制的）X射線光譜測量系統(tǒng)或伽馬射線光譜測量系統(tǒng)，被用于檢測、測量和分析來自例如掃描電子顯微鏡（SEM）的輻射發(fā)射（如X射線發(fā)射或伽馬射線發(fā)射）。典型的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)包括以下四個主要部件：（1）檢測器，（2）前置放大器，（3）脈沖處理器，以及（4）基于計算機(jī)的分析器。僅是為了方便而不是限制的目的，以下說明將涉及X射線光譜測量系統(tǒng)和X射線形式的光子（與例如在伽馬射線光譜測量系統(tǒng)中檢測到的伽馬射線形式的光子相對比）。

通常采用某種類型的半導(dǎo)體傳感器的形式的該檢測器將進(jìn)入的X射線轉(zhuǎn)換為典型的大約具有幾十至幾百納秒持續(xù)時間的大約幾萬個電子量級的非常小的電流脈沖。每個電流脈沖的幅度與X射線的能量成比例。

該前置放大器放大由該檢測器輸出的電流脈沖并且典型地將其轉(zhuǎn)換為幾十毫伏至幾百毫伏范圍內(nèi)的電壓信號。有兩種主要類型的前置放大器：“拖尾脈沖（tail-pulse）”或RC耦合前置放大器，以及脈沖復(fù)位前置放大器。在本文中別處描述的主題適用于這兩種前置放大器。

在脈沖復(fù)位型前置放大器中，在傳感器中產(chǎn)生的電荷聚集在反饋電容器中，使得所得到的電壓以變化的高度和間隔的逐步增大，直到其達(dá)到上限。當(dāng)達(dá)到該上限時，施加“復(fù)位”脈沖，該“復(fù)位”脈沖使累積的電荷從反饋電容器排出，使前置放大器在短時間內(nèi)（典型地為幾微秒）恢復(fù)到接近其最小輸出電壓。然后，由X射線與檢測器的相互作用產(chǎn)生的電荷再次累積在反饋電容器上，并且重復(fù)該循環(huán)。相反，拖尾脈沖前置放大器對檢測器輸出的電壓階躍信號起到高通濾波器的作用，指數(shù)返回到基線，其時間常數(shù)與前置放大器的反饋電容器中的電荷聚集時間相比較長。

該脈沖處理器接收前置放大器信號并通過積分處理產(chǎn)生X射線能量的數(shù)值表示。在較早的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)中，脈沖處理器包括兩個分開的部件，即“整形放大器”和模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器。另一方面，現(xiàn)代的能量色散輻射光譜測量系統(tǒng)典型地結(jié)合了這些功能，最新的設(shè)計直接將前置放大器信號數(shù)字化并使用數(shù)字信號處理執(zhí)行所有的脈沖檢測和濾波功能。

該基于計算機(jī)的分析器將脈沖處理器輸出的X射線能量累積為檢測到的X射線數(shù)量相對于它們的能量的光譜或曲線圖。該光譜被分成某種程度任意數(shù)量的小范圍，其被稱為“通道”或“區(qū)間（bin）”。在較早的系統(tǒng)中，由稱為多通道分析器（MCA）的硬件部件進(jìn)行將X射線向光譜通道的累積并且由計算機(jī)讀取累積結(jié)果。在現(xiàn)代的系統(tǒng)中，通過計算機(jī)或者甚至在脈沖處理器內(nèi)由軟件處理MCA功能。

若干個因素使得脈沖處理器的工作更加復(fù)雜。例如，電子噪聲疊加在從前置放大器接收到的基本（underlying）信號上。對于接近最低可檢測能量水平的X射線，前置放大器輸出的階躍高度可能顯著小于電子噪聲的峰－峰偏移。在這種情況下，只能通過在該階躍前后的相對長的時間段中過濾該信號以平均掉噪聲的貢獻(xiàn)來檢測X射線。這種噪聲平均的量是所有脈沖處理器的基本操作參數(shù)。在本領(lǐng)域中將該平均時間不同地稱為“整形時間”或“峰化時間”。

另外，前置放大器輸出中的階躍不是瞬時的。在沒有噪聲時，該信號會是S形曲線。這起因于帶寬限制、裝置電容以及X射線產(chǎn)生的全部電子到達(dá)傳感器的陽極所需的時間而導(dǎo)致的。這些電子可以看作是在半導(dǎo)體傳感器內(nèi)的偏壓電場的影響下穿過傳感器材料向陽極移動的小團(tuán)簇或云。對于拖尾脈沖前置放大器，信號的初始上升是相同的S形的形式，然后是指數(shù)衰減，其時間常數(shù)可以隨設(shè)計而不同，但是與初始上升相比總是較長的。

在稱為鋰漂移硅或Si（Li）檢測器的每個面上具有簡單的平面電極的傳統(tǒng)檢測器中，偏置電場線是直的（對于第一近似，忽略邊沿效應(yīng)）并往返進(jìn)行（run?front-to-back）。結(jié)果，電子云收集時間近似為常數(shù)，并且由于裝置的電容相對較大，前置放大器信號的“上升時間”（S形階躍的寬度）由帶寬限制決定。