[发明专利]能量色散辐射光谱测量系统中的堆积排除

说明书

技术领域

本发明涉及能量色散辐射光谱(energy-dispersive radiationspectrometry)系统，如X射线光谱测量系统或伽马射线光谱测量系统，并且尤其涉及用于改善能量色散辐射光谱测量系统中的堆积排除的方法。

背景技术

能量色散辐射光谱测量系统，例如(但非限制的)X射线光谱测量系统或伽马射线光谱测量系统，被用于检测、测量和分析来自例如扫描电子显微镜(SEM)的辐射发射(如X射线发射或伽马射线发射)。典型的能量色散辐射光谱测量系统包括以下四个主要部件：(1)检测器，(2)前置放大器，(3)脉冲处理器，以及(4)基于计算机的分析器。仅是为了方便而不是限制的目的，以下说明将涉及X射线光谱测量系统和X射线形式的光子(与例如在伽马射线光谱测量系统中检测到的伽马射线形式的光子相对比)。

通常采用某种类型的半导体传感器的形式的该检测器将进入的X射线转换为典型的大约具有几十至几百纳秒持续时间的大约几万个电子量级的非常小的电流脉冲。每个电流脉冲的幅度与X射线的能量成比例。

该前置放大器放大由该检测器输出的电流脉冲并且典型地将其转换为几十毫伏至几百毫伏范围内的电压信号。有两种主要类型的前置放大器：“拖尾脉冲(tail-pulse)”或RC耦合前置放大器，以及脉冲复位前置放大器。在本文中别处描述的主题适用于这两种前置放大器。

在脉冲复位型前置放大器中，在传感器中产生的电荷聚集在反馈电容器中，使得所得到的电压以变化的高度和间隔的逐步增大，直到其达到上限。当达到该上限时，施加“复位”脉冲，该“复位”脉冲使累积的电荷从反馈电容器排出，使前置放大器在短时间内(典型地为几微秒)恢复到接近其最小输出电压。然后，由X射线与检测器的相互作用产生的电荷再次累积在反馈电容器上，并且重复该循环。相反，拖尾脉冲前置放大器对检测器输出的电压阶跃信号起到高通滤波器的作用，指数返回到基线，其时间常数与前置放大器的反馈电容器中的电荷聚集时间相比较长。

该脉冲处理器接收前置放大器信号并通过积分处理产生X射线能量的数值表示。在较早的能量色散辐射光谱测量系统中，脉冲处理器包括两个分开的部件，即“整形放大器”和模拟-数字转换器。另一方面，现代的能量色散辐射光谱测量系统典型地结合了这些功能，最新的设计直接将前置放大器信号数字化并使用数字信号处理执行所有的脉冲检测和滤波功能。

该基于计算机的分析器将脉冲处理器输出的X射线能量累积为检测到的X射线数量相对于它们的能量的光谱或曲线图。该光谱被分成某种程度任意数量的小范围，其被称为“通道”或“区间(bin)”。在较早的系统中，由称为多通道分析器(MCA)的硬件部件进行将X射线向光谱通道的累积并且由计算机读取累积结果。在现代的系统中，通过计算机或者甚至在脉冲处理器内由软件处理MCA功能。

若干个因素使得脉冲处理器的工作更加复杂。例如，电子噪声叠加在从前置放大器接收到的基本(underlying)信号上。对于接近最低可检测能量水平的X射线，前置放大器输出的阶跃高度可能显著小于电子噪声的峰-峰偏移。在这种情况下，只能通过在该阶跃前后的相对长的时间段中过滤该信号以平均掉噪声的贡献来检测X射线。这种噪声平均的量是所有脉冲处理器的基本操作参数。在本领域中将该平均时间不同地称为“整形时间”或“峰化时间”。

另外，前置放大器输出中的阶跃不是瞬时的。在没有噪声时，该信号会是S形曲线。这起因于带宽限制、装置电容以及X射线产生的全部电子到达传感器的阳极所需的时间而导致的。这些电子可以看作是在半导体传感器内的偏压电场的影响下穿过传感器材料向阳极移动的小团簇或云。对于拖尾脉冲前置放大器，信号的初始上升是相同的S形的形式，然后是指数衰减，其时间常数可以随设计而不同，但是与初始上升相比总是较长的。

在称为锂漂移硅或Si(Li)检测器的每个面上具有简单的平面电极的传统检测器中，偏置电场线是直的(对于第一近似，忽略边沿效应)并往返进行(run front-to-back)。结果，电子云收集时间近似为常数，并且由于装置的电容相对较大，前置放大器信号的“上升时间”(S形阶跃的宽度)由带宽限制决定。