[发明专利]用于透射电子显微镜的检测器系统

说明书

技术领域

本发明涉及电子显微镜检查，更具体来说涉及与电子显微镜检查一起使用的检测器系统。

背景技术

透射电子显微镜（TEM）将电子束透射过纤薄样品并且检测由于电子与样品之间的相互作用而导致的电子束中的改变。电子通常被加速到80到300keV之间的能量。所述加速优选地是通过将电子源保持在高电压下并且将电子朝向处于地电势的样品加速而实现的。偏转器、透镜以及像差校正器可以操纵该束以照射样品。所述样品足够纤薄，以便对于电子来说是部分透明的。

由于对电子的透明度取决于元素的原子序数，因此典型的样品厚度将随着样品的性质而变化。例如，由金属或半导体（其包括许多具有高原子序数的原子）构成的样品可以是大约30nm厚。生物材料的样品通常更厚，例如大约200nm厚。在某些应用中可以使用甚至更厚的样品，例如1μm的样品。

一些电子不受阻碍地穿过样品；一些电子被衍射；一些电子损失能量；而一些电子被吸收。不同的技术利用所透射的电子的不同特性来确定关于样品不的同信息。TEM可以产生示出处于纳米或者甚至亚纳米范围内的结构特征的图像，并且还可以提供关于样品成分的信息。

在电子穿过样品之后，其被摄影胶片或者被电子检测器检测到，所述电子检测器产生代表撞击在检测器上的电子的数目和/或能量的电子信号。大多数TEM电子检测器间接地检测电子：电子撞击在磷光体上，所述磷光体发出由检测器检测到的光。间接检测防止由于高能电子的撞击而对半导体检测器造成损坏。所述光撞击在半导体检测器上，并且产生电子－空穴对。在许多间接半导体检测器中，电子在形成电荷耦合器件（CCD）的一部分的电容器阵列中积聚。在每一个电容器上积聚的电荷与撞击在相应像素上的电子数目有关。为了读取每一个像素上的电荷以便获得完整的图像，像提桶排成一个队列以传水救火那样把在每一个像素处积聚的电荷移动到下一个像素，并且最终移出检测器，在那里它被数字化并且存储在计算机存储器中。将电子转换成光的额外步骤降低了检测器分辨率，这是因为来自磷光体的光在它到达CCD检测器之前扩散。CCD检测器的另一个缺陷在于读出所述像素阵列所需的时间、以及所提供的有限视场。

一些半导体检测器利用有源或无源像素传感器而不是CCD来直接检测电子。例如，利用互补金属氧化物硅（CMOS）技术实现的单片有源像素传感器（MAPS）提供具有快速读出的高分辨率检测器。在有源像素传感器中，每一个像素可以合并进行粒子检测所需的许多功能，即电荷生成及收集、前置放大、脉冲整形、模拟－数字转换、噪声区分以及信号积分。

例如由R. Turchetta等人在“Accelerated particle and high energy radiation sensor（加速粒子及高能辐射传感器）”的美国专利公开号2006/278943中描述了有源像素传感器，其被合并在此以作参考。在A.R. Faruqi等人的“Evaluation of a Hybrid Pixel Detector for Electron Microscopy（用于电子显微镜检查的混合型像素检测器的评估）”（Ultramicroscopy，vol. 94，2002，pp. 263-276）中描述了另一种类型的有源像素传感器。在Faruqi等人的混合型有源像素检测器中，将灵敏的读出电路放置在由电子撞击的部分下方，因此保护其不受电子撞击。在另一种类型的直接电子检测器——双面条检测器（DSSD）中，读出系统不与电子束成一直线，因此不会恶化。DSSD使用检测器顶部和底部的收集条，并且可以在每一个电子事件发生时提供与之有关的信息，从而允许处理器例如确定何时两个电子大约同时击中。

TEM中的样品被保持在真空中，这是因为样品室内的空气或其他气体分子将会散射该束中的电子。在高度真空环境中，包含大量水的生物样品将会快速恶化。用于保存生物样品以供在TEM中进行观测的一些技术包括染色法或其他固定技术，其可能会在观测中引入伪像。伪像是作为成像过程的结果的、并非自然出现在样品中的观测特征。可以更好地保持生物样品完整性的一种优选的保存技术是在产生非晶质冰的玻璃化过程中快速冻结，并且在低温下进行观测。低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）需要在低温下在透射电子显微镜上观测样品，所谓低温通常是液态氮或液态氦的温度。Cryo-TEM允许在其天然状态下观看试样，而不会在固定过程期间将伪像引入到观测中。