具体实施方式

如将在下面更详细地描述的，本发明的实施例包括能够用于拉曼光谱或阴极发光检测的扫描电子显微镜。更具体地，扫描电子显微镜配置有导光组件，该导光组件在短的工作距离处检测反向散射和次级电子。

图1提供了能够与计算机110和扫描电子显微镜120交互的用户101的简化说明性示例。扫描电子显微镜120的实施例可以包括各种可商购的扫描电子显微镜。例如，扫描电子显微镜120可包括均可以从Thermo Fisher Scientific获得的Quattro或Prisma扫描电子显微镜。图1还示出了计算机110和扫描电子显微镜120之间的网络连接，但是应当理解，图1仅是示例性的，并且可以包括更多或更少的网络连接。此外，元件之间的网络连接可以包括“直接”有线或无线数据传输（例如，在图中由闪电表示）以及经由其它设备（例如，交换机，路由器，控制器，计算机等）的“间接”通信。因此，不应将图1的示例视为具有限制性。

计算机110可包含任何类型的计算平台，例如工作站、个人计算机、平板计算机、“智能电话”、服务器、计算集群（本地或远程），或任何其它当前或未来计算机或计算机集群。计算机通常包含已知组件，例如一个或多个处理器、操作系统、系统存储器、存储器存储装置、输入-输出控制器、输入-输出装置和显示装置。还应了解，计算机110的多于一个实施方案可用于在不同实施例中实行各种操作，因此图1中计算机110的表示不应被视为具有限制性。

在一些实施例中，计算机110可使用包括计算机可使用的介质的计算机程序产品，所述计算机可用介质中存储有控制逻辑（例如计算机软件程序，包含程序代码）。当由处理器执行时，控制逻辑使处理器执行本文描述的一些或全部功能。在其它实施例中，一些功能主要在使用例如硬件状态机的硬件中实现。实施硬件状态机以便执行本文中所描述的功能对于相关领域的技术人员来说将是显而易见的。并且在相同或其它实施例中，计算机110可使用互联网客户端，所述互联网客户端可包含被启用以通过网络访问远程信息的专门的软件应用程序。网络可包含本领域的普通技术人员众所周知的许多不同类型的网络中的一个或多个。举例来说，网络可包含局域网或广域网，其采用通常被称为TCP/IP协议集的协议来通信。网络可包含包括通常被称为互联网的全球互连计算机网络系统，或还可包含各种内联网架构。相关领域的普通技术人员还将了解，联网环境中的一些用户可能更喜欢使用通常被称作“防火墙”（有时也被称作包过滤器或边界防护装置）的机制来控制去往和来自硬件和/或软件系统的信息业务。举例来说，防火墙可包括硬件或软件元件或其某一组合，且通常被设计成强制执行的由例如网络管理员等用户置于适当位置的安全策略。

如本文所述，所描述的发明的实施例包括配置有导光组件的扫描电子显微镜，该导光组件包括配置有PLA的反射镜，并且在短工作距离处收集反向散射的电子和次级电子。

图2提供了说明性示例，其示出了包括腔室203和电子柱极靴202的扫描电子显微镜120的实施例。电子柱极靴202的实施例包括通常在扫描电子显微镜120的实施例中用到的任何类型的电子柱极靴（有时称为电子柱或极靴），并且通常包括诸如一个或多个线圈和/或一个或多个电磁透镜，例如用于聚焦来自电子源204的电子束207的最终透镜206。还应当理解，图2仅用于说明目的，不应视为限制。例如，图2将最终透镜206图示为椭圆形，但是电磁透镜包括各种配置和形状。

腔室203内的环境可以包括高真空环境，但是如上所述，可能更理想的是在低真空或ESEM环境下操作腔室203。例如，腔室203可以包括大约1mbar的压力，该压力足以从电子束照射的非导电样品的表面去除电荷。在一些情况下，腔室203可具有基本等于约6mbar的水蒸气的压力，其可与具有冷却特性的样品架210的实施例相结合使用以实现水的平衡压力（100％相对湿度）。腔室203可包括高达约40mbar的压力，以在约25℃或更高的室温下达到水蒸气平衡压力。但是，应当理解，水的平衡压力取决于环境温度，因此可以使用不同的压力。

样品架210通常用于将样品211定位在电子束207的路径中以及在反射镜220的视场内。本领域普通技术人员将理解，样品211可以包括任何类型的样品，例如生物样品。图2还提供了导光组件250的说明性示例，该导光组件250包括具有限压孔225的反射镜220，限压孔225被定位成允许电子束207穿过。相关领域的普通技术人员会意识到，ESEM显微镜通常使用两个限压孔。例如，一个限压孔可以位于物镜（例如，最终透镜206）的内部，该物镜可以具有较小的直径，因为这样对视场的影响较弱，而第二限压孔位于靠近样品的位置，例如限压孔225，进而限制了视野。因此，优化了限压孔225的直径以在较低放大倍率下相对于样品211具有良好的视场取向。在本文所述的实施例中，限压孔口225的直径足够小，使得可以在腔室203与包括电子源205的环境之间维持压差。例如，限压孔225的直径可以在500 m-1mm的范围内，但通常超过300 m。如上所述，腔室203中的压力可包括约30mbar的低真空压力，其由限压孔225与包括电子源205的环境隔开，该环境可包括低于约0.1mbar的高真空压力（例如，以限制在较低真空压力下可能发生的电子散射）。在当前描述的示例中，可以使用众所周知的技术（例如真空泵等）来维持真空压力。

在本文所述的实施例中，导光组件250的反射镜220通过压力密封耦合至电子柱极靴202。在一些情况下，导光组件250通过压力密封耦合到电子柱极靴202的最终透镜206。而且，在一些实施例中，可以通过使用由期望的材料构造并且配置为与电子柱极靴202或最终透镜206和反射镜220无间隙地接合的中间元件230来改善压力密封的形成（例如，在反射镜220和中间元件230之间存在压力密封，并且在中间元件230和电子柱极靴202或最终透镜206之间存在压力密封）。还应当理解，在一些实施例中，限压孔口225可以与中间元件230而不是反射镜220相耦合，但是需要将限压孔口225定位为尽可能靠近样品211以缩短电子束207在腔室203的环境中的路径。例如，中间元件230可以由非磁性材料构成，从而电子束207不会劣化。当反射镜220带有电荷时，中间元件230应该在反射镜220和极靴204中的物镜之间提供电隔离（例如，防止电流流动的隔离）。在某些情况下，导光组件250可以被配置为提供电隔离。在当前描述的示例中，中间元件230没有受到电子束207的照射，该电子束照射可能会给中间元件230充电从而降低电子束207的质量。

而且，如上所述，本发明的重要方面是保持电子柱极靴202和样品211之间的工作距离尽可能短以限制束扩散，但是与检测元件有足够的距离以允许形成称为次级电子的“级联放大”。例如，“级联放大”可以在存在水蒸气的操作模式下发生。次级电子与水分子相互作用以产生额外的次级电子，后者又与相邻的水分子相互作用而产生更多的次级电子，从而“放大”了次级电子的数量。然而，应当理解，级联放大的发生并不需要水蒸气。如上所述，高度理想的情况是将样品架210最佳地定位在导光组件250附近。例如，在低真空环境中，限压孔225和样品211之间的期望工作距离可以包括大约10-20mm范围内的距离。

图2还示出了光源255，其可以包括本领域普通技术人员已知的用于拉曼光谱的任何类型的光源（例如，激光、LED或其它类型的光源）。类似地，图2示出了检测器257，其可以包括本领域普通技术人员已知的用于拉曼光谱的任何类型的检测器（例如，CCD、光电倍增管或其它类型的检测器）。应当理解，通常可以采用本领域技术人员已知的各种光学元件通过反射镜220来沿光源255 /检测器257和样品211之间的光路260引导光（未示出，例如反射镜、光束调节元件和/或透镜），以及来调节光的特性以获得理想的拉曼光谱性能。

图3A提供了说明性示例，其示出了具有反射镜220的导光组件250的侧视图，该反射镜220用作气态次级电子检测器（GSED），并在扫描时收集样品211因响应于电子束207而从表面散射的次级电子305。电子显微镜120以腔室203中的压力大于大约1-2mbar的模式操作。例如，在操作模式下，电子束207包括与样品211的表面相互作用的初级电子，从而产生离开样品211并朝着具有正电荷（例如可以包括约600V正电偏压）的反射镜220行进的次级电子305。在本示例中，电极330和/或前板315可以包括基本上中性的带电性，使得次级电子有效地行进到反射镜220（前板315可以包括非常小的正电偏向）。

图3B示例性的示出了当扫描电子显微镜120以其中腔室203包括低于1mbar的压力的模式操作时导光组件250的侧视图。例如，腔室203可包括约0.5mbar的压力，其中可能需要延伸样品211与检测器之间的距离以通过级联放大来产生更大的信号。在这种模式下，反射镜220不收集次级电子305，而是由正偏向的电极330而不是包括基本上电中性偏向（可以包括非常小的负电偏向）的反射镜220来收集和检测次级电子305。在当前描述的示例中，电极330可以与反射镜220间隔开一定距离，从而提供了额外的时间和空间以进行级联放大。此外，导光组件250可以包括前板315，前板315包括具有孔317的基本电中性的偏向（可以包括非常小的负电偏向），电子束207和来自样品211的次级电子305穿过该孔317。

图4A示例性的示出了当扫描电子显微镜120以其中腔室203中的压力大于大约1mbar（其中镜220用作反向散射电子309的转换电极）的模式操作时的导光组件250的侧视图。例如，反向散射电子309被包括负电偏向的反射镜220收集，并通过已知方法产生转换后的次级电子305'，该次级电子从反射镜220释放。然后，被转换的次级电子305'被收集并由前板315检测，前板315用作气态反向散射检测器（GBSD）收集电极（例如，具有基本电中性的偏向，但是可以包括非常小的负电偏向）。在图4A所示的示例中，电极330可以包括负电偏向。

图4B示例性的示出了当扫描电子显微镜120以其中腔室203包括低于约1mbar的压力的模式操作时导光组件250的侧视图。类似于图3B的实施例，腔室203可以包括压力，在该压力下可能需要使用级联放大来产生较大的信号，并因此由电极330收集和检测转换后的次级电子305'，该电极可以包括基本上正电偏向（例如，反射镜220可以包括基本上负电偏向，并且前板315可以包括基本上电中性的偏向和非常小的负电偏向。

对于4A和4B的实施例，可以通过在导光组件250的内部环境中的级联放大来进一步放大转换的次级电子305'。例如，导光组件250的内部环境可以与腔室203内的环境基本相同，当以ESEM模式操作时，该内部环境可以包括高的相对湿度（例如，大约100％的RH）。因此，通过在导光组件250的内部环境中的级联放大，从反射镜220行进至前板315（如图4A所示）或电极330（如图4B所示）的转换次级电子305'的数量会增加。

在一些实施例中，如图4C的示例所示，可以由检测器320检测反向散射电子309，该检测器320可以包括本领域已知的任何类型的检测器，例如所谓的固态检测器。当腔室203和导光组件250中的压力不能在反射镜220和前板315之间提供足够的放大的情况时和/或在高真空条件下时，这种性能会是所期望的。还应当理解，两个或多个检测器320可以实施在导光组件250中，例如在图5的示例中示出的两个实施例，这种实施方式提供了从导光组件250的底部的视图（例如，朝向不带前板315的电子柱极靴202观察）。值得注意的是，在检测器320的实施方式中，它可以处于反射镜220的侧方位，这样可使得次级电子305和/或从样品211到反射镜220的反向散射电子309的路径不会被检测器320阻挡。此外，可能还需要将检测器320定位在前板315上方一定距离，以实现更好的反向散射电子309的收集效率。

还应当理解，在一些实施例中，腔室203中的压力可以变化，例如对于如图3A-B、4A-C和5所述的操作模式，压力可以更高或更低。在某些情况下，压力的变化可能对性能有影响，但是也可以提供其它优点，因此被认为在所述发明的范围内。此外，图5的示例中-反射镜220为基本椭圆的形状，但是反射镜220也可以包括可有效地将光从光源255引导到样品211的任何形状。同样重要的是，反射镜220的形状应能有效收集来自样品211的光（例如拉曼发射或阴极发光）并将光引导至检测器257。还需要导光组件250内的工作距离尽可能短。因此，不难理解的是，图2、3A-B、4A-C和5的实施例是出于说明性目的，而不应被认为是具有限制性的。

通过描述各种实施例和实施方案，对于相关领域的技术人员来说应显而易见的是，前述内容仅为说明性的而并非限制性的，其仅作为示例进行呈现。在所示出的实施例中，如果将各种功能分布在各种功能元件中也可能会得到许多其它方案。任何元件的功能可以以各种方式在不同的实施例中实行。