用于能谱技术的带电粒子检测的制作方法

1.本发明涉及用于在能谱设备中对带电粒子进行检测和计数的方法和设备。本发明进一步涉及用于x射线光电子能谱分析的设备。


背景技术：

2.许多类型的能谱分析需要检测带电粒子，如离子或电子。具体地，许多能谱分析技术(如x射线光电子能谱分析(xps)、奥格电子能谱分析、飞行时间能谱分析、紫外光电子能谱分析、反射电子能量损失能谱分析和离子散射能谱分析)需要对入射到检测器的带电粒子进行检测和计数。通常，在此类技术中，检测器与能量分析仪一起使用，所述能量分析仪根据粒子的能量使所述粒子色散，从而可以用于从分析仪离开的粒子的位置来确定粒子的能量。因此，通常需要至少在一个方向上包括多个通道的检测器来提供最有效的检测。
3.此类检测技术的挑战是由单个带电粒子入射在检测器处而产生的小信号。所使用的常规检测器的实例包含微通道板或电子倍增器装置。两种类型的检测器都具有将入射在检测器处的单个电子转换为多个电子的信号的效果(例如，来自每个粒子的超过106个电子)，这反过来又可以容易地通过传统电子器件进行计数。然后可以将微通道板或电子倍增器装置耦接到磷光屏、透镜和ccd、到电阻阳极、到双陆棋型阳极或到延迟线阳极以对接收带电粒子的位置进行编码。此类电子倍增型检测器可以在某些能谱技术(例如，xps)中与能量分析仪一起使用，由此撞击检测器的粒子的位置指示所述粒子在静电场中的偏转程度，并且因此提供有关粒子的结合能的信息。
4.这些类型的检测器已经完善。然而，它们有许多缺点。例如，此类检测器的寿命有限(寿命由接收到的电量(对于微通道板，可能为10-20mc/cm2)决定，通常正常使用约2年)、计数速率有限(至多每秒40兆次计数)并且相对昂贵。此外，微通道板在高计数速率下会出现脉冲堆积和重叠脉冲。最后，此类技术依赖于通过真空馈通件将模拟信号从能谱设备的真空内的检测器传输到安装在真空外的电子器件。在此类设置中避免反射和损失既困难又昂贵。
5.在高能粒子物理领域，最近开发了有源像素检测器，其可以直接检测入射在检测器处的单个粒子，而无需使用先前的电子倍增。这些检测器利用半导体二极管阵列和互补金属氧化物半导体(cmos)技术。这些装置由紧密耦接到cmos前置放大器阵列的像素化检测器阵列(例如，通常为256
×
256个像素，尽管其它大小也是可能的)组成。每个像素的小电容(通常大小仅约55μm
×
55μm)和前置放大器到每个单个像素的紧密耦接允许检测器对到达每个像素处的单个粒子(或x射线)进行脉冲计数。检测器阵列中的大量(例如，64,000个)独立像素允许实现极高的计数速率。此类检测器的实例包含被开发用于与日内瓦的cern合作进行的高能物理实验的medipix
tm
和timepix
tm
系列中的检测器(例如，在美国专利公开第us 2012/012613号中描述的timepix3
tm
)。目前，此类检测器可以检测的最小粒子能量为约3kev，并且不是为检测低能粒子而设计的。预计此类检测器的未来设计可以检测较低的最小粒子能量。
6.这些类型的有源像素检测器已被证明在一系列应用中具有潜力，特别是在检测高能粒子的情况下。在一个实例中，电子反向散射图案(ebsp)成像使用入射在样品处的加速主束来产生反向散射电子，所述反向散射电子随后被检测到。美国专利公开第us 2016/054240号描述了使用medipix
tm
或timepix3
tm
检测器生成ebsp图像。这使得使用检测器接收具有至多30kev的主束能量的电子，尽管在其它高能应用中，检测器可以用于检测更高能量(至多约1mev)的粒子。
7.然而，所描述的有源像素检测器似乎不是用于能谱分析的良好候选项。如上文所描述的能谱分析技术必须完成对低能粒子的准确检测。例如，在xps中，来自样品的光电子在进入分析仪之前被减速到通常为100ev或更少的能量。因此，离开分析仪进行检测的粒子的能量相对较低，并且不容易在上文所描述的“有源像素”检测器处被检测到。
8.然而，jungmann等人(《国际质谱法杂志(int.j.mass spectrom.)》(2013),第341卷,第34-44页)中描述了在质谱法中使用所描述检测器的一个选项。此处，粒子倍增技术在被像素化检测器接收之前应用，并且因此像素化检测器仅用于读出。具体地，jungmann等人描述了紧接着在timepix
tm
检测器前面使用v形微通道板(mcp)进行的质谱法成像。离开质量分析仪的带电粒子入射在微通道板处，产生单一电子，所述单一电子被mcp倍增到约107个电子，然后在检测器处接收。与发射离子的离子显微镜相比，mcp/timepix
tm
检测器组合件保持在高电压下。这是为了克服动能发射的限制并且在质谱法中是典型的。在成像方案中，vallance等人《物理化学化学物理(phys.chem.chem.phys)》(2014),第16卷,第383-395页)考虑使用闪烁体、一个或多个微通道板和/或磷光屏在将检测器像素化之前倍增电荷粒子信号。在仍另外的实例中，scienta omnicron
tm argus cu
tm
检测器使用128通道带状阳极检测器和medipix
tm
系列读出电子器件(参见https://www.scientaomicron.com/en/products/344/1110#page540，2019年10月31日访问)。在此情况下，medipix
tm
芯片似乎没有用作检测器，而是作为读出电子器件的一部分来实施。
9.zha等人《ieee电子装置汇刊(ieee trans.electron devices)》.(2012),第59卷,第3594页)中描述了使用像素化检测器的另外一个选项。此文档描述了使用特别背侧减薄的cmos有源像素传感器进行的电子检测。通过涉及研磨、反应离子蚀刻和激光退火的方法对传感器进行背侧减薄，以去除二极管装置的衬底并且暴露外延层。在cmos检测器的背侧(特别是外延层)接收能量为500ev到2kev的电子。然而，针对传感器的此类处理步骤很复杂并且可能产率很低，并且不能直接应用于可商购检测器。此外，使用此检测器设计检测到的最低能量电子为约500ev，这显著高于穿过xps半球分析仪的光电子的典型通能(为约100ev)。
10.因此，本发明的目的是提供克服上文描述的检测器和检测技术的缺点的用于在能谱技术中检测带电粒子的方法和设备。


技术实现要素：

11.本发明涉及在能谱技术中检测带电粒子的方法和设备。所述方法需要加速离开能谱分析仪的带电粒子，以便在检测像素阵列处直接接收。不需要带电粒子倍增，如mcp或磷光板。相反，所述方法和设备被配置成使带电粒子加速到用于在像素化检测器处检测的最佳能量。
12.由于应用了加速，像素化检测器无需修改(如减薄或去除装置衬底)就可以使用，但又仍能够检测到约100ev(或甚至更少)低通能的带电粒子。与物理地修改检测器芯片的系统相比，所述像素化检测器还允许对系统进行适配和优化，取决于待检测粒子的能量。此外，使用检测像素阵列作为检测器，而不是如某些现有技术系统中所示出的仅用于读出，提高了测得数据的分辨率并且避免了使用寿命有限的组件(如mcp)。所描述的发明进一步允许调整能谱分析仪图像平面以匹配检测器大小，从而提高检测效率。因此，所描述的发明提供了可行的且改进的系统，用于使用有源像素传感器来检测能谱分析技术(如xps)中的低能量带电粒子。
13.当前描述的发明技术需要在检测之前加速带电粒子(例如，通过在带电粒子移动通过静电场时向所述带电粒子施加力)。出于此原因，考虑到此类粒子的低质量，所描述的技术对于元素粒子能谱分析(如xps、俄歇或其它使用光电子的能谱分析)特别有用。
14.在第一实例中，描述了一种用于在能谱分析中检测带电粒子的方法，所述方法包括：
15.将从能谱分析仪接收到的带电粒子朝检测器加速；以及
16.在检测像素阵列处接收经加速的带电粒子，所述检测像素阵列形成所述检测器。
17.具体地，所述方法可以是应用检测能谱分析中带电粒子的方法，其中根据带电粒子的能量分析所述带电粒子。
18.在所描述的方法中，带电粒子离开能谱分析仪(或能量分析仪)，然后在入射在检测器处之前被加速。具体地，直接在检测器的检测像素处接收带电粒子(即，没有如微通道板或磷光屏等任何中间组件)。检测像素阵列的接收表面形成检测器的检测表面或图像平面。
19.能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，其中通过分析仪(并且随后到达检测器处)的带电粒子在能量色散方向上与其能量成比例扩散。
20.检测像素阵列包括以有序布置或网格配置的多个检测像素。可以使用多于一个检测器芯片(每个检测器芯片具有多个有源像素)的布置来形成检测像素阵列。例如，检测器芯片可以是“平铺的”，例如，包括1
×
2个检测器芯片，或2
×
2个芯片，或其它布置。在一个实例中，检测像素阵列可以由各自包括256
×
256个像素的四个medipix芯片(2
×
2)的布置形成，由此提供512
×
512个检测像素的检测器阵列。在使用若干个独立检测器的阵列中，或在使用具有大量像素的单个检测器的阵列中，可以同时记录能量色散方向上的大量能量通道(并且因此可以同时测量更大范围的粒子能量)。这进而可以使整体数据获取次数减少。优选地，每个检测像素是包括半导体二极管或更具体地p-n结的有源检测像素。有源检测像素可以是cmos装置。如此，检测器包括p-n结的二维阵列，所述阵列中的每个p-n结被包括在不同像素内。
21.优选地，在半导体二极管的有源层处接收经加速的带电粒子。换句话说，首先在包括有源区域(结合p-n结或二极管的其它有源带结构)的介电层处接收带电粒子。电子撞击在检测器二极管上并且在耗尽层中产生电子-空穴对，然后通过施加的偏置电压收集所述电子-空穴对。不直接在半导体二极管的外延层或减薄衬底处接收带电粒子。
22.优选地，每个检测像素与放大器相关联。与例如ccd相反，每个有源像素都包括p-n二极管(或光电探测器)和有源放大器两者。与仅获取和传输电荷的ccd像素相比，每个像素
都包括独立操作以对粒子进行检测和计数的电子器件。
23.优选地，检测器的每个检测像素的放大器与比较器和计数器相关联。放大器(电荷敏感前置放大器、运算跨导放大器或运算放大器)可以产生与由进入的带电粒子在半导体二极管处沉积的总电荷成比例的电压。比较器用于测量从放大器输出的模拟电压并将其数字化(换句话说，所述比较器充当模数转换器)。计数器可以基于来自比较器的输出提供接收到的带电粒子的数量的计数。放大器、比较器和计数器可以串联连接到半导体二极管。每个像素的小电容(通常大小仅为55μm
×
55μm，并且电容为约100ff)和与放大器的紧密耦接允许检测器对到达每个像素的单个带电粒子(或x射线)进行脉冲计数。检测器阵列中的大量独立像素(通常为64,000个像素)允许实现极高的计数速率。
24.优选地，所述带电粒子被加速到至少检测能量阈值，所述检测能量阈值是带电粒子的用于检测入射在所述检测器的检测像素处的所述带电粒子的最小能量。换句话说，离开能谱分析仪的相对低能量的带电粒子被加速到更高能量，以便在检测像素处以足够高的信噪比被检测到。理想地，带电粒子被加速到一定能量，从而为检测像素阵列提供最佳检测效率。
25.任选地，检测能量阈值大于3kev，或者可以大于5kev。检测能量阈值取决于所使用的检测器芯片的类型(以及所述检测器芯片所包括的检测像素)。在某些实例中，检测能量阈值可以大于2kev、大于3kev、大于5kev、大于7kev或大于10kev。
26.任选地，能谱分析仪被配置成具有小于500ev的通能。通能是依赖于能谱分析仪内的静电场的能量，其中仅接近给定能量(通能)的电子能够穿过和离开能谱分析仪(并且因此朝检测器向前移动)。通能也可以被认为表示穿过能谱分析仪出口的粒子的能量。通能通常将远小于检测能量阈值(例如，小于2kev，或小于1kev)。在特定实例中，从能谱分析仪接收到的带电粒子的能量将不大于1.5kev、不大于1kev、不大于750ev、不大于400ev、不大于300ev、不大于200ev，或不大于150ev。从能谱分析仪接收到的带电粒子的能量可以在1ev到500ev的范围内，或更优选地，在10ev到200ev的范围内。通常，对于xps，能谱分析仪的通能在3-150ev范围内，但其它类型的能谱分析(如奥格电子能谱分析)可能会导致更高的能量范围。
27.优选地，检测能量阈值是能谱分析仪通能的至少十倍。换句话说，加速步骤可以在检测像素阵列处接收到带电粒子之前将带电粒子的能量增加至少十倍(一个数量级)。
28.优选地，从能谱分析仪接收到的带电粒子包括带电粒子束，并且在检测器处接收加速粒子之前，所述方法进一步包括聚焦所述带电粒子束以改变所述束在所述检测器处的图像平面处的放大倍数。图像平面是检测器的接收表面(或更具体地，构成阵列的多个检测像素处的接收表面)。
29.优选地，聚焦带电粒子束以改变带电粒子束的放大倍数包括改变带电粒子束在检测器的焦平面处的横截面积，以便与检测器处的检测像素阵列的至少一个对应尺寸基本上匹配。
30.任选地，能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，并且其中带电粒子束在焦平面处的横截面积被改变，使得所述带电粒子束在能量色散方向上的宽度与所述检测器处所述检测像素阵列的对应尺寸基本上匹配。换句话说，可以改变放大倍数，使得在对应于能量色散方向的方向上跨阵列的大致整个宽度接收在能量色散方向上的束。理想地，在同一方向上，束
的宽度不会大于检测器阵列的宽度，以避免穿过分析仪的带电粒子的损失(即，无检测)。在一个实例中，将改变束的放大倍数，使得带电粒子束在能量色散方向上的宽度与检测器阵列在相同方向上的尺寸匹配。
31.优选地，带电粒子加速布置(其可以是带电粒子光学器件或可以包括在带电粒子光学器件内)布置在能谱分析仪与检测器之间，使带电粒子加速。更具体地，带电粒子光学器件布置在能谱分析仪的出口与检测像素阵列之间，并且被配置成执行加速步骤。带电粒子光学器件是被配置成使带电粒子加速的组件的布置(换句话说，带电粒子加速器)。带电粒子光学器件可以包括静电透镜，或者可以是其中在现有组件之间施加电压以实现加速的布置。
32.优选地，带电粒子光学器件聚焦带电粒子(除了加速带电粒子之外)。换句话说，带电粒子光学器件被配置成对能谱分析仪的输出平面进行重新成像以匹配检测像素阵列的接收表面，以及使带电粒子加速。
33.优选地，带电粒子光学器件包括至少两个透镜元件，所述至少两个透镜元件被布置成执行聚焦步骤和加速步骤。
34.在替代方案中，带电粒子光学器件可以包括网格元件以防止加速场的穿透并且提供场的均匀性。在此情况下，带电粒子的加速是通过与能谱分析仪出口处的区域相比，在检测像素阵列处保持适当高的电势来实现的。高电势适合于为带电粒子产生朝着检测像素阵列的加速场。
35.任选地，与至少两个透镜元件中的第一透镜元件相比，所述至少两个透镜元件中的第二透镜元件被布置在带电粒子束的下游，所述第二透镜元件的施加电压是所述第一透镜元件的施加电压的至少十倍。以此方式，带电粒子在第一透镜元件与第二透镜元件之间加速行进。第二透镜元件可以与检测器处于相同电势。
36.任选地，第一透镜元件可以用于提供带电粒子束的聚焦。
37.任选地，第一透镜元件具有施加电压v1＝1400 e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
38.任选地，第二透镜元件具有施加电压v2＝15000 e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
39.优选地，所述方法进一步包括在能谱分析仪的出口处施加提取场，其中带电粒子光学器件进一步包括位于第一透镜元件上游的第三透镜元件，所述第三透镜元件被布置成施加提取场。提取场是能谱分析仪出口处的静电场，所述提取场帮助和引导带电粒子离开分析仪的出口孔。施加到第三透镜的电压关于分析仪的通能(通常为5-150ev)进行缩放。在一个实例中，由第三透镜提供的提取场在10-20v/mm之间。
40.优选地，第一透镜元件和第二透镜元件具有与第三透镜元件相反极性的施加电压。任选的，当带电粒子为光电子时，第三透镜元件具有负施加电压，并且第一透镜元件和第二透镜元件具有正施加电压。任选地，第一透镜元件和第三透镜元件具有相同数量级的施加电压。
41.任选地，第三透镜元件具有施加电压v3＝100
–
0.5e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
42.优选地，所述检测器包括由n个检测像素行和m个检测像素列构成的阵列，其中所
述方法进一步包括确定在n
×
m个检测像素中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量。在能谱仪的成像模式下，来自n
×
m个像素的带电粒子计数可以表示为分析仪样品表面的2维图像。例如，所描述方法(和设备)可以在thermo scientific
tm theta probe角分辨x射线光电子能谱仪(angle-resolved x-ray photoelectron spectrometer，arxps)系统或thermo scientific
tm escalab
tm xi x射线光电子能谱仪(x-ray photoelectron spectrometer，xps)微探针中用于以此方式提供图像。
43.优选地，能谱分析仪以能量色散模式运行，并且所述方法进一步包括对于每个n检测像素列，对确定在所述检测像素列中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量进行求和，以确定包括每个n检测像素列的总和的1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量表示所述带电粒子跨所述检测器的图像平面的一个维度的空间色散。以此方式，可以从能谱分析仪获得“快照能谱图”。具体地，通过至少设置能谱分析仪的适当通能和其它操作参数，带电粒子在行进通过能谱分析仪时根据其能量被色散(在半球分析仪中，粒子在径向方向上色散)。因此，带电粒子以与其能量成比例的在能量色散方向上扩散的方式到达检测器的接收表面。在一些实例中，能量扩散可以高达通能的14％。因此，通过对在垂直于色散方向的方向上的检测像素列中的每个检测像素列处接收到的带电粒子计数求和(或分箱(bin))，可以获得窄能量范围内的能谱图。也可以应用进一步的数据处理。以此方式，检测像素阵列可以用于模拟一维位置敏感检测器(如传统的微通道板)的128个通道。因此，无需扫描分析仪的操作参数就可以获得具有窄能量扫描的能谱图，并且因此可以相对快速地获得较低能量分辨率数据。这对于时间分辨实验或加速样品的深度剖析非常有用。
44.优选地，所述方法进一步包括：调整能谱分析仪的操作参数以对跨一定能量范围的输入到能谱分析仪的带电粒子进行分析，其中操作参数以一定时间间隔调整以覆盖所输入带电粒子的能量范围；
45.通过针对每个时间间隔确定表示在所述时间间隔期间的分析仪操作参数下带电粒子跨检测器的图像平面的一个维度的空间色散的1
×
m维数据向量来确定多个1
×
m维数据向量；以及针对粒子能量的增量，对所述多个1
×
m维数据向量的数据元素进行分箱，所述分箱包括对所述多个1
×
m维数据向量的与粒子能量的增量相关联的所有元素进行求和。以此方式，可以生成扫描能谱图。优选地，可以以对应于能谱分析仪的操作参数的调整的方式调整带电粒子的加速程度，以维持离开分析仪的粒子与入射在检测器处的粒子之间的恒定关系。
46.换句话说，在所述方法的加速步骤和接收步骤期间，可以调整或步进能谱分析仪的操作参数，以便“扫描”一定范围的带电粒子能量。操作参数可以步进，使得在间隔或停留时间期间在每组操作参数处，获得表示带电粒子在检测器图像平面的一维上的空间色散的1
×
m维数据向量。对每组操作参数重复所述过程，直到获得多个1
×
m维数据向量。鉴于带电粒子的能量色散，1
×
m维数据向量的每个数据元素都与粒子能量相关联。因此，与跨多个1
×
m维数据向量的相同粒子能量(或在相同粒子能量增量内)相关联的数据元素的带电粒子计数可以被分箱(或求和)，以便跨分析仪扫描的粒子能量的范围提供扫描能谱图。以此方式，扫描能谱图可以被认为是许多能量偏移的“快照”能谱图的总和，如上文描述的。
47.通常，扫描能谱图将在能谱分析仪处以相对低的通能获得。可以设置能谱分析仪的操作参数的步长以提供足够的能谱分辨率。可以以与扫描能谱图类似的方式获得全谱分
析能谱图(survey spectrum)，但在此情况下，测量是在能谱分析仪处使用高通能量(提供低分辨率和高吞吐量)以及分析仪的操作参数的相对较大的步长来执行的。因此，全谱分析能谱图可以提供覆盖发射光电子的整个可能能量范围的低分辨率能谱图。
48.优选地，能谱分析仪以成像模式或能量色散模式操作。在一个实例中，能谱分析仪以能量色散模式操作，以使所述带电粒子色散，使得每个带电粒子在表示所述带电粒子的能量的像素列处入射在检测器处。在替代性实例中，所述能谱分析仪在成像模式下操作，使得每个带电粒子在表示样品中所述带电粒子所源自的位置的像素处入射在所述检测器处。在成像模式下，电子将穿过能谱分析仪，并且因此可能会观察到基于带电粒子能量的一些分离。如此，成像中可能存在能量选择，并且在一些情况下会同时存在能量色散和角度映射。
49.任选地，能谱分析仪是以下之一：静电半球分析仪；柱面镜分析仪；飞行时间分析仪；平行板分析仪，减速场分析仪。可以使用根据带电粒子的能量使所述带电粒子色散的任何类型的能谱分析仪(换句话说，能量色散能谱分析仪)。
50.优选地，所述方法进一步包括为检测器的每个检测器像素生成数字信号，所述数字信号表示在检测器像素处接收到的带电粒子的数量。优选地，所述方法包括通过真空馈通件将每个检测器像素的数字信号传递到处理器。数字信号由二极管、前置放大器、比较器和计数器产生。有利地，这意味着需要将数字信号而不是模拟信号传递出检测器所驻留的真空室。从真空中的任何装置和通过真空馈通件传递模拟信号，尤其是在高速下，是极其困难的。为了避免反射和损耗，每个模拟信号必须由同轴电缆承载并且必须穿过同轴真空馈通件。这很昂贵并且占用很大的空间。通过使用每个像素都需要通道的所描述检测器，同轴电缆数量的复杂性将大到令人望而却步。因此，提供数字信号克服了很多这样的问题。
51.任选地，检测器安装在印刷电路板(pcb)上，并且放大器、比较器和粒子计数器布置在pcb上。如此，检测器可以以简单且紧凑的方式安装。
52.任选地，pcb为分析室提供真空密封，所述分析室用于至少容纳能谱分析仪和检测器。
53.任选地，pcb进一步提供用于数字信号的真空馈通件。如此，pcb可以提供用于来往于检测器的信号的真空密封件和电馈通件。
54.任选地，用于将数字信号传递到处理器的接口是pcb与处理器之间的双向光纤链路。有利地，光纤链路允许将数据从检测器(其可以在能量检测阈值处浮动，例如，约10kev)传输到处理器。有益地，光纤链路能够实现usb3数据传输速率。
55.在第二实例中，描述了一种用于在能谱分析中检测带电粒子的设备，所述设备包括：
56.带电粒子光学器件；以及
57.检测像素阵列，所述检测像素阵列形成检测器；
58.其中带电粒子光学器件的布置被配置成使从能谱分析仪接收到的带电粒子朝所述检测器加速，以在所述检测像素阵列处被接收。
59.具体地，描述了用于在能谱分析中检测带电粒子的设备，其中根据带电粒子的能量分析所述带电粒子。
60.带电粒子光学器件(其可以是包括静电透镜或不太优选地磁性透镜的带电粒子光
学器件布置，或者可以被认为是带电粒子加速器)可以对从能谱分析仪发射的带电粒子进行加速和操纵。具体地，带电粒子光学器件可以用于使带电粒子加速到最佳能量，以在检测像素阵列处进行检测。带电粒子光学器件被布置在能谱分析仪与检测器之间。
61.阵列可以包含至少1,000个检测像素。在一些实例中，阵列可以包含128
×
128个像素，以匹配现有检测器的能量分辨率。然而，可以使用大得多的阵列，包含256
×
256(或更多)个像素阵列，从而使得有可能实现能谱图的高得多的能量分辨率。
62.能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，其中通过分析仪(并且随后到达检测器处)的带电粒子在能量色散方向上与其能量成比例扩散。
63.优选地，每个检测像素是包括半导体二极管的有源检测像素，并且更具体地，包括p-n结。到达的带电粒子在每个接收像素的半导体二极管中产生电子/空穴对。这进而在二极管处产生可测量的电流。因此，在不使用任何带电粒子(光电子)倍增的情况下检测带电粒子。
64.优选地，在半导体二极管的有源层处接收经加速的带电粒子。换句话说，在形成二极管功能的一部分的层(包含介电层，或形成p-n结的一部分的层)处接收带电粒子。在半导体二极管装置的衬底或外延层处不接收带电粒子。根据本发明的设备避免了任何复杂的半导体处理步骤(如二极管装置的背侧减薄)。从检测像素阵列形成的检测器的每秒计数显著高于包含微通道板或类似物的典型检测器。
65.优选地，每个检测像素连接到放大器。放大器与半导体二极管紧密耦接。优选地，每个检测像素(更具体地，与检测像素相关联的每个放大器)连接到比较器和计数器。换句话说，放大器连接到模数转换器。检测像素、放大器、比较器和计数器的整个组合件安装在真空中，使得仅数字信号需要穿过真空馈通件。这也增加了检测像素的读出速度。
66.优选地，所述带电粒子光学器件布置被配置成使所述带电粒子加速到至少检测能量阈值，所述检测能量阈值是带电粒子的用于检测入射在所述检测器的检测像素处的所述带电粒子的最小能量。
67.优选地，检测能量阈值大于3kev，或者可以大于5kev。检测能量阈值可以被设置成给定检测像素的最佳检测效率所需的粒子能量的百分比。最佳检测效率所需的粒子能量可以由半导体二极管有源层的厚度以及在装置处产生电流所需的粒子穿透到有源层中的程度来确定。检测能量阈值可以为大于1.5kev、大于2kev、大于3kev、大于4kev、大于5kev、大于7kev、大于10kev。
68.优选地，能谱分析仪被配置成具有小于500ev的通能。在其它实例中，通能可以为小于1.5kev、小于1kev、小于750ev、小于400ev、小于300ev、小于200ev或小于150ev。通常，对于xps，能谱分析仪的通能在50-150ev范围内。
69.任选地，检测能量阈值是能谱分析仪的通能的至少十倍(或者比能谱分析仪的通能大一个数量级)。
70.优选地，从能谱分析仪接收到的带电粒子包括带电粒子束，并且其中带电粒子光学器件布置被配置成聚焦所述带电粒子束以改变所述束在检测器处的图像平面处的放大倍数。换句话说，带电粒子光学器件被配置成改变带电粒子束在检测器像素阵列的接收表面处的横截面积。优选地，带电粒子光学器件布置被配置成改变带电粒子束的放大倍数，以使带电粒子束在检测器焦平面处的横截面积与检测器处的检测像素阵列的至少一个对应
尺寸基本上匹配。有益地，这允许跨检测像素阵列的最大可能表面积接收带电粒子束，并且从而优化接收到的带电粒子的数量。
71.任选地，能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，并且带电粒子光学器件布置被配置成改变所述带电粒子束的所述放大倍数使得所述带电粒子束在能量色散方向上的宽度与所述检测器处所述检测像素阵列的对应尺寸基本上匹配。有利地，能量色散的带电粒子束的宽度被匹配以跨检测器阵列处的检测像素的总列数入射，由此最大化检测器的效率。
72.优选地，所述带电粒子光学器件布置包括至少两个透镜元件，所述至少两个透镜元件被布置成聚焦所述带电粒子并使所述带电粒子加速。具体地，透镜元件中的至少一个透镜元件可以执行聚焦功能，以改变带电粒子束在检测器的图像平面处的横截面的大小。加速功能可以通过在两个透镜元件之间或在透镜元件之一与能谱分析仪的出口或透镜元件之一与检测器之间施加电势来实现。换句话说，带电粒子光学器件布置首先使带电粒子加速，并且其次使分析仪的输出平面重新成像以匹配检测像素阵列的接收表面的尺寸。透镜元件可以是静电透镜，或者不太优选地是磁性透镜。
73.在替代方案中，可以通过在能谱分析仪的出口与检测像素阵列之间施加电势，例如，通过将检测器保持在相对较高的电势来施加加速。在此情况下，不使用透镜元件，并且带电粒子光学器件形成另外描述的设备的一部分。
74.在另外的替代方案中，带电粒子光学器件仅包括单个透镜元件。
75.任选地，与至少两个透镜元件中的第一透镜元件相比，至少两个透镜元件中的第二透镜元件被布置在带电粒子束的下游。任选地，第二透镜元件的施加电压是第一透镜元件施加电压的至少十倍。
76.任选地，第一透镜元件具有施加电压施加电压v1＝1400 e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
77.任选地，第二透镜元件具有施加电压v2＝15000 e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
78.优选地，带电粒子光学器件布置进一步包括第三透镜元件，所述第三透镜元件被配置成将在出口处的提取场施加到能谱分析仪。
79.优选地，第一透镜元件和第二透镜元件具有与第三透镜元件相反极性的施加电压。任选的，当带电粒子为光电子时，第三透镜元件具有负施加电压，并且第一透镜元件和第二透镜元件具有正施加电压。任选地，第一透镜元件和第三透镜元件具有相同数量级的施加电压。
80.任选地，第三透镜元件具有施加电压v3＝100
–
0.5e
pass-ek，其中e
pass
是能谱分析仪的通能，并且ek是电子动能。
81.任选地，所述设备进一步包括能谱分析仪，带电粒子从所述能谱分析仪朝带电粒子光学器件布置离开。
82.任选地，能谱分析仪是以下之一：静电半球分析仪；柱面镜分析仪；飞行时间分析仪；平行板分析仪，减速场分析仪。
83.所述设备可以包括用于控制能谱分析仪(包含在分析仪处施加的静电场)的控制器，以及用于读出和处理来自检测像素的数据的控制器。控制器可以是同一个控制器或两个单独的控制器。控制器可以链接到计算机处理器或形成计算机处理器的一部分。
84.优选地，所述设备包括控制器，所述控制器被配置成调整能谱分析仪的操作参数以对具有一定能量范围的输入到能谱分析仪的带电粒子进行分析，其中操作参数被调整以扫描所输入的带电粒子的能量范围。在一些情况下，带电粒子的加速程度可以被调整成与能谱分析仪的操作参数的调整平行，以维持恒定的关系。
85.优选地，所述检测器包括由n个检测像素行和m个检测像素列构成的阵列，其中所述控制器被进一步配置成确定在n
×
m个检测像素中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量。例如，控制器可以接收从形成各自耦接到相应放大器、比较器和计数器的n
×
m个检测像素的半导体二极管中的每个半导体二极管输出的数字信号。在“成像模式”下，控制器可以将从n
×
m个检测像素接收到的计数日期绘制为二维图像。
86.任选地，能谱分析仪以能量色散模式操作，其中控制器被进一步配置成，对于每个n检测像素列，将确定在所述检测像素列中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量求和，以确定包括每个n检测像素列的总和的1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量表示所述带电粒子跨所述检测器的图像平面的一个维度的空间色散。换句话说，控制器可以用于处理从每个单独的检测像素接收到的数字信号，以便对从像素阵列的列中的每个检测像素读出的带电粒子计数求和。以此方式，可以测量带电粒子束在能量色散方向上的色散，并且获得能谱图。在一个具体实例中，其中在预定的停留时间期间为能谱分析仪的一组特定操作参数获得1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量可以被绘制成“快照”能谱图。
87.优选地，控制器被配置成以时间间隔调整操作参数以跨越输入的带电粒子的能量范围。与典型的能谱测量一样，可以调整能谱分析仪的静电场、通能和其它设备变量，以将样品内全范围的带电粒子能量传递通过能谱分析仪到检测器。
88.优选地，控制器被进一步配置成通过针对每个时间间隔确定表示在所述时间间隔期间的分析仪操作参数下带电粒子跨检测器的图像平面的一个维度的空间色散的1
×
m维数据向量来确定多个1
×
m维数据向量；以及针对粒子能量的增量，对所述多个1
×
m维数据向量的数据元素进行分箱，所述分箱包括对所述多个1
×
m维数据向量的与粒子能量的增量相关联的所有元素进行求和。换句话说，能谱分析仪的每组操作参数保持某一停留时间，并且针对每组操作参数生成1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量表示停留时间期间每列像素中的带电粒子计数。可以对生成的1
×
m维数据向量中表示粒子能量的给定增量的数据元素进行分箱或求和，以生成完整的能谱图。
89.优选地，放大器、比较器和粒子计数器被配置成为每个检测器像素生成数字信号，所述数字信号表示在检测器像素处接收到的带电粒子的数量。
90.优选地，所述设备进一步包括印刷电路板(pcb)，检测器安装在所述pcb上，并且放大器、比较器和粒子计数器布置在所述pcb上。
91.任选地，所述设备进一步包括用于将数字信号从pcb承载到处理器的双向光纤链路。
92.优选地，pcb被配置成为分析室提供真空密封件，所述分析室用于容纳至少能谱分析仪和检测器，所述分析室可密封为含有真空，并且pcb板被进一步配置成提供用于数字信号的真空馈通件，所述真空馈通件用于将数字信号从所述分析室内部传递到所述分析室外部。
93.在第三方面，描述了一种x射线光电子能谱仪，所述x射线光电子能谱仪包括如上
文所描述的设备和静电半球分析仪，其中所述带电粒子光学器件的布置被配置成使从所述静电半球分析仪接收到的光电子朝形成所述检测器的所述检测像素阵列加速。
94.以下带编号的条款描述了进一步的说明性实例：
95.1.一种用于在能谱分析中检测带电粒子的方法，所述方法包括：
96.使从能谱分析仪接收到的带电粒子朝检测器加速；以及
97.在检测像素阵列处接收经加速的带电粒子，所述检测像素阵列形成所述检测器。
98.2.根据条款1所述的方法，其中每个检测像素是包括半导体二极管的有源检测像素。
99.3.根据条款2所述的方法，其中每个检测像素与放大器、比较器和计数器相关联。
100.4.根据前述条款中任一项所述的方法，其中所述带电粒子被加速到至少检测能量阈值，所述检测能量阈值是带电粒子的用于检测入射在所述检测器的检测像素处的所述带电粒子的最小能量。
101.5.根据前述条款中任一项所述的方法，其中从所述能谱分析仪接收到的所述带电粒子包括带电粒子束，并且，在所述检测器处接收所述加速粒子之前，所述方法进一步包括：
102.聚焦所述带电粒子束以改变所述束在所述检测器处的图像平面处的放大倍数。
103.6.根据条款5所述的方法，其中所述能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，并且其中聚焦所述带电粒子束以改变所述带电粒子束的放大倍数包括改变所述带电粒子束在焦平面处的横截面积，使得所述带电粒子束在能量色散方向上的宽度与所述检测器处所述检测像素阵列的对应尺寸基本上匹配。
104.7.根据前述条款中任一项所述的方法，其中布置在所述能谱分析仪与所述检测器之间的带电粒子光学器件使所述带电粒子加速。
105.8.根据条款7所述的方法，在从属于条款5或6时，其中所述带电粒子光学器件被进一步配置成聚焦所述带电粒子。
106.9.根据条款8所述的方法，其中所述带电粒子光学器件包括至少两个透镜元件，所述至少两个透镜元件被布置成执行所述聚焦步骤和所述加速步骤。
107.10.根据前述条款中任一项所述的方法，所述方法进一步包括在所述能谱分析仪的出口处施加提取场。
108.11.根据条款10所述的方法，在从属于条款9时，其中所述带电粒子光学器件进一步包括位于第一透镜元件上游的第三透镜元件，所述第三透镜元件被布置成施加所述提取场。
109.12.根据条款11所述的方法，所述第一透镜元件和所述第二透镜元件具有与所述第三透镜元件相反极性的施加电压。
110.13.根据条款1到5或条款7到12中任一项所述的方法，其中所述能谱分析仪在成像模式下操作，使得每个带电粒子在表示样品中所述带电粒子所源自的位置的检测像素处入射在所述检测器处。
111.14.根据条款1到12中任一项所述的方法，其中所述能谱分析仪以使所述带电粒子色散的能量色散模式操作，使得每个带电粒子在表示所述带电粒子的能量的检测像素列处入射在所述检测器处。
112.15.根据前述条款中任一项所述的方法，其中所述检测器包括由n个检测像素行和m个检测像素列构成的阵列，其中所述方法进一步包括：
113.确定在n
×
m个检测像素中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量。
114.16.根据条款15所述的方法，在从属于条款14时，其中所述方法进一步包括：
115.对于每个n检测像素列，对确定在所述检测像素列中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量进行求和，以确定包括每个n检测像素列的总和的1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量表示所述带电粒子跨所述检测器的图像平面的一个维度的空间色散。
116.17.根据条款16所述的方法，其进一步包括：
117.调整能谱分析仪的操作参数以对跨一定能量范围的输入到能谱分析仪的带电粒子进行分析，其中操作参数以一定时间间隔调整以覆盖所输入带电粒子的能量范围；
118.通过针对每个时间间隔确定在所述时间间隔期间的1
×
m维数据向量来确定多个1
×
m维数据向量，以及；
119.对所述多个1
×
m维数据向量的数据元素进行分箱，所述分箱包括对与粒子能量的相同增量相关联的所述多个1
×
m维数据向量的所有元素求和。
120.18.一种用于在能谱分析中检测带电粒子的设备，所述设备包括：
121.带电粒子光学器件；以及
122.检测像素阵列，所述检测像素阵列形成检测器；
123.其中带电粒子光学器件的布置被配置成使从能谱分析仪接收到的带电粒子朝所述检测器加速，以在所述检测像素阵列处被接收。
124.19.根据条款18所述的设备，其中每个检测像素是包括半导体二极管的有源检测像素。
125.20.根据条款19所述的设备，其中每个检测像素连接到放大器、比较器和计数器。
126.21.根据条款18到20中任一项所述的设备，其中所述带电粒子光学器件被配置成使所述带电粒子加速到至少检测能量阈值，所述检测能量阈值是带电粒子的用于检测入射在所述检测器的检测像素处的所述带电粒子的最小能量。
127.22.根据条款18到21中任一项所述的设备，其中从所述能谱分析仪接收到的所述带电粒子包括带电粒子束，并且其中所述带电粒子光学器件被进一步配置成聚焦所述带电粒子束以改变所述束在所述检测器处的图像平面处的放大倍数。
128.23.根据条款22所述的设备，其中所述能谱分析仪是能量色散能谱分析仪，并且其中带电粒子光学器件被配置成改变所述带电粒子束的所述放大倍数，使得所述带电粒子束在能量色散方向上的宽度与所述检测器处所述检测像素阵列的对应尺寸基本上匹配。
129.24.根据条款22或23所述的设备，其中所述带电粒子光学器件包括至少两个透镜元件，所述至少两个透镜元件被布置成聚焦所述带电粒子并使所述带电粒子加速。
130.25.根据条款24所述的设备，其中所述带电粒子光学器件进一步包括第三透镜元件，所述第三透镜元件被配置成将在出口处的提取场施加到所述能谱分析仪。
131.26.根据条款25所述的设备，其中所述第一透镜元件和所述第二透镜元件具有与所述第三透镜元件处的施加电压相反极性的施加电压。
132.27.根据条款18到26中任一项所述的设备，所述设备进一步包括：
133.所述能谱分析仪，带电粒子从所述能谱分析仪朝带电粒子光学器件离开。
134.28.根据条款18到27中任一项所述的设备，其中所述能谱分析仪在成像模式下操作，使得每个带电粒子在表示样品中所述带电粒子所源自的位置的像素处入射在所述检测器处。
135.29.根据条款18到27中任一项所述的设备，其中所述能谱分析仪以使所述带电粒子色散的能量色散模式操作，使得每个带电粒子在表示所述带电粒子的能量的像素列处入射在所述检测器处。
136.30.根据条款18到29中任一项所述的设备，其中所述检测器包括由n个检测像素行和m个检测像素列构成的阵列，其中所述设备进一步包括控制器，所述控制器被配置成：
137.确定在n
×
m个检测像素中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量。
138.31.根据条款30所述的设备，在从属于条款29时，其中所述控制器被进一步配置成：
139.对于每个n检测像素列，对确定在所述检测像素列中的每个检测像素处接收到的带电粒子的数量进行求和，以确定包括每个n检测像素列的总和的1
×
m维数据向量，所述1
×
m维数据向量表示所述带电粒子跨所述检测器的图像平面的一个维度的空间色散。
140.32.根据条款30或31所述的设备，所述控制器被进一步配置成：
141.调整能谱分析仪的操作参数以对跨一定能量范围的输入到能谱分析仪的带电粒子进行分析，其中操作参数以一定时间间隔调整以覆盖所输入带电粒子的能量范围。
142.33.根据条款32所述的设备，在从属于条款31时，所述控制器被进一步配置成：
143.通过针对每个时间间隔确定表示带电粒子在检测器的图像平面的一维上的空间色散的1
×
m维数据向量来确定多个1
×
m维数据向量，用于分析仪在运行期间的操作参数，以及：
144.对所述多个1
×
m维数据向量的数据元素进行分箱，所述分箱包括对与粒子能量的相同增量相关联的所述多个1
×
m维数据向量的所有元素求和。
145.34.一种x射线光电子能谱仪，其包括：
146.根据条款18到33中任一项所述的设备；以及
147.静电半球分析仪；
148.其中带电粒子光学器件的布置被配置成使从所述静电半球分析仪接收到的光电子朝形成所述检测器的所述检测像素阵列加速。
附图说明
149.现将参考附图仅借助于实例描述本发明的实施例，在附图中：
150.图1是用于在能谱分析中检测带电粒子的设备的示意图；
151.图2是具有检测器像素阵列的检测器的示意图；
152.图3是示出与检测器的每个像素相关联的像素电子器件的示意图；
153.图4是x射线光电子能谱仪的示意图；
154.图5a是用于在能谱分析中检测带电粒子的设备的横截面；
155.图5b是图5a中示出的用于在能谱分析中检测带电粒子的设备的不同横截面视图；
156.图6是图5a和5b的设备的平面视图；
157.图7是双向光纤usb接口的示意图；
158.图8是示出使用所描述设备的实例“快照”能谱图的图；
159.图9是示出使用所描述设备的实例“扫描”能谱图的图；
160.图10是示出了使用所描述设备获得的示例“全谱分析”能谱图的绘图；
161.图11是检测器处检测器像素阵列的示意图；以及
162.图12是示出示例反射电子能量损失能谱图的图。
163.在附图中，相同的部分由相同的附图标记表示。附图未按比例绘制。
具体实施方式
164.参考图1，示出了用于在能谱分析中检测带电粒子的设备。所述设备可以应用于多种不同类型的能谱分析或基本粒子能谱技术，包含x射线光电子能谱分析、奥格电子能谱分析、紫外光电子能谱分析、反射电子能量损失能谱分析、飞行时间能谱分析和离子散射能谱分析。所述设备和相关联的检测方法可以用于能谱分析模式(特别适用于导致具有不同能量、质量或电荷特性的粒子的时间或空间分离的分析)或成像模式，如下文所描述。
165.带电粒子(此处由空间色散的带电粒子束12表示)从能谱分析仪14离开，并且直接在检测器16处接收。检测器16包括n
×
m检测像素阵列。在特定实例中，检测器包括256
×
256个检测像素阵列，并且因此总共包含超过64,000个像素。在具体实例中，检测器是medipix
tm
或timepix
tm
检测器阵列，但可以使用包括有源检测像素阵列的任何检测器(包含x
tm
/timepix
tm
系列中的任何检测器)。可以参考图2在下文找到对检测器的进一步描述。
166.在能谱分析仪14的出口与检测器16之间布置了透镜元件的配置，所述透镜元件一起提供带电粒子光学器件，所述带电粒子光学器件在此实例中为静电透镜布置18。静电透镜布置18被配置成使带电粒子束12的带电粒子加速。如此，入射在检测器16的检测像素处的带电粒子的速度大于离开能谱分析仪的带电粒子的速度。这进而意味着由于静电透镜布置18的加速，带电粒子的动能增加(对于所有粒子均匀地增加)。因此，带电粒子以更接近于在检测像素处进行检测的最佳能量的能量入射在检测器处的检测像素处。具体能量将由检测像素的设计确定。
167.然而，在分析仪14与检测器16之间没有带电粒子的扩增(或放大)。发明人已经认识到，当入射在检测像素处的带电粒子具有足够的能量时，不需要此类扩增。例如，在图1的设备中，从能谱分析仪接收到的带电粒子在到达检测像素阵列之前没有转换成二次粒子，如二次电子。因此，例如在分析仪14与检测器16之间没有电子倍增器(例如，微通道板(mcp))。这是有利的，因为此类电子倍增器通常具有有限的使用寿命。此外，使用mcp(或类似物)通常需要施加另外的电压，从而增加检测器电路的复杂性。
168.在使用中，静电透镜布置18被配置成当带电粒子入射在检测器16的检测像素处时使所述带电粒子加速到至少最小或阈值能量。最小或阈值能量是在检测像素处进行可靠检测的最小能量。在medipix
tm
或timepix
tm
检测器阵列的具体实例中，为了检测带电粒子而必须超过的阈值检测能量为5kev，并且更优选为10kev或甚至15kev，以获得最佳检测效率。在一些当前实例中，阈值检测能量在5kev与15kev之间，但在像素化检测器的未来设计中，阈值能量可能低得多(例如，2kev)。
169.图1示出了由静电透镜布置18施加到带电粒子(在图1中示出为场线)的数学模型化的加速和聚焦静电场。图1的特定静电透镜布置利用了三个静电透镜元件20、22、24，尽管
可以使用具有不同数量透镜的其它布置。
170.如上文所描述的，静电透镜布置被配置成将带电粒子加速到至少在检测器的有源像素处检测带电粒子所需的阈值检测能量。另外，由图1的静电透镜元件18产生的场用于提供带电粒子束的聚焦和放大。更具体地，聚焦场用于改变电荷粒子束12在其入射到检测器16的接收检测表面(被称为检测器的图像平面)的点处的宽度。理想地，带电粒子束12的宽度w被选择为匹配检测器16的接收检测表面的至少一个维度，以便优化(和/或最大化)能够接收带电粒子的检测器处的检测像素的数量。在一些情况下，聚焦场因此将是放大场(以增加带电粒子束的宽度w)，但也可以是缩小场(以减小带电粒子束的宽度w)。当以成像模式使用分析仪14时，可以修改放大倍数以确保整个带电粒子束落入检测器16的图像平面内。当以能谱分析模式使用分析仪14(其中带电粒子根据其能量主要在一维中色散)时，放大倍数将被修改以确保带电粒子束在能量色散方向上的宽度w与检测器16的图像平面在对应维度上相匹配。
171.因此，选择静电透镜布置18的特定配置以执行所描述的加速和聚焦功能。在图1的特定实例中，圆柱形第一透镜元件22被布置成与能谱分析仪14的出口对准，使得离开分析仪14的带电粒子束12穿过圆柱形第一透镜元件22的空腔。第二透镜元件20被布置成与第一透镜元件22相邻并间隔开。第二透镜元件20具有圆柱形部分20a和锥形部分20b，其中穿过圆柱形部分20a和锥形部分20b的孔形成带电粒子束12穿过的开放空腔。第二透镜元件20被布置成使得圆柱形部分20a位于来自第一透镜元件22的带电粒子束12的下游，其中第二透镜元件20的锥形部分20b突出到圆柱形第一透镜元件22的空腔中。
172.第一透镜元件22和第二透镜元件20一起执行上文所描述的大部分加速和聚焦功能。第一透镜元件22主要用于聚焦带电粒子束12，以及改变带电粒子束12在检测器16的焦平面处的宽度w。第二透镜元件20主要用于通过以下使带电粒子朝检测器16加速：与第一透镜元件22和系统的其它部分(包含第三透镜元件24和分析仪14)相比，在第二透镜元件20处施加较大电势。通常，检测器芯片16将保持与第二透镜元件20相同的电势。在一个实例中，第二透镜元件20具有比第一透镜元件22处的施加电势大至少一个数量级，优选地大两个数量级的施加电势，以便为带电粒子提供所需的加速。
173.图1还示出了第三透镜元件24，所述第三透镜元件主要用于提供用于从能谱分析仪14的出口汲取带电粒子的提取场。第三透镜元件24是圆柱形的，并且与能谱分析仪14的出口对齐布置，使得带电粒子在离开分析仪14后通过第三透镜元件24的孔。第三透镜元件还围绕第一透镜元件22圆周布置(但与其间隔开)，使得第一透镜元件22的至少一部分延伸穿过第三透镜元件24的空腔或孔。圆柱形第一透镜元件22延伸穿过小于圆柱形第三透镜元件24的空腔的长度的一半。施加到第三透镜元件24的电压相对于能谱分析仪14的通能(通常在5-150ev范围内)进行缩放。通常，第三透镜元件24提供10-20v/mm之间的提取场。
174.加速、聚焦和提取功能取决于透镜元件20、22、24的具体配置，包含其形状、间距和施加的电压。施加到透镜元件20、22、24的电压随带电粒子的动能ek和势能缩放(换句话说，通过施加到带电粒子的阻滞，并且因此能谱分析仪的通能e
pass
，缩放)。在图1的特定实例中，施加到第一透镜元件的电压e1、施加到第二透镜元件的电压e2和施加到第三透镜元件的电压e3如下：
175.e1＝1400 e
pass
–ek
176.e2＝15000 e
pass
–ek
177.e3＝100-0.5e
pass-ek178.在特定实例中，对于通能e
pass
＝100ev和光电子动能ek＝1000ev，施加到三个透镜元件的近似电势为e1＝500v、e2＝14.1kv以及e3＝-950v(分别用于聚焦、加速和提取)。
179.注意到，尽管关于图1的实例讨论了圆柱形透镜元件，但是可以使用足以执行所描述功能的任何形状的透镜元件(例如，一组杆或其它透镜配置)。还注意到，尽管第三透镜元件24可能是有利的，但不需要执行所描述系统的聚焦和加速功能。
180.图2示出了在上文所描述的用于在能谱分析中检测带电粒子的设备内使用的检测器。检测器结合了检测像素的二维阵列(换句话说，检测器是像素化的)。适合的检测器阵列的实例是medipix
tm
或timepix
tm
检测器，如美国专利公开第us 2012/012613号中所描述的。此类检测器可以用于检测或感测辐射，例如，x射线、电子、γ射线、α粒子、带电粒子、离子或中子。
181.检测器包括结合掺杂半导体材料的转换层26，以便提供多个半导体二极管(如下文参考图3进一步描述的)。转换层26用于接收入射辐射或带电粒子，并将所述辐射或粒子转换成电信号。半导体二极管中的每个半导体二极管表示检测器像素。
182.转换层26连接到电子电路系统层30。电子组件被布置在每个半导体二极管之下的电路系统层中。每个检测像素都连接到其自己的专用像素电子器件(下文将参考图3详细说明)，用于对每个半导体二极管产生的电信号进行单独像素读出。如此，每个像素都被认为是“有源像素”，例如，与电荷耦接装置(ccd)中的像素不同。专用像素电子器件组被布置在转换层26之下的平面阵列中，例如在沿x和y方向规则地布置的n
×
m像素电路系统阵列中，如图2中示出的。转换层和电子电路系统层通过在每个像素处使用焊料凸块32进行倒装芯片接合来连接。使用与每个像素相关联的专用像素电子器件(特别是，每个像素都包括二极管和有源放大器)允许单个像素读出，并且将检测器定义为具有“有源像素阵列”。
183.图3是组成并连接到每个检测像素的组件的示意图。每个检测像素34包括由半导体衬底38上的n型或p型半导体材料扩散层36形成的转换层26中的p-n结，连同衬底中的注入区域40(注入区域40由与扩散层36相比具有相反类型(p或n)的半导体材料形成)。在图3的情况下，扩散层36包括n型半导体材料，并且注入区域40为p型。应当理解，扩散层和衬底层通常是平面的，其中注入区域在衬底中布置为阵列。注入区域40中的每个注入区域表示转换层中的检测像素的面积。尽管图2示出了正方形像素阵列，但是应当理解，像素可以具有任何形状或阵列布置。
184.在使用中，直接入射在扩散层36表面处的带电粒子(如光电子)穿过扩散层36扩散到耗尽区域38，导致产生数量与入射粒子能量成比例的电子-空穴对。跨转换层26施加所施加偏压使电子-空穴对移动到相邻的注入区域40。因此，电荷的变化在键合到每个注入区域40的电路系统30处明显。
185.每个注入区域40被单独地接合(通过使用倒装芯片接合的焊料凸块32)到电子电路系统层30中的专用像素电子器件48。每个注入区域40电连接到放大器42，以便产生高度与进入的带电粒子在相关二极管处沉积的总电荷成比例的电压脉冲。例如，像素电子器件可以包括放大器电荷敏感前置放大器。
186.每个放大器42串联连接到与每个检测像素相关联的比较器44。比较器44检测每个
放大器42的电压输出是否高于或低于某个阈值，所述阈值可以为整个芯片任意设置。在这样做时，比较器44可以用于将来自放大器42的模拟电压输出数字化。如此，比较器44用作模数转换器。因此，比较器44的输出提供了表示在相关联的检测像素34处检测到的电荷的数字信号。计数器46可以连接到每个比较器44的输出，以便提供在每个单独像素处接收到的带电粒子的数量的计数。
187.图4示出了结合图1到3的设备的用于x射线光电子能谱(xps)的设备的示意图。x射线52在x射线源50处产生，并且通过适合的光学器件54传递到x射线单色仪56。x射线单色仪56用于选择定义的波长的辐射(例如，铝kα射线)。所选x射线辐射被引导撞击样品58，使由于光电效应而发射光电子。透镜系统60(包括静电透镜布置)将光电子阻滞到静电半球分析仪114的带通能并且进一步引导光电子以窄聚焦束的形式输入到静电半球分析仪114。电压v1、v2施加到静电半球分析仪114处的半径为r1和r2的同心半球电极在其之间产生具有1/r2相关性的静电场(其中r是距分析仪114的中心的径向距离)。因此，穿过分析仪114的光电子根据其动能径向色散。
188.在静电半球分析仪114的出口处，光电子根据其能量在空间上分离。特定光电子行进穿过静电半球分析仪114的路径半径的知识，连同由分析仪施加的电场，允许确定分析仪出口处特定光电子的动能。根据关系其中hν是入射到样品的辐射的能量，ek是所发射光电子的动能，并且是功函数(取决于能谱仪和样品材料)，光电子的动能与光电子在样品上的结合能eb直接相关。
189.在图4中，在检测器16处接收离开静电半球分析仪114的光电子。上文关于图1到3描述了检测器16，并且所述检测器包括检测像素阵列。在静电半球分析仪114的出口与检测器16之间，光电子穿过静电透镜18的布置，如上文参考图1所描述的。静电透镜18被布置成加速和聚焦带电粒子。具体地，带电粒子被加速以增加粒子的能量以超过检测器16的检测能量阈值，同时维持带电粒子的相对位置。通常，在x射线光电子能谱分析(xps)中产生的光电子以至多1486ev的动能离开样品。然而，在进入分析仪之前，光电子被减缓到分析仪的“通能”。具有通能的光电子随后绕分析仪移动，并且然后在此能量下离开。在xps中，用于静电半球分析仪的典型“通能”在3ev与200ev之间。因此，静电透镜布置18被配置成将在此能量范围内离开能谱分析仪的光电子加速到至少检测器的检测能量阈值。如此，从样品表面(在图4中的点a处)发射的带电粒子的能量将高于带电粒子在穿过透镜系统60和减速网格后(在图4中的点b处)的能量，此时所述带电粒子将处于能谱分析仪的通能。然而，在加速之后(在图4中的点c处)，带电粒子的能量将显著高于图4中的点a或b(例如，与通能相比，能量增加了约两个数量级)。
190.此外，静电透镜18的布置改变了光电子束的宽度，如上文参考图1所讨论的。具体地，光电子束的宽度被放大或缩小以匹配光电子入射到其上的检测器16的表面的宽度。以此方式改变束的宽度使光电子束的输出场内的检测器像素数量最大化，并且可以提供从分析仪离开的光电子的全部空间扩散入射到检测表面上。
191.通常，能量色散能谱分析旨在获得样品在一定能量范围内的能谱图。在需要宽能量范围内的能谱图的情况下，在静电半球分析仪114处施加的电势相应地被调整(或扫描)。在本发明的布置中，由静电透镜布置18施加的加速度也可以被调整或扫描，以便在离开分析仪114的带电粒子被检测器16接收之前提供适当的加速。
192.具体地，在典型的能谱分析模式中，其中光电子根据其在能谱分析仪14处的能量在空间上色散，静电透镜布置18必须被配置成使光电子加速到至少检测器16的检测能量阈值(其中，检测能量阈值是用于在检测器16的检测像素处检测的入射光电子的最小能量)。在此模式下，光电子可以在其入射在检测器16的点处被加速到相同的能量，因为带电粒子的能量分析是由所述带电粒子入射在检测器16的相对位置处允许的(由于静电半球分析仪114提供的能量-空间色散)。
193.在替代方案中，所述设备可以用于成像模式。在此情况下，光电子穿过能谱分析仪并且均匀加速到大于检测能量阈值的能量。然后，在检测像素阵列处接收粒子，可以从所述阵列中读出跨阵列的每个像素的带电粒子计数并且将其以二维图像的形式呈现。
194.图5a和5b示出了在示例x射线光电子能谱仪(例如，如图4中示出的)中使用的特定静电透镜18和检测器16布置的横截面视图。图6示出了图5a和5b中示出的设备的多个元件的平面视图。
195.在图5a、5b和6中，检测器安装在印刷电路板(pcb)上，所述印刷电路板包括上文参考图3描述的像素电子器件48(放大器、比较器和计数器)。三个静电透镜元件20、22、24(如图1中示出的)相对于检测器16布置。第二静电透镜元件20围绕检测器布置，并且第一静电透镜元件22和第三静电透镜元件24包括围绕第二静电透镜元件20定位并且所述与第二静电透镜元件间隔开的同心电极。第三静电透镜元件、第一静电透镜元件和第二静电透镜元件分别在带电粒子朝着检测器的行进方向上串联布置。
196.第三静电透镜元件24主要用于从分析仪114的出口提取光电子并且使所述光电子准直。第一静电透镜元件22主要用于聚焦带电粒子束，设置放大倍数以调整束的宽度，优选地填充检测器的检测区域。第二静电透镜元件20主要在光电子撞击检测器16之前为所述光电子提供必要的加速。
197.第一静电透镜元件22和第三静电透镜元件24各自为圆柱形电极的形式。第三静电透镜元件24的圆柱形电极具有比第一静电透镜元件22的圆柱形电极更大的直径，并且至少部分地与第一透镜元件22同心。第二静电透镜元件20被配置成具有圆柱形部分和圆锥部分的电极，其中至少圆锥部分与第一透镜元件22同心。第一静电透镜元件的锥形端的形状用于最小化球面像差。在使用时，光电子分别穿过第三透镜元件24、第一透镜元件22和第二透镜元件20的孔。检测器16安装在第二静电透镜元件20的圆柱形端的下游。
198.检测器16安装在其中的空腔64形成能谱仪的分析室的一部分。可以调整空腔的长度以使透镜的焦距与能谱分析仪的输出或图像平面相匹配。例如，分析室还可以容纳能谱分析仪和样品(图5a和5b中未示出)。对于xps，分析仪和样品可以如图4中示出的来布置，但是对于本领域已知的其它形式的能谱分析可以不同地布置。在能谱图测量期间，分析室维持在真空下。
199.在图5a和5b的具体实例中，pcb在分析室与外部大气之间形成真空密封。由pcb处的像素电子器件48(上文所描述的)生成的用于每个检测像素的数字信号可以从真空室传出到计算机处理器(未示出)。以此方式，pcb为数字信号提供真空馈通件66。
200.将数字信号从pcb承载到处理器的接口68也在图5b中示出。此处，接口实施为双向光纤通用串行总线(usb)接口，如图7中示出的。接口向pcb板(以及像素电子器件)提供光纤usb接口80，通过光纤连接82连接到计算机处理器处的光纤usb接口84。光纤连接82在pcb与
处理器之间提供15kv隔离，当检测器16和至少静电透镜组合件18的元件在比周围能谱仪设备的电势高的“浮动”电压下操作时，这是特别必要的。例如，检测器和其相关电子器件可以在至多15kv(例如，1-15kv或5-15kv)的升高电压下浮置。可以使用高压电源使检测器和电子器件浮置。
201.值得注意的是，与生成模拟信号的传统检测器(如微通道板检测器和电子倍增器)相比，数字信号的生成提供了显著的优势。从真空中的任何装置通过真空馈通件传递模拟信号，尤其是在高速下，是极其困难的。为了避免反射和损耗，每个信号必须由同轴电缆承载并且穿过同轴真空馈通件。这很昂贵并且占用很大的空间。相比之下，可以使用上文所描述的pcb和接口将数字信号从真空中传递出去。这不仅提供了高速、低噪声的接口，而且还允许大量不同的信号(如由检测器阵列中的多个有源像素获得的信号)仅通过小的馈通区域进行传输。
202.如本领域技术人员将理解的，可以对图5a和5b的设备进行进一步修改，例如，包含与检测器16连接的散热器70，以及相对于静电透镜布置18布置的高压绝缘体72。也可以连接浮动usb电源86。
203.在xps中，需要单独计算在用x射线照射时从样品发射的特定能量的光电子的数量。感兴趣能量的光电子由半球分析仪选择，并且在离开分析仪后由检测器和脉冲计数电子器件计数。在能谱分析模式下，分析仪为能量色散型，使得可以使用光电子在分析仪的出口处的位置来确定电子的能量。离开分析仪的电子的能量通常线性依赖于所述电子的位置，并且因此可以通过在检测器像素阵列的宽度上绘制带电粒子计数来生成能谱图。
204.在一个具体实例中，上文所描述的涉及图1到3的检测器组合件已安装在thermo scientific
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tm xps能谱仪上。具体地，使用的检测器包括256
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256个检测像素阵列。光电子束由静电透镜布置聚焦以匹配检测器表面的宽度。因此，光电子束跨越检测器处的所有256个像素列。
205.图8示出了使用此实验设备获得的“快照”能谱图，其中xps能谱仪的分析仪被设置为ag3d双峰的光电子能量(使用1486.6ev的x射线辐射)。分析仪和静电透镜布置处的所有电压保持恒定。静电透镜布置18被配置成使光电子加速到具有至少10kev的能量。
206.快照能谱图是跨检测器的256个像素列快速同时对束进行检测的结果。具体地，快照能谱图(对结合能与每秒光电子计数绘图)表示在检测器处像素阵列的256列中的每一列中的检测像素处检测到的光电子总数。x轴线与跨256列检测像素的光电子的空间和能量色散相关联。
207.因此，可以生成1
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m维数据向量，所述1
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m维数据向量的每个元素包括在n
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m检测器像素阵列的列中的n个像素中的每个像素中检测到的光电子数量的总和(如图11中展示的)。在图8的具体案例中，绘图是在将阵列的m个列进一步分箱为代表性的128个通道之后生成的，以便再现现有技术检测器的空间分辨率。然而，通过增加可用通道数量提供的潜在改进对于本领域技术人员将是显而易见的(即使目前分辨率由分析仪的几何形状确定)。
208.图9示出了使用安装在thermo scientific
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tm xps能谱仪中的所描述的检测器组合件获得的“扫描”能谱图。为了生成扫描能谱图，调整(或步进)静电半球分析仪的一组操作参数和静电透镜布置处的电势，以扫描已知与所关注的能谱位置(或能谱峰)一致的特定范围的电子能量。然后记录在每组操作参数的停留时间期间在阵列的每个检测像素
处接收到的带电粒子的计数，并且进行数据处理以生成绘图。
209.应当注意的是，在扫描分析仪的操作参数的同时，也同时调整施加到静电透镜布置中每个元件的电压，以便为离开分析仪的光电子(或带电粒子)提供适当的加速。具体地，静电透镜布置被配置成确保从分析仪接收到的光电子(或带电粒子)被加速到至少检测能量阈值。分析仪的操作参数的调整与静电透镜布置的调整之间的关系是预先定义的，并且可以是恒定的。
210.为了生成图9的扫描能谱图，对于每组操作参数，生成1
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m数据向量，所述1
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m维数据向量表示在相应停留时间期间检测器中的m个像素列处的带电粒子计数。如此，随着对分析仪的每组操作参数重复计数而生成多个1
×
m数据向量。由于能量与由分析仪对粒子进行的位置色散之间的已知关系，可以将每个数据向量的每个元素与粒子的能量增量相关联。因此，每个数据向量的每个元素可以与表示相同能量增量的其它数据元素分箱。以此方式，随后可以生成图9的扫描能谱图，跨输入粒子能量对所述扫描能谱进行绘图。如此，如上文所描述的，扫描能谱图可以被认为是许多能量偏移的快照能谱图的总和(并且具体地，用相对低的通能进行测量)。
211.与图8的快照能谱图相比，图9的扫描能谱图展示了定制能量范围。例如，快照能谱图可以为通能的约13.6％(例如，对于100ev通能，为约13ev)。相比之下，扫描能谱图的能量范围是定制的，例如，如果看单峰线，所述能量范围可以仅为3-4ev。与快照能谱图相比，扫描能谱图的明显增加的计数速率(增加多达100倍)是添加大量单独扫描的结果，每次扫描都在分析仪的不同操作参数集合下。因此，实现了更高的分辨率，与快照能谱图相比，在扫描能谱图中可以看到更多细节。通常，图8中示出的快照能谱图可以用于加速数据收集过程，或用于不需要分辨率(或化学信息)的情况。
212.除了所描述的快照能谱图和扫描能谱图外，x射线光电子能谱(xps)通常希望在更广泛的结合能范围内提供“全谱分析”能谱图。在大多数情况下，xps全谱分析能谱图会产生约50ev到1486ev(这是最常用的xps辐射源的x射线能量范围)的光电子能量的能谱图。这样的能谱图可以用于覆盖来自样品的发射光电子的整个可能范围。全谱分析能谱图可以用于标识样品中的感兴趣能谱特征，并且然后可以获得具有更高分辨率的扫描能谱图，指向标识的感兴趣区域。
213.图10中示出了使用安装在thermo scientific
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tm xps能谱仪中的所描述的检测器组合件获得的全谱分析能谱图。能谱仪被编程为扫描与所有可用xps峰相对应的宽能量范围，同时静电半球分析仪的操作参数和静电透镜布置处的电势被相应地调整和/或扫描。本质上，全谱分析能谱图的生成方法与扫描能谱图的生成方法相同，如上文所描述的，包含所描述的数据处理步骤。然而，为了生成全谱分析能谱图，在分析仪处使用了更高的通能，从而导致更低的分辨率和更大的粒子通量。另外，与扫描能谱图相比，分析仪参数的步长(相当于分析的粒子能量的步长)增加。以此方式，全谱分析能谱图提供了具有更大范围但能量分辨率较低的扫描能谱图。
214.尽管通过使用所描述方法和设备生成能谱图，许多因素有助于如xps等能谱技术中的测量能量分辨率(包含分析仪输入狭缝(slit)的大小和半球分析仪半径等)，但已经证明，与现有技术系统相比，可以获得能量分辨率特别高的能谱图。原则上，所描述系统可以用于将在检测器表面上接收到的带电粒子的位置解码为检测器提供的像素列的数量的分
辨率(其可能远高于现有技术提供的分辨率)。此外，所描述的方法和设备实现了极高的计数速率，而没有在传统微通道板检测器中观察到的高计数速率下的脉冲堆积和重叠脉冲。每秒超过500兆次计数的计数速率已被证明是可能的。具体地，由于大量像素(例如，在单个典型的有源像素阵列中超过64,000个像素)和检测器的每个像素处的专用计数器以及快速信号生成和恢复，实现了更高的计数速率。此外，使用所描述的检测器意味着与xps中使用的传统检测器相比，电子同时到达单独的相邻像素不会造成问题。
215.上文关于图1到3描述的设备可以有利地应用于多种不同类型的能谱分析。在另外一个实例中，图12示出了使用所描述检测器和静电透镜布置获得的反射电子能量损失能谱分析(reflected electron energy loss spectroscopy，reels)能谱图。能谱图示出每秒571兆次计数的峰值计数速率。有益地，此计数速率比使用传统通道板检测器可能实现的高10倍以上。另外，背景计数速率通常小于每秒1次计数，由此给出约十亿比一的动态范围。
216.应当理解，所描述的数据处理(包含生成所描述的1
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m维数据向量和对所述数据向量进行分箱以生成能谱图)可以在与所描述设备通信的计算机处理器处进行。具体地，处理器可以通过图5a和5b、图6和图7所展示的光纤链路连接到所描述的设备。所描述的数据处理可以在处理器处的数据收集期间或之后进行。
217.对以上实施例的特征的许多组合、修改或变更对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且旨在形成本发明的一部分。通过做出适当的改变，可在任何其它实施例中使用与一个实施例或实例具体相关地描述的特征中的任何。
218.例如，在大部分上述描述中，检测器以“能谱分析模式”使用。能谱分析模式假设对样品的分析依赖于能谱分析仪中的带电粒子根据其能量分布的空间或时间色散。例如，xps中光电子的空间色散使不同能量的光电子在不同位置(并且更具体地，在像素阵列的不同列)处入射到检测器的检测表面上。在替代方案中，由能谱分析仪(例如，在飞行时间分析仪中)对带电粒子的时间色散使不同能量的带电粒子在分析仪场中被减缓不同的量，并且从而离开分析仪并且随后在不同时间在检测器的检测表面处接收。在粒子的时间色散的情况下，与带电粒子检测的常规方法相比，本文描述的检测器的快速读出特别有益。
219.然而，与上文所描述的检测器相同的检测器(具有检测有源像素阵列)可以用于另外的应用，如用于“成像模式”以获得二维数据集。具体实例包含在来自thermo fisher scientific
tm
的thetaprobe
tm
和escalab
tm
系统内在xps成像或角度分辨能谱分析中使用检测器。在这些情况下，检测器像素阵列中的检测像素中的每个检测像素的读数可以独立存储和绘制，以获得二维图像或绘图。可以将图像示出为具有非常高的图像分辨率，具有特别高的计数速率。此外，并行成像应用受益于提供接近零背景的检测器。
220.在仍进一步实例中，上文所描述的检测器(具有检测有源像素阵列)也可以用于直接测量接收到的带电粒子的能量(即，在“能量感测模式”下)。在此情况下，像素电子器件不包含计数器，并且被布置成提供表示接收粒子的能量的数字信号。然而，当以能量感测模式应用检测器时，可以使用上文所描述的数据处理的其它组件和方法。具体地，从分析仪出来后，应该在带电粒子直接入射到检测器转换层的表面上之前对所述带电粒子进行加速。具体地，所有带电粒子应至少加速到阈值能量以上，低于所述阈值能量时，检测器对粒子的检测变得不可靠。
221.在“能谱分析模式”下，粒子必须通过上文所描述的至少一个静电透镜加速，以便
超过至少一个检测阈值能量。然而，在“能量感测模式”下，对于所有粒子而言，带电粒子在能谱分析仪的出口处与入射到检测器的表面时之间的相对速度(或能量)需要保持恒定(换句话说，恒定关系)，同时也超过至少一个检测阈值能量。