具体实施方式

本文公开了调制例如电子束的带电粒子束（CPB）以产生用于TEM、SEM、电子光谱测定和其它应用的独特脉冲式/连续射束的方法。利用所公开的调制策略，时间分辨率和背景抑制都可以在超快TEM应用中大大改进，同时可以轻松地将显微镜内的平均CPB电流控制在X射线辐射安全极限以下，甚至在使用高CPB电流或高亮度的应用中也是如此。下面阐述的任何实例的特征可以与任何其它实例的特征组合，并且选择特定实施例用于说明。在一些实例中，脉冲式CPB方法和设备用于CPB显微术中，且在一些情况下，为了便于说明，省略了CPB色谱柱的若干部分（CPB透镜、定影镜、试样台、真空室等），但是此类组件和/或SEM或TEM系统通常包含在内。另外，在所公开的实例中，CPB被引导通过限定在孔径板中的孔径。然而，不需要单独的孔径板，并且可以使用一个或多个CPB光学元件（例如CPB透镜）来限定孔径。不需要孔径，并且可以通过其它方式（例如组件边缘）使用组件获得合适的射束遮挡。此外，孔径无需是圆形的，而是可以具有任意形状，例如卵形、多边形、椭圆形或其它形状。可以联接用于偏转射束并用作射束消隐器的装置，以便在未激励时将平均CPB电流维持在未被适当地屏蔽X射线的区域之外的合适值。例如，为了产生CPB脉冲，可以驱动射束消隐器使CPB偏转以透射到试样。在此类配置中，通常将CPB消隐，然后取消消隐以产生CPB脉冲。如本文所使用，射束消隐器选择性地允许CPB的部分传播到感兴趣的目标。典型实例是静电偏转器，例如偏转板和谐振RF腔。利用所公开的方法、系统和设备，可以基于一个或多个限制（例如与X射线安全性相关联的限制）来控制平均CPB电流

实例1

参考图1，代表性CPB系统100包含靠近提取器或提取器电极104的带电粒子束（CPB）发射器102，其定位成产生或控制来自CPB发射器102的CPB发射。在一些实例中，使用场发射来产生CPB，并且CPB发射器102和提取器104形成场发射器装置。例如，CPB发射器102可以是LaB₆场发射器，其位于产生提取电场的提取器电极附近。来自CPB发射器102的CPB 106沿轴线105指向，并且由枪透镜108聚焦，所述透镜由来自枪透镜驱动器123的电压或其它电信号控制，以形成聚焦射束118。孔径板112包含沿轴线105定位的孔径113，以将聚焦射束118透射至谐振腔偏转器110。孔径板112通常位于由X射线屏蔽件109限定的X射线屏蔽区域中。谐振腔驱动器126定位成在谐振频率处或附近向谐振腔偏转器110施加电压，以使聚焦的CPB118偏转。孔径板120定位成响应于由谐振腔偏转器110产生的偏转而阻挡聚焦的CPB 118的至少部分。由孔径板120透射的CPB射束部分用CPB光学元件122聚焦、扫描或以其它方式处理，然后递送至试样124。

控制器130联接至提取器驱动器134，所述提取器驱动器将脉冲式提取信号（通常是提取电压）提供至提取器104。脉冲式提取信号的相对相位可以由控制器130设置，或者可以提供单独的相位调整器135。控制器130还联接至谐振腔驱动器126，并且可以提供单独的相位调整器136，或者可以由控制器130直接建立谐振腔驱动信号的相位。另外，控制器130联接至CPB光学元件122。可以提供X射线互锁逻辑131或其它控件，以使得无论用户或其它输入如何，都可为了实现X射线安全操作而适当地不激励或激励CPB。

在图1的实例中，脉冲激光器142定位成将激光脉冲140或连续或调制的激光射束引导至试样124。可以提供相位调整器150，以使得提取器脉冲、谐振驱动信号和激光脉冲适当地同步。在一些实例中，扫描CPB脉冲与激光脉冲的相对相位以产生随相对延迟而变的试样响应。可以方便地基于由脉冲激光器142、控制器130或谐振驱动器126中的任何一个提供的时钟信号来建立相对相位。在一些情况下，脉冲激光的相位控制相对困难，并且提供至提取器和谐振腔的电驱动信号的相位被调整。

在一些实例中，例如谐振腔射束偏转器110的射束偏转器和相关联的孔径定位成使得在未致动射束偏转器的情况下，在缺乏合适的X射线屏蔽的任何区域中的CPB电流受到限制，以避免暴露于不安全的X辐射水平。例如，未偏转的CPB可能会被X射线屏蔽区域中的孔径板阻挡，并且射束偏转器的激励用来将CPB经由孔径引导至目标。

实例2

参考图2A，绘制了CPB电流202随时间的变化，其示出了在各个时间间隔205、207、209中的脉冲部分204、前脉冲部分206和后脉冲部分208。脉冲部分204中的CPB电流可以显著高于前脉冲部分206或后脉冲部分208中的CPB电流。对射束消隐或射束门控信号210进行定时，以使得CPB的脉冲部分204继续可用或被发射到额外CPB光学元件和试样，同时使前脉冲部分206和后脉冲部分208分别如211、213处所示而衰减。以此方式，对比率（CPB脉冲式电流/CPB非脉冲式电流）增大。且CPB脉冲持续时间基本不变。

参考图2B，绘制了CPB电流252随时间的变化，其示出了在各个时间间隔255、257、259中的脉冲部分254、前脉冲部分256和后脉冲部分258。射束消隐或射束门控信号260被定时，以使得CPB的脉冲部分254在时间上开窗，从而减少了脉冲持续时间。CPB脉冲部分262、264以及前和后脉冲部分256、258被衰减。以此方式，可以减少CPB脉冲持续时间，并且在一些情况下，对比率也增大。

通过控制射束门控或射束消隐以产生图2A或图2B中所示的CPB电流，可以减少平均射束电流，从而提高X射线安全性，同时提供短持续时间的CPB脉冲或具有较高对比率的CPB脉冲。

实例3

参考图3A，CPB系统300包含位于提取电极304附近的CPB发射器302。枪透镜306定位成接收发射的CPB并且形成CPB焦点308，从而产生扩展射束310。也可以激活枪透镜306以产生CPB，所述CPB沿轴线305聚焦在其它位置。孔径板312位于X射线屏蔽件314内，以接收扩展射束310并且经由孔径313透射穿孔射束317。穿孔射束317中的总射束电流比扩展射束310中的总射束电流减小，并且未透射的CPB部分在X射线屏蔽区域内被引导至孔径板。然而，可以选择从CPB发射器302发射的射束电流以提供通常为高亮度的所选亮度（电流/面积/球面度），并且通过使扩展射束310穿孔，可以控制平均或连续CPB电流。通过此类布置，可以减小X射线屏蔽区域之外的平均CPB电流，同时在屏蔽区域内使CPB电流穿孔或以其它方式衰减，从而提高X射线安全性。

除了在连续射束中提供高CPB亮度外，还可以生成CPB脉冲。孔径射束317被引导至射束消隐器316，所述射束消隐器可以将孔径射束317引导至限定孔径319的孔径板318，以使得穿孔射束317中的一些或全部可以被进一步衰减，然后利用一个或多个CPB透镜、偏转器或其它光学元件（例如物镜320）聚焦或以其它方式处理且引导至试样322。

在图3A的实例中，控制器324联接至提取电极304以施加提取电压V_ext，所述提取电压V_ext调节来自CPB发射器302的CPB发射。在其它实例中，定位并且控制一个或多个类似的CPB光学元件以调节来自CPB源（例如场发射器、热源、基于脉冲激光的源或其它CPB源）的电流。控制器324还联接至枪透镜以根据需要施加透镜控制电压V_gun以聚焦所发射的CPB，联接至射束消隐器316以施加电压V_blanking，并且联接至透镜320以施加电压V_objective，其塑形试样322处的CPB。如图所示，控件应用为控制电压，但也可以被提供其它电信号。另外，通常按照控制器324的指示，一个或多个信号源（例如电压源）被布置成提供必要的电压或其它电信号，但在图3A中未示出。然而，在一些情况下，控制器324可以包含可以提供任何必要电压的数/模转换器（DAC）。控制器324也可以联接至孔径板312、318中的一个或多个，以便测量入射射束电流。或者，可以在沿轴线305的其它位置提供一个或多个其它CPB检测器。

枪透镜306可用于调整可用于递送至试样的CPB电流。通过施加适当的枪电压V_gun来产生被孔径板312显著衰减（即充分发散）的射束，可以使X射线屏蔽区域315外部的平均射束电流足够低，以减少在屏蔽区域315外部的X发射。在其它情况下，枪透镜306产生的CPB具有较小的发散度或聚焦在孔径313处。另外，控制器324可以测量例如孔径板318处的射束电流，以确认CPB电流合适。可以控制枪透镜306、提取器电极304和射束消隐器316中的一个或多个以维持适当的CPB电流。

可以驱动射束消隐器316以设置CPB脉冲持续时间、增大CPB开/关比（对比率）或以其它方式修改入射至试样322的CPB。在图3A的实例中，高亮度可用，平均射束电流受到控制，并且可以利用CPB源302和射束消隐器316中的一个或两个来产生CPB脉冲并对其进行塑形。

在另外的实例中，在显著射束加速之前，使用沿着CPB色谱柱定位的孔径板来进行射束限制。以此方式，高的平均射束电流以相对较低的能量入射至孔径板，从而减少X射线的生成。

实例4

在图3A的实例中，如通过扩展CPB并且仅透射一部分来减小相对较高的CPB电流。在图3B中，CPB系统350被配置成产生较低的平均射束电流，并且在CPB脉冲期间提高射束电流。如图3B中所示，CPB系统350包含位于提取电极354附近的CPB发射器352。枪透镜356定位成接收发射的CPB并且形成CPB 355，所述CPB被引导穿过限定在孔径板360中的孔径358。在此实例中，孔径358倾向于塑形CPB 355并且稍微或适度地衰减CPB 355，但是由于平均射束电流受到适当控制，因此不需要实质性衰减来调节X射线发射。孔径板360可以位于如由X射线屏蔽件364限定的X射线屏蔽区域362中。射束从孔径358传播到包含一个或多个偏转板的射束消隐器370。通常，CPB 355聚焦在射束消隐器370附近或内部。限定在孔径板374中的额外孔径372和物镜376塑形CPB以递送至试样380。利用图3B的布置，使用相对较低的平均CPB电流来减少X射线发射，并且响应于由射束消隐器/提取器驱动器382施加的电压而使用提取器354使CPB电流脉冲化。驱动射束消隐器370以增大开/关比、进一步限制脉冲持续时间或这两者。

在图3B的实例中，射束消隐器/提取器驱动器382联接至提取电极354，以施加提取电压V_ext，所述提取电压调节从CPB发射器352到射束消隐器370的CPB发射。在其它实例中，类似地定位并且控制一个或多个类似的CPB光学元件以调节来自CPB源（例如场发射器、热源或其它CPB源）的CPB电流。其它透镜和元件也可以联接至合适的控制电压源，并且每个或一些组件可以方便地使用个别驱动器电路。

CPB系统300、350中的任何一个可以操作以提供高亮度、低平均电流的CPB。

实例5

参考图4，将脉冲式CPB提供至试样的方法400包含在402处选择脉冲持续时间、重复频率和脉冲电流。在404处，选择对比率，并且在406处，选择脉冲源。例如，可以在408处选择CPB发射器，并且在410处选择合适的CPB提取器脉冲驱动幅度和持续时间。在412处，施加所选CPB提取器脉冲驱动器，并且将试样暴露于脉冲式CPB。

或者，将用在420处选择的射束消隐器来限定脉冲持续时间，并且在422处选择合适的射束消隐器驱动幅度和持续时间中的一个或两个。在424处，确定CPB发射器是否也将被脉冲化。如果是，则在426处选择提取器脉冲驱动幅度和/或持续时间，并且在428处，施加所选提取器驱动器和射束消隐器驱动器，并且将试样暴露于脉冲式CPB。如果发射器并不被脉冲化，则在430处，使用所选射束消隐器驱动器来将脉冲式CPB递送至试样。

在一些情况下，发射器将被脉冲化，并且使用射束消隐来设置脉冲持续时间和开/关比，如在440处所选择的那样。在此情况下，在442处选择提取器驱动幅度和持续时间，并且在444处选择射束消隐器驱动幅度和持续时间。在446处施加提取器驱动器和消隐器驱动器以暴露试样。

在另外的实例中，可以选择提取器驱动器与消隐器驱动器的相对定时或相位。例如，如果提取器产生的CPB电流逐渐增大，则可以在CPB电流达到合适值后应用消隐器驱动器。通常，可以选择相对定时以产生电流脉冲，所述电流脉冲在脉冲之间基本上相同，或者以可预测的方式变化，或者以其它方式调制CPB。

图4的方法400涉及通过改变提取器驱动器（例如施加的电压）来控制CPB电流。其它CPB电流源可以通过其它方式进行调制，并且基于提取器的场发射器调制是一个方便、可行的实例。另外，可以估计平均CPB电流并且选择驱动值，使得CPB电流不会倾向于产生不合需要的X射线辐射水平，特别是在CPB设备的不包含X射线屏蔽件的任何区域中。

实例6

参考图5，CPB方法500包含基于预期的平均CPB电流在502处选择操作模式。在一种情况下，在504处例如利用提取器建立低连续CPB电流。可以在506处选择合适的提取器升压以产生较大的脉冲式CPB电流。如果此“提升的”CPB电流与在预定极限内的平均CPB电流相关联，则可以产生对应CPB电流，并且在510处将样本暴露于CPB。否则，可以在512处调整射束电流或提取器升压，并且在508处重新评估。如果无法实现合适的CPB电流，则可以通知技术人员。

如果在520处选择相对较高的CPB电流，则在522处调整枪透镜电压或其它枪控制，从而通过例如将大面积射束引导至孔径来衰减CPB。在524处，可以评估CPB电流以验证平均CPB电流在预定极限内，但连续CPB电流的选择对于X射线安全操作通常是足够的。如果是，则在510处暴露样本。否则，在526处修改CPB电流和提取器升压。如果无法找到合适的值，则可以通知技术人员。

实例7

参考图6A，CPB系统600包含具有场发射纳米棒604的CPB发射器602，所述场发射纳米棒产生由提取器606控制的CPB。CPB偏转器608使CPB偏转，以使得其在由外壳612限定的X射线屏蔽区域616内衰减。基于所施加的偏转信号，CPB可以被孔径板614部分或完全阻挡。在此实例中，响应于所施加的偏转信号而产生偏转的CPB 610。偏转器驱动器628和射束电流驱动器626分别联接至CPB偏转器608和提取器606。电或光信号源630向试样S提供电或光刺激信号640，并且相位控制器632调整和控制相对相位（延迟）以相对于电或光刺激信号以适当的延迟或提前提供CPB脉冲。

典型的纳米棒场发射器的长度小于5 µm，例如小于或等于4 µm、3 µm、2 µm、1 µm或0.5 µm，并且直径小于或等于300 nm，例如为200 nm、150 nm、100 nm或50 nm。

射束电流驱动器626通常提供具有连续分量和脉冲式分量的驱动信号。如上文所论述，CPB偏转器608可以改进脉冲对比率或限制脉冲持续时间，或这两者。在具有低脉冲占空比的应用中，增大对比率可能尤其重要，因为平均CPB电流可能显著大于脉冲式CPB电流。例如，在脉冲式电流与连续电流之比为100的情况下，在占空比为10^-5的应用中，平均连续CPB电流比平均脉冲式电流大1000。在大多数情况下，平均CPB电流（基于CPB的连续和脉冲式分量两者）被控制为小于预定极限，例如与CPB系统600的配置相关联的X射线安全极限。在一些实例中，不使用CPB偏转器，并且来自射束电流驱动器626的驱动信号和所得CPB是足够的。在“高亮度”模式下，平均CPB电流通过扩展CPB并且利用孔径衰减CPB来加以限制。在“低亮度”模式下，平均CPB电流受到提取器电压的限制，并且会产生合适的低连续电流。

实例8

参考图6B，CPB系统650包含具有场发射器654的CPB发射器652，所述场发射器从发射器尖端656产生CPB。CPB电流可以由如由发射器驱动器657提供的施加到场发射器654或发射器尖端656的电压中的一个或多个控制。抑制器电极658位于场发射器654周围，通常用于抑制杂散的带电粒子发射，并且提取器电极660定位成相对于发射器尖端656建立电压以诱发所选CPB电流。如图6B中所示，抑制器电极658、提取器电极660和场发射器654或发射器尖端656中的任何一个或全部可以用发射器驱动器657控制以产生CPB的连续分量或产生脉冲式或其它可变CPB，或产生连续分量和脉冲式分量两者。在一些实例中，一个或多个额外射束孔径沿着CPB系统轴线699定位，并且可用于控制连续和脉冲式或可变CPB分量中的一个或两个。例如，限定在孔径板662中的孔径661可以由调制器驱动器664控制以控制CPB电流。图6A中所示的CPB系统的射束偏转器、X射线屏蔽件和其它特征可以在孔径661之后使用，但额外孔径也可以位于CPB路径的此部分中。图6A-6B的实例还可以使用枪透镜提供射束调制，但未示出此类透镜。除了通过驱动一个或多个CPB透镜、偏转器、孔径板或其它CPB光学元件提供的CPB调制外，还可以响应于利用连续、脉冲式或一个或多个调制光束辐照合适目标而产生脉冲和/或连续的CPB发射。可以根据需要使用CPB光学元件进一步调制此类CPB。

实例9

参考图7A，CPB系统700包含CPB源701，所述CPB源将CPB 702引导至可用于产生偏转的CPB 706的CPB偏转器704。CPB透镜708限定孔径709，CPB 702通过所述孔径被引导至试样S。施加至CPB偏转器704的偏转器驱动信号可以改变偏转的CPB 706的偏转，使得CPB 706被CPB透镜708选择性地阻挡。因此，由孔径709透射的CPB被调制，通常被开/关调制，但可以基于所施加的偏转信号来产生其它调制。电流放大器718联接至试样S和/或CPB透镜708以感测CPB电流。控制器720被联接以从电流放大器718接收感测到的射束电流的指示，并且生成或引发用于射束偏转器704和CPB源701的驱动信号以控制CPB脉冲的产生。

参考图7B，图7A的CPB系统700被布置成使得CPB 702基本上被CPB透镜708阻挡，并且仅偏转的射束706被孔径709透射。

实例10

参考图8，代表性方法800包含在802处基于X射线辐射的控制来确定最大可接受CPB电流，通常是最大平均CPB电流。在804处，基于可接受CPB电流来调整枪透镜。在806处，选择CPB脉冲持续时间和对比率，并且在808处使CPB消隐器或CPB源中的至少一个脉冲化以提供合适的CPB脉冲。

实例11

图9和以下论述旨在提供对可实施所公开的技术的实例性计算环境的简要概述。此外，所公开的技术可用其它计算机系统配置来实施，包含手持式装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等。还可在由通过通信网络链接的远程处理装置执行任务的分布式计算环境中实践所公开的技术。

参考图9，用于实施所公开的技术的实例性系统包含呈实例性常规PC 900形式的通用计算装置，所述通用计算装置包含一个或多个处理单元902、系统存储器904和将包含系统存储器904的各种系统组件联接至一个或多个处理单元902的系统总线906。系统总线906可为若干类型的总线结构中任何一种，其包含存储器总线或存储器控制器、外围总线和使用各种总线架构中任何一种的局部总线。实例性系统存储器904包含只读存储器（ROM）908和随机存取存储器（RAM）910。基本输入/输出系统（BIOS）912存储在ROM 908中，所述基本输入/输出系统含有帮助在PC 900内的元件之间传递信息的基本例程。在图9的实例中，用于CPB系统的控制、分析、成像和其它操作模式的数据和处理器可执行指令（包含枪控件、提取器驱动信号、射束消隐器或偏转器以及X射线极限值）分别存储在存储器部分910A、910B、910C和910D中。

实例性PC 900进一步包含一个或多个存储装置930，例如用于从硬盘读取和向硬盘写入的硬盘驱动器、用于从可移除式磁盘读取或向可移除式磁盘写入的磁盘驱动器以及光盘驱动器。此类存储装置可以分别通过硬盘驱动接口、磁盘驱动接口和光盘驱动接口连接到系统总线906。驱动器及其相关联的计算机可读介质为PC 900提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的非易失性存储。可存储可由PC存取的数据的其它类型的计算机可读介质，例如磁带盒、闪存卡、数字视频盘。

多个程序模块可以存储在存储装置930中，包含操作系统、一个或多个应用程序、其它程序模块和程序数据。用户可以通过一个或多个输入装置940（例如键盘）和指向装置（例如鼠标）向PC 900输入命令和信息。监视器946或其它类型的显示装置也经由例如视频适配器的接口连接到系统总线906。

可使用到一个或多个远程计算机（例如远程计算机960）的逻辑连接在网络化环境中操作PC 900。在一些实例中，包含一个或多个网络或通信连接950，并且提供一个或多个A/D或D/A转换器951、963。远程计算机960可为另一台PC、服务器、路由器、网络PC或对等装置或其它常见网络节点，并且通常包含上文关于PC 900描述的许多或所有元件，尽管在图9中仅仅示出了存储器存储装置962。个人计算机900和/或远程计算机960可以连接到逻辑局域网（LAN）和广域网（WAN）。

一般注意事项

除非上下文另外明确规定，否则如本说明书和权利要求书中所用，单数形式“一（a/an）”和“所述”包含复数形式。另外，术语“包含”意指“包括”。进一步地，术语“联接”不一定排除联接项之间存在中间元素。

在本文中所描述的系统、设备和方法不应解释为以任何方式进行限制。相反，本公开内容针对各种公开的实施例（单独和与彼此的各种组合和子组合）的所有新颖和非显而易见特征和方面。所公开的系统、方法和设备不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或解决的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这类操作理论。

尽管为了方便呈现，以特定的、顺序的顺序描述了所公开的方法中的一些的操作，但是应理解，此描述方式涵盖重新布置，除非下文阐述的具体语言需要特定的顺序。例如，按顺序描述的操作在一些情况下可以被重新布置或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其它系统、方法和设备结合使用的各种方式。另外，本说明书有时使用像“产生”和“提供”的术语来描述公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高水平抽象。对应于这些术语的实际操作将取决于特定实施方式而变动，并且本领域的普通技术人员可容易地辨别实际操作。

在一些实例中，值、程序或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。将被认识到的是，这类描述旨在指示可在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这类选择不需要更好、更小或者优选于其它选择。

参考指示为“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等的方向来描述实例。这些术语用于方便描述，但不暗示任何特定的空间取向。

在所公开的实例中，CPB和相关联分量被称为沿轴线定位。也可以使用离轴放置。所公开的方法通常用处理器可执行指令来实施，其中用户输入根据需要用键盘、鼠标或其它指向装置、语音识别或其它类型的输入来提供。可以在显示器上的一个或多个菜单上呈现用户选择，并且可以经由显示器上的可视警报或听觉警报或这两者来向用户通知需要输入。

如在一些实例中所指出的，可以使用使CPB源脉动与使射束消隐器或射束偏转器脉动的组合来提供CPB脉冲。CPB脉冲可以与外部参考信号（例如光或电信号）同步，或者外部信号可以与CPB脉冲同步。CPB脉冲相对于外部参考信号也可能表现出可变的延迟。在一些实例中，射束偏转器被示出为集总电路元件，但也可以使用行波射束偏转器。

对于射束电流减小到入射射束电流的至少25%、10%、5%、2.5%、1%或更小，CPB被称为基本上衰减。对于射束电流至少为入射射束电流的50%、60%、70%、75%、89%、90%或更高的透射射束，CPB被称为基本上透射。

鉴于本公开的原理可应用于许多可能的实施例，应认识到，示出的实施例仅仅为优选实例且不应被视为限制本公开的范围。