[发明专利]谱数据分析的方法和系统

说明书

本申请是国家申请号为200980112490.1，国际申请号为PCT/US2009/033493，国际申请日为2009年2月6日的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明概括地涉及谱数据分析的方法和系统。

背景技术

在许多应用中，有关样品的信息是通过累积一段时间之内来自该样品的射线而确定的。该射线的特性，比如它的能量分布曲线（energy profile）或它的衍射图样，能经常被相关到该样品中存在的材料的类型。例如，样品在被电子轰击时释放出特征x射线，该特征x-射线的能量与该样品中的成分相关。类似地，在用x-射线轰击时，晶体产生一种特征衍射图样，而伽玛射线及其它射线的频谱被天文学家用于研究有关宇宙的组成。术语“样品”在此被使用以宽泛地包括被观测的目标。

在一种被广泛使用的应用中，扫描电子显微镜（scanning electron microscope）可用于确定未知材料的元素成分。该扫描电子显微镜（SEM）发送高能电子，这些高能电子猛撞入材料中。当这些电子进入原子时，它们能从该材料中撞出电子。在该过程中，第一个电子损失一些能量，但是能接着撞入其它原子中，直到它不再具有足够的能量来继续这样做。

图1显示了具有被束缚到K、L和M能量级的电子的原子。来自SEM的电子以非常高的能量被射入这个原子，将这些电子中的一个从该原子中撞出。很短的时间后，来自更高能量级的电子会落入所产生的空隙。在落入较低能量的K壳层的过程中，它放射出单一的x-射线以平衡总能量。所放射的x-射线的能量取决于该电子的初始位置。如果该电子源自L壳层，那么该射线被表示为Kα射线。如果它源自M壳层，那么该射线被表示为Kβ射线，Kβ射线比Kα射线有更高的能量。

替代地，如果电子被从L能量级撞出，那么会放射出不同的x射线组，这取决于将填入空下来的位置的电子源自哪里。图1显示，从M壳层落到L壳层的电子与Lα射线的放射相联系。

所放射的x射线取决于具体的开始和结束能量级。通过分析所放射的x-射线的能量，能够确定放射原子的类型。周期表中的每个元素有对应于这些x-射线能量的一组特定的能量。举例来说，与氧的Kα射线的能量是523eV或者铀的是98434eV相比，碳的Kα射线的能量是277eV。如果来自SEM的电子有比这种束缚能（binding energy）更低的能量，那么它不能从该原子中撞出电子。

每种元素的束缚能的完整列表可以在http://xdb.lbl.gov/Section1/Table_1-2.pdf中看到。

替代地，来自SEM的电子可以不进入电子，而可以被偏转远离原子。这是由该电子上的负电荷被围绕原子的电子云的负电荷排斥所引起的。

图2显示电子的路径由于相互的静电排斥而被偏转远离原子。路径的偏转导致该高能电子的能量小幅下降。这产生了韧致辐射（Bremsstrahlung radiation）。这种效应发生在比图1中所见的x-射线的放射低的强度下。然而，它也发生在所有能量级，而不是在离散的能量级。该轫致辐射是使用来自SEM的电子束的假象。在计算元素成分时必须将其考虑在内。轫致辐射的形状取决于被分析的材料的平均密度，而且受到基于标准的光谱分析的影响。

基于标准的光谱分析

基于标准的光谱分析是一个术语，它被用于描述将未知矿物质或元素的谱与一组已知谱相比较以依据该已知谱确定该未知谱的成分的过程。这种方法产生了一种代表针对已知模板中的每一个的倍增因子的解，然后它们被加起来以合成该未知谱。

图3显示了黄铁矿（FeS₂）的谱。该谱包含若干峰，以及轫致辐射的一些区域。在这个曲线中有一些由碳（在277eV）带来的额外的较小的峰，而该铁的Lα峰在705eV。

如果有人测量纯铁和纯硫的样品，这些元素的谱可以被适当地覆盖到黄铁矿的谱上。结果如图4中所示。尤其是，图4显示，将铁的谱44缩放到42.0%并将硫的谱46缩放到41.5%使得它们与黄铁矿谱42中的峰适应。这些数字是这些元素的峰比值，因为它们代表每个峰的面积相对于该元素的纯净样品的比。它们不代表该材料的重量百分比。

矩阵修正

可以使用标准矩阵修正算法（比如ZAF修正）将前面获得的峰比值转换为重量百分比。ZAF修正考虑了各元素的原子序数（Z）、通过该材料的x-射线的吸收因子（A）和来自激励x-射线从其它元素放射的元素的x-射线的荧光（F）的差别。

基于标准的光谱分析的问题