专利名称：数字脉冲处理器倾斜度修正的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量色散辐射光谱测量系统(energy-dispersiveradiation spectrometry)，诸如X射线光谱测量系统或、射线光谱测量系统，并且特别是涉及用于改善能量色散辐射光谱测量系统的数字脉冲处理器中的倾斜度修正的方法。
背景技术：
诸如(但不限于)X射线光谱测量系统或Y射线光谱测量系统的能量色散辐射光谱测量系统用于检测、测量和分析来自例如扫描电子显微镜(SEM)的诸如X射线发射或Y 射线发射等辐射发射。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。仅仅为方便起见， 而不是出于限制目的，以下说明将涉及X线射光谱测量系统和X射线形式的光子(与例如在Y射线光谱测量系统中所检测的Y射线形式的光子相比)。通常采取某种类型的半导体传感器形式的检测器将输入的X射线转换成非常小的电流脉冲，其数量级通常为几万电子，持续时间约为几十至几百毫纳秒。每个电流脉冲的幅值与X射线的能量成比例。所述前置放大器将由所述检测器输出的电流脉冲放大且通常将其转换成在几十毫伏直至几百毫伏范围内的电压信号。存在两种主要类型的前置放大器“拖尾脉冲”或RC 耦合前置放大器，以及脉冲复位前置放大器。在脉冲复位型的前置放大器中，在传感器中产生的电荷被集中在反馈电容器中，使得所得到的电压以变化的高度和间隔逐步增大，直至其达到上限。当达到限度时，施加用于耗尽来自反馈电容器的积聚电荷的“复位”脉冲，使前置放大器在短时间内、通常在几微秒内恢复至接近于其最小输出电压。然后，由于X射线与检测器的相互作用而产生的电荷再次在反馈电容器上积聚，并且该循环重复。相反，拖尾脉冲前置放大器充当对于所述检测器所输出的电压阶跃信号的高通滤波器，具有到基线的指数返回，其时间常数与前置放大器的反馈电容器中的电荷集中时间相比较长。本文在别处所描述的主题适用于脉冲复位前置放大器。所述脉冲处理器接收前置放大器信号并通过积分处理产生X射线的能量的数字表示。在早期的能量色散辐射光谱测量系统中，脉冲处理器包括两个单独的部件，即“整形放大器”和模数转换器。另一方面，现代能量色散辐射光谱测量系统通常将这些功能组合， 其中，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来执行所有脉冲检测和滤波功能。本文在别处所描述的主题适用于全数字脉冲处理。基于计算机的分析器将所述脉冲处理器所输出的X射线能量积聚成检测到的X射线的数量相对于其能量的光谱或曲线图。光谱被分成任意数目的称为“通道(channel)”或“区间(bin)”的小范围。在早期的系统中，称为多通道分析器(MCA)的硬件部件将X射线积聚到光谱通道中，并且计算机读出相加的结果。在现代系统中，由计算机或者甚至在脉冲处理器内以软件处理MAC功能。脉冲处理器的作业由于多种因素而变得更加复杂。例如，电子噪声被叠加在从前置放大器接收到的基础信号(underlying signal)上。对于接近于最低可检测能量水平的 X射线而言，前置放大器输出阶跃高度可以显著小于电子噪声的峰-峰漂移。在这种情况下，只能通过在该步骤之前和之后在相对长的时间段内对信号进行滤波来检测X射线，以便平衡掉(average away)噪声的影响。其次，前置放大器输出中的阶跃并不是瞬时的。在无噪声的情况下，信号将是S形 (S状)曲线。这是由于带宽限制、器件电容、以及X射线所产生的所有电子到达传感器的阳极所需的时间而引起的。这些电子可以被视为小集群或集合，其在半导体传感器内的偏压场的影响下朝着阳极运动穿过传感器材料。除X射线所产生的电子之外，还存在由于泄漏而引起的电子到前置放大器的反馈电容器的缓慢连续流动。此泄漏电流甚至在不存在X射线的情况下也表现为前置放大器输出中的微小正倾斜度。泄漏电流的量是半导体检测器中的温度的强函数；在硅器件中，对于每7摄氏度的温度增加，泄漏大约加倍。称为“硅漂移检测器”(SDD)的最新一代的商业硅传感器在比必须被冷却至液氮温度以进行正确操作的传统的所谓锂漂移硅(Si(Li))高得多的温度下工作。因此，当采用SDD时泄漏电流高得多，并且前置放大器输出中的背景倾斜度(background slope)也相对较高。在数字脉冲处理中使用的最常见类型的数字滤波器是所谓的三角形或梯形滤波器，其在图2A 2C中示出。三角形或梯形滤波器简单地在阶跃边沿之前及之后(可能间隔零权值的小间隙)的短时间段期间对前置放大器信号进行平均，并如图2A所示对其进行减法运算。这种类型的滤波在本领域中众所周知，并且由于其非常易于计算而流行。对于滤波器与数字化波形的连续卷积，对数字化前置放大器波形的每个样本仅需要四次算术运算。如图2C的中间部分所示，此类卷积的响应是三角形(如果在滤波器中存在间隙，则可能具有平顶)，因此得到这种类型的滤波的常用名称。如图2B中的点线所示，如果信号的背景倾斜度不是零，则与该背景倾斜度求卷积的三角形或梯形滤波器将具有等于图2B的阴影面积的恒定响应。当叠加了阶跃边沿时，如图2C的底部部分所示，所得到的滤波器的最大响应增加恒定量。这在本领域中已经已知30 多年，且在1975年授予Koeman的美国专利No. 3，872，287进行了描述。如果已知背景倾斜度，则可以通过减去数字滤波器对该倾斜度的已知响应来针对背景倾斜度的影响而修正X 射线的测量能量。如'287专利所述以及在某些商业模拟脉冲处理器中所使用的，确定倾斜度的典型方法是在不存在X射线的情况下人工地触发能量测量。大量此类人工触发的平均响应将是校正对真实X射线的响应的能量所需的偏移。但是，如'287专利所述，这假设了背景倾斜度是常数。如果(如上所述)传感器的温度保持不变，则实际上预期泄漏电流是常数，但在信号中存在随着时间的推移可能不恒定的背景倾斜度的其它潜在来源。根据前置放大器的设计，复位的后果可能引起背景倾斜度的缓慢指数变化。耦合到前置放大器输出中的各种低频噪声(最常见的是在电源线频率下)还可以引起局部倾斜度随时间而变。在本领域中称为“颤噪声”的现象描述了声信号从环境到前置放大器信号中的耦合，因为检测器组件的物理部件充当电容性扩音器。随时间变化的背景倾斜度的影响促使包括人工(artificially) 触发的峰在内的整个光谱在能量方面上下移动。结果，在时间上进行平均，人工触发的峰的中心仍可以表示平均偏移，但峰将由于峰位置的不稳定性而被显著加宽。授予Mott的美国专利No. 5，349，193公开了一种用于估计阶跃边沿附近的局部倾斜度的方法。‘193专利还在其图6g中示出了倾斜度的影响，并且在其图他中示出了随时间变化的倾斜度的影响。参见'193专利的图4，方框48和随附文本描述了用来检测所有能量的边沿的三角形滤波器。在图6a中详细示出了方框48，其中三个算术逻辑单元 (ALU) 202、204、和206构成三角形滤波器，且具有累积器(accumulator) 208的FIFO 210对峰检测滤波器的2se连续输出的运行和(running sum)进行累积。还相对于比较器214中的能量阈值来测试滤波器输出，并且如果该输出在阈值以上，则阻止FIFO 210中的累积。这样，在FIFO中仅仅累积来自背景倾斜度的样本。在应用方框52中的能量测量滤波器之前， 使用倾斜度的平均值(在方框220中简单地通过使所述和向下移位SC位计算)来修正数据流。这消除了对用于存储在方框58和60中的系数表中的众多测量滤波器中的每一个的单独修正因数的需要。虽然在'193专利中描述的方法是有效的，但仍存在数字脉冲处理中的倾斜度修正领域的改善余地。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于基于前置放大器信号的倾斜度来调整脉冲处理器的诸如HR滤波器的能量测量滤波器的响应的方法。所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿。该方法包括接收数字形式的前置放大器信号，该数字形式的前置放大器信号包括各自具有数字值的多个连续的数字样本，其中，所述前置放大器信号具有由第一个阶跃边沿和紧接在所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分。所述方法还包括确定与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值的第一积分，确定与在该前一半之后的所述部分的后一半相关的数字样本的数字值的第二积分，确定等于所述第一积分与所述第二积分之间的差的积分差，通过借助于所述部分的长度对所述积分差进行归一化来确定倾斜度值，并使用该倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。在一个特定实施例中，所述部分具有与之相关的η个数字样本，其中，与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值是所述η个数字样本的第一组，该第一组是所述η个数字样本中的第一连续η/2个数字样本，其中，与所述部分的后一半相关的数字样本的数字值是所述η个数字样本的第二组，该第二组是所述第一组之后的所述η个数字样本中的第二连续η/2个数字样本，其中，所述第一积分是所述第一组的数字样本的数字值的积分，其中，所述第二积分是所述第二组的数字样本的数字值的积分，并且其中，确定倾斜度值包括通过将积分差除以η/2来确定中间倾斜度值，并通过将中间倾斜度值除以η/2来确定倾斜度值。此外，所述第一积分优选地是所述第一组的数字样本的数字值的和，并且所述第二积分优选地是所述第二组的数字样本的数字值的和。所述倾斜度值可以是一个单位时间内的倾斜度。另外，倾斜度值的使用可以包括将倾斜度值乘以能量测量滤波器的半宽以得到倾斜度修正值，并使用该倾斜度修正值来修正能量测量滤波器的响应。所述部分的长度可以是与所述部分相关的数字样本的数目。 在另一实施例中，提供了一种适合于执行刚刚描述的方法的脉冲处理器。在又一实施例中，提供了一种诸如X射线光谱测量系统或Y射线光谱测量系统的能量色散辐射光谱测量系统，其包括用于将输入光子转换成包括电流脉冲的输出的检测器；用于将所述检测器的输出转换成包括电压信号的前置放大器信号的前置放大器，其 中，所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿；以及具有诸如FIR滤波器的能量测量滤波器的脉冲处理器。所述脉冲处理器适合于通过执行刚刚描述的方法的各种实施例来调整能量测量滤波器的响应。在又一实施例中，提供了一种基于前置放大器信号的倾斜度来调整脉冲处理器的诸如FIR滤波器的能量测量滤波器的响应的方法，所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿，所述方法包括接收数字形式的前置放大器信号，所述数字形式的前置放大器信号包括各自具有数字值的多个连续的数字样本，所述前置放大器信号具有由第一个阶跃边沿和紧邻所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分；使用与所述部分相关的每个数字样本的数字值来确定通过所述部分的长度归一化的所述部分的平均倾斜度；并且使用通过所述部分的长度归一化的所述部分的平均倾斜度来修正所述能量测量滤波器的响应。因此，现在应显而易见的是本发明基本上实现了所有上述方面和优点。本发明的附加方面和优点将在后面的说明书中得到阐述，并且部分地将通过说明书中变得显而易见，或者可以通过对本发明的实践而了解到。此外，可以借助于特别地在随附权利要求中指出的手段和组合来实现和获得本发明的各方面和优点。
附图示出本发明目前的优选实施例，并连同以上给出的一般说明和以下给出的详细说明一起用于解释本发明的原理。如图所示，在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相应部分。图1是根据可以实现本发明的一个特定非限制性实施例的X射线光谱系统的总体方框图；图2A 2C是三角形或梯形滤波器的示意图；图3示出来自SDD型检测器和脉冲复位前置放大器的信号；图4A和4B是示出与倾斜度估计相关的误差的示意图；图5是在本发明中采用的可以用来计算ADC样本和的电路的示意图；图6是示出对由图5的电路获得的结果的数学解释的示意图；以及图7是示出图5的电路的累积器的内容的示意图。
具体实施例方式本文所述的主题一般适用于能量色散辐射光谱测量系统。然而，为了便于图示和说明，将结合采用X射线光谱测量系统的实施例来描述本发明。这不应被视为是限制性的， 并且应理解的是可以结合其它类型的能量色散辐射光谱测量系统(诸如但不限于Y射线光谱测量系统)来应用本发明。本发明显著地改善了在上述'193专利中公开的设计。可以表明对一系列滤波器输出进行平均在数学上等效于如下仅针对X射线之间的每个间隔从两个小区域估计倾斜度，一个区域在起点处，一个区域在终点处。考虑可能的最短峰检测滤波器，其由被加权-1 的一个ADC样本和被加权+1的相邻ADC样本组成。将任何一对X射线边沿之间的连续ADC 样本标记为VA2、A3等等。然后，卷积的第一“滤波器”输出将是A2-A115第二输出将是A3-A2, 第三输出是A4-A3等等，直至An-Alri，其中，“η”是X射线阶跃边沿之间的ADC样本的数目。 应清楚的是如果对该系列求和，则除An和Al之外，所有向均抵消，且最终和是An-A115如果峰检测三角形滤波器的每一半(半宽)的积分周期增加至2个ADC样本，则该系列变成
权利要求
1.一种基于前置放大器信号的倾斜度来调整脉冲处理器的能量测量滤波器的响应的方法，前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿，所述方法包括接收包括各自具有数字值的多个连续的数字样本的数字形式的所述前置放大器信号， 所述前置放大器信号具有由所述多个阶跃边沿中的第一个阶跃边沿和紧挨在所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分；确定与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值的第一积分；确定与所述前一半之后的所述部分的后一半相关的数字样本的数字值的第二积分；确定等于所述第二积分与所述第一积分之间的差的积分差；通过借助于所述部分的长度对所述积分差进行归一化来确定倾斜度值；以及使用所述倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述部分具有与之相关的η个数字样本，其中，与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值是所述η个数字样本中的第一组，该第一组是所述η个数字样本中的连续的前η/2个数字样本，其中，与所述部分的后一半相关的数字样本的数字值是所述η个数字样本中的第二组，该第二组是所述η个数字样本中在所述第一组之后的连续的后η/2个数字样本，其中，所述第一积分是所述第一组的数字样本的数字值的积分，其中，所述第二积分是所述第二组的数字样本的数字值的积分，并且其中，所述确定倾斜度值包括通过将所述积分差除以η/2来确定中间倾斜度值，以及通过将所述中间倾斜度值除以η/2来确定所述倾斜度值。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一积分是所述第一组的数字样本的数字值的和，并且其中，所述第二积分是所述第二组的数字样本的数字值的和。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述倾斜度值是一个单位时间内的倾斜度。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述使用包括将所述倾斜度值乘以所述能量测量滤波器的半宽以得到倾斜度修正值并使用所述倾斜度修正值来修正所述能量测量滤波器的响应。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述能量测量滤波器是FIR滤波器。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述部分的所述长度包括与所述部分相关的所述数字样本的数量。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述前置放大器信号具有一个或多个附加部分，每个附加部分由所述阶跃边沿中的相应的第一附加阶跃边沿和紧挨在所述阶跃边沿中的所述第一附加阶跃边沿之后的所述阶跃边沿中的相应的第二附加阶跃边沿定义，其中，所述方法还包括对于每个所述附加部分通过以下各项来确定一个或多个附加倾斜度值(i) 确定与所述附加部分的前一半相关的数字样本的数字值的第一积分；(ii)确定与在所述附加部分的所述前一半之后的所述附加部分的后一半相关的数字样本的数字值的第二积分；(iii)确定等于与所述附加部分相关的第二积分和与所述附加部分相关的第一积分之间的差的、与所述附加部分相关的积分差；以及(iv)通过借助于所述附加部分的长度对与附加部分相关的所述积分差进行归一化来确定所述附加部分的附加倾斜度值，并且其中， 所述使用所述倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应包括使用所述倾斜度值和所述一个或多个附加倾斜度值来确定平均倾斜度值并使用所述平均倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。
9.一种适合于执行如权利要求1所述的方法的脉冲处理器。
10.一种能量色散辐射光谱测量系统，包括检测器，其用于将输入光子转换成包括电流脉冲的输出；前置放大器，其用于将所述检测器的输出转换成包括电压信号的前置放大器信号，所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿；以及具有能量测量滤波器的脉冲处理器，所述脉冲处理器适合于通过以下各项来调整所述能量测量滤波器的响应接收包括各自具有数字值的多个连续的数字样本的数字形式的所述前置放大器信号， 所述前置放大器信号具有由所述多个阶跃边沿中的第一个阶跃边沿和紧挨在所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分，确定与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值的第一积分；确定与所述前一半之后的所述部分的后一半相关的数字样本的数字值的第二积分；确定等于所述第二积分与所述第一积分之间的差的积分差；通过借助于所述部分的长度对所述积分差进行归一化来确定倾斜度值；以及使用所述倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。
11.如权利要求10所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述部分具有与之相关的Π个数字样本，其中，与所述部分的前一半相关的数字样本的数字值是所述Π个数字样本中的第一组，该第一组是所述η个数字样本中的连续的前η/2个数字样本，其中，与所述部分的后一半相关的数字样本的数字值是所述η个数字样本中的第二组，该第二组是所述 η个数字样本中在所述第一组之后的连续的后η/2个数字样本，其中，所述第一积分是所述第一组的数字样本的数字值的积分，其中，所述第二积分是所述第二组的数字样本的数字值的积分，并且其中，所述确定倾斜度值包括通过将所述积分差除以η/2来确定中间倾斜度值并通过将所述中间倾斜度值除以η/2来确定所述倾斜度值。
12.如权利要求11所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述第一积分是所述第一组的数字样本的数字值的和，并且其中，所述第二积分是所述第二组的数字样本的数字值的和。
13.如权利要求10所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述倾斜度值是一个单位时间内的倾斜度。
14.如权利要求13所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述使用包括将所述倾斜度值乘以所述能量测量滤波器的半宽以得到倾斜度修正值，并使用所述倾斜度修正值来修正所述能量测量滤波器的响应。
15.如权利要求10所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述能量测量滤波器是 FIR滤波器。
16.如权利要求10所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述部分的所述长度包括与所述部分相关的所述数字样本的数量。
17.如权利要求10所述的能量色散辐射光谱测量系统，其中，所述前置放大器信号具有一个或多个附加部分，每个附加部分由所述阶跃边沿中的相应的第一附加阶跃边沿和紧挨在所述阶跃边沿中的所述第一附加阶跃边沿之后的所述阶跃边沿中的相应的第二附加阶跃边沿定义，所述脉冲处理器还适合于对于每个所述附加部分通过以下各项来确定一个或多个附加倾斜度值，从而调节所述能量测量滤波器的响应(i)确定与所述附加部分的前一半相关的数字样本的数字值的第一积分；(ii)确定与在所述附加部分的所述前一半之后的所述附加部分的后一半相关的数字样本的数字值的第二积分；(iii)确定等于与所述附加部分相关的第二积分和与所述附加部分相关的第一积分之间的差的、与所述附加部分相关的积分差；以及(iv)通过借助于所述附加部分的长度对与附加部分相关的所述积分差进行归一化来确定所述附加部分的附加倾斜度值，并且其中，所述使用所述倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应包括使用所述倾斜度值和所述一个或多个附加倾斜度值来确定平均倾斜度值并使用所述平均倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。
18.一种基于前置放大器信号的倾斜度来调整脉冲处理器的能量测量滤波器的响应的方法，所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿，所述方法包括接收包括各自具有数字值的多个连续的数字样本的数字形式的所述前置放大器信号， 所述前置放大器信号具有由所述多个阶跃边沿中的第一个阶跃边沿和紧挨在所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分，使用与所述部分相关的每个数字样本的数字值来确定通过所述部分的长度归一化的所述部分的平均倾斜度；以及使用通过所述部分的长度归一化的所述部分的所述平均倾斜度来修正所述能量测量滤波器的响应。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述前置放大器信号具有一个或多个附加部分， 每个附加部分由所述阶跃边沿中的相应的第一附加阶跃边沿和紧邻在所述阶跃边沿中的所述第一附加阶跃边沿之后的所述阶跃边沿中的相应的第二附加阶跃边沿定义，其中，所述方法还包括对于每个所述附加部分通过使用与所述附加部分相关的每个数字样本的数字值来确定通过所述附加部分的长度归一化的附加部分的平均倾斜度而确定一个或多个附加平均倾斜度值，并且其中，所述使用通过所述部分的长度归一化的所述部分的所述平均倾斜度来修正所述能量测量滤波器的响应包括使用所述平均倾斜度值和所述一个或多个附加平均倾斜度值来确定另外的平均倾斜度值，以及使用所述另外的平均倾斜度值来修正所述能量测量滤波器的响应。
全文摘要
一种基于前置放大器信号的倾斜度来调整脉冲处理器的诸如FIR滤波器的能量测量滤波器的响应的方法，所述前置放大器信号具有各自对应于相应的光子的多个阶跃边沿，所述方法包括接收包括各自具有数字值的多个连续的数字样本的数字形式的前置放大器信号，所述前置放大器信号具有由第一个阶跃边沿和紧接在所述第一个阶跃边沿之后的第二个阶跃边沿所定义的部分；使用与所述部分相关的每个数字样本的数字值来确定通过所述部分的长度归一化的所述部分的平均倾斜度；并使用通过所述部分的长度归一化的所述部分的平均倾斜度来修正所述能量测量滤波器的响应。
文档编号H04B14/04GK102160307SQ200880109345
公开日2011年8月17日 申请日期2008年8月1日 优先权日2007年8月3日
发明者R·B·莫特 申请人:普尔斯特有限责任公司