用于分析EDS信號的方法與流程

本發明涉及一種用于分析包含隨機間隔的階躍的輻射傳感器的信號的方法，所述方法包括：·檢測階躍的存在；·估計相鄰階躍之間的時間間隔；·用第一濾波特性對階躍之前的信號濾波；·用第二濾波特性對階躍之后的信號濾波；·估計階躍高度；以及·根據所估計的階躍高度用大量階躍形成密度分布或直方圖。本發明還涉及用于執行所述方法的裝置。

背景技術：
從美國專利公開No.US7,966,155B2中已知這樣的方法。已知專利描述了一種用于分析來自諸如固態檢測器或氣體比例檢測器的X射線檢測器的信號的方法。在固態檢測器中，X射線光子撞擊諸如PIN二極管或硅漂移二極管的固態器件。光子生成大量電子/空穴對，這些電子/空穴對被收集并且饋送到信號放大器。電子/空穴對的數量取決于X射線充子的能量，并且由此每個光子在檢測器的信號申引起階躍，階躍高度取決于光子的能量。這樣的檢測器被用在例如電子顯微鏡中。在電子顯微鏡中，將樣本暴露于具有例如在10keV與30keV之間的可選能量的高能電子射束。電子與樣本材料相互作用，并且使X射線從樣本材料出射。部分電子使所謂的特征X射線從樣本出射，能量取決于與電子相互作用的元素并且因此包括樣本材料的信息。通過確定能量，樣本組成可以因此被確定。當確定X射線檢測器的信號時，信號顯示噪聲，諸如閃變噪聲、1/f噪聲等。階躍的高度是階躍之前的信號與階躍之后的信號(之前的平穩段與之后的平穩段)之間的差，并且信號中的噪聲轉化為階躍高度的估計值的誤差或不準確度。可以通過充分的濾波來降低信號中的噪聲，由此“平滑”平穩值。然而，當另一光子在檢測器仍在對信號濾波的同時被檢測到時，出現誤差，并且舊的階躍和新的階躍兩者都應被丟棄。這被稱為堆積(pile-up)。因此快速檢測和低噪聲檢測是相互矛盾的需求：對于快速檢測(高計數速率)，必須使用具有較短時間常數的濾波，而這導致信號的大噪聲，并且因此導致階躍高度的較大的不準確度。階躍高度的不準確度的另一原因是由于法諾噪聲(Fanonoise)：由具有給定能量的光子生成的電子/空穴對的數量有變化，如法諾噪聲所描述的那樣。已知專利描述了其中檢測器的信號被采樣和存儲的方法。階躍被檢測到，并且每對階躍之間的時間間隔進而被估計。根據這個時間間隔，適當的濾波器被應用于形成對的兩個階躍之間的信號，其結果是每對階躍之間的濾波條件被優化。因此找到的階躍高度的估計值被用于形成顯示階躍高度的密度分布或直方圖。這也被稱為譜。注意到，當用取決于階躍之間的時間間隔的濾波特性(時間常數)對信號濾波時，這被稱為自適應濾波。進一步注意到，被用于對階躍之前的信號濾波的濾波器的濾波特性不需要與被用于對所述階躍之后的信號濾波的濾波特性一致：濾波不需要是對稱的。還注意到，采樣優選地包括模數轉換，并且濾波是數字濾波，并且可包括例如由有限脈沖響應(FIR)濾波器進行處理。不同的濾波特性進而對應于使用不同的抽頭系數和抽頭長度。提到當兩個階躍相互太靠近地出現以至于不能以可接受的準確度分別處對它們進行處理時出現堆積。在這種情況下，兩個計數都被拒絕，由此有效地降低了計數速率。即使使用自適應濾波來分析信號是相對于使用非自適應濾波來分析信號的改進，但對分析信號的改進方法仍有需要。

技術實現要素：
本發明意在提供這樣的改進方法。為此，根據本發明的方法的特征在于·使用階躍之前的平穩段的方差的估計值和階躍之后的平穩段的方差的估計值來估計階躍高度估計值的方差，所述平穩段的方差的估計值基于所述平穩段中的每一個的間隔的長度并且模型將所述間隔的長度和信號的噪聲特性考慮在內，并且·大量階躍中的每一個根據加權因子對密度分布或直方圖做出貢獻，所述加權因子是所述方差的函數，所述函數使得具有低方差的階躍與具有高方差的階躍相比與更大的加權因子關聯，其結果是對應于高可靠性的、具有低方差的階躍高度估計值被突出。發明人發現，當處理信號時，與具有高方差(低可靠性)的階躍相比，用更大的加權因子對具有低方差(高可靠性)的階躍加權產生更平滑并且還顯示具有更小的半高全寬(FWHM)的峰的譜。這如下來解釋：當使用自適應濾波時，可能的是選擇不同于階躍之后的信號的濾波特性的、階躍之前的信號的濾波特性。如果對信號每秒采樣N次并且假設用覆蓋N1個樣值的時間常數對階躍之前的信號濾波而用覆蓋N2個樣值的時間常數對階躍之后的信號濾波，則階躍之前的平穩段具有與1/N1成比例的方差σ1并且階躍之后的平穩段具有與1/N2成比例的方差σ2。階躍高度因此具有與(1/N1+1/N2)成比例的方差σT。具有小方差(高可靠性)的階躍很可能接近于真值，并且因此突出這些階躍是有意義的，而不是給具有低可靠性的階躍與可靠數據相同的權重。注意到，盡管所建議的是無限長的樣值范圍(N→∞)產生最低的方差，這僅對白噪聲適用。電信號不需要顯示白噪聲特性，例如作為1/f噪聲的結果。術語：概率密度函數典型地僅針對連續隨機變量定義：其為描述這個隨機變量在給定點出現的可能性的函數。隨機變量落入特定區域內的概率由這個變量在該區域上的密度的積分給出。因為不存在負概率，概率密度函數在各處都是非負的。其在整個空間上的積分等于1。注意到，不是每個概率分布都具有密度函數：例如離散隨機變量的分布就不具有密度函數。在本發明中所分析的信號通常由n位模數轉換器(ADC)采樣，并且嚴格來講結果不是連續變量。也可能的是使用諸如狄拉克δ函數的廣義函數來表示這樣的離散隨機變量。這大體上使對離散概率分布和連續概率分布的處理一致。因此，可以類似于對于連續分布的特征來使用這樣的離散變量的統計特征(諸如其平均值和其方差)。另一解決方案是使用直方圖，其中將每個被測量的值表示為間隔或槽中的測量值。典型地，這些槽全都具有相同尺寸。使用方差來突出階躍在申請號為US2006/126763A1的美國專利申請中被建議。此處，對于相似的信號所建議的是所估計的能量(階躍高度)應根據估計值的質量對譜做出貢獻。這項現有技術的不同之處在于如何確定質量(方差)：其中這個現有技術文獻建議使用卡爾曼濾波器或通過執行矩陣乘法來確定估計值，而本申請人的發明將方差建立在邊沿前和邊沿后的間隔的長度上，并且因此將信號的質量建立在邊沿之前和邊沿之后的間隔的長度上。更具體而言，這項現有技術未建議使用階躍之間的長度來確定所估計的階躍高度的質量。注意到，對于白噪聲，所述間隔的長度可以直接被使用(如可以是在申請號為US2006/126763A1的美國專利申請中所提出的卡爾曼濾波器的輸出)，但對于其他噪聲特性(紅噪聲、粉紅噪聲或最可能的浴盆噪聲)，可以使用校正。對于根據本發明的方法，這可以基于查找表(LUT)的使用。在另外的實施例中，每個階躍由階躍高度和階躍方差表示，并且階躍根據加權因子對密度分布或直方圖的貢獻采取與概率分布函數成比例的貢獻的形式。通過將不同階躍的貢獻相加作為概率分布，例如通過假設每個階躍由具有期望值和偏差的單位面積高斯曲線表示，還要更好的逼近是可能的。當使用直方圖時，這意味著非常可靠的測量(顯示低方差)給出對小數量的槽的高貢獻，而具有低可靠性的測量(高方差)給出對較大數量的槽的小貢獻。注意到，當對所有槽的貢獻的總和始終相等時，已經使用了加權因子(與概率分布成比例的加權因子)，但該良好結果可以例如通過對顯示低方差的測量進一步提高加權因子來實現。換句話說：使貢獻的總和也取決于方差。盡管針對直方圖進行解釋，但這對于密度分布也可以相似的方式實現。在另一實施例中，信號是固態器件的信號并且所述階躍是撞擊所述固態檢測器的X射線光子的結果。固態檢測器包括固態器件，例如PIN二極管或硅漂移二極管，后面有電壓跟隨器或電荷放大器。所述檢測器還包括信號處理器，其處理例如電荷放大器的信號。信號的階躍高度與被檢測到的撞擊X射線光子的能量近似地成比例。在另一實施例中，對于方差高于預定閾值的階躍，所述加權因子等于零。這相當于拒絕由小于預定值的周期分開的階躍，如在標準堆積檢測中完成的那樣。盡管拒絕階躍降低了計數速率(由于階躍被拒絕)，但這可以提高譜的FWHM值。在一方面中，提供一種用于觀察響應于刺激從樣本出射的X射線的裝置，所述裝置包括X射線檢測器，所述X射線檢測器是固態器件或氣體比例計數器，所述X射線檢測器產生顯示階躍的信號，由信號處理器來處理所述信號，所述信號處理器被編程為檢測階躍的存在、估計所述階躍之間的時間間隔、用第一濾波特性對階躍之前的信號濾波、用第二濾波特性對階躍之后的信號濾波、估計階躍高度并且根據所估計的階躍高度用大量階躍形成密度分布或直方圖，其特征在于：所述信號處理器被配置...