DE相机概述

    透射电子显微镜(TEM)可作为实现纳米尺寸样品的结构可视化、埃级分辨率的一种有力手段。然而,受限于电子散射原理,特别是在低剂量电子成像的情况下,TEM的性能远落后于其理论值。很多因素会削弱TEM成像的分辨率和信噪比(SNR),其中包括像显微镜仪器本身、样品的动态过程(像漂移、电子束引起的移动、充电、辐照损伤等),还有电子探测器的效率低下。


    DE公司以提高电子显微镜的成像质量为己任,经不断的探索和实验于在2008年得到世界首个工业化的大面幅的直接电子探测器(Direct Detection Device (DDD®)),这是自2001年起,学术界与工业界密切合作经历数代芯片更迭之后得到的巅峰之作。作为发明直接电子探测器的先驱,DE公司革命里程碑式的DDD芯片,在2010年被授予“Microscopy Today Innovation Award”。

直接电子探测的原理

    传统的TEM数码相机,电子需要经过荧光屏转为光子信号后进行探测,对比下,直接电子探测技术无需经过电子转光子,直接在传感器上成像,这极大地提高了分辨率,大幅度的提高了电子束的信噪比、敏感度。

    DDD拥有高性能的秘诀在于其传感层非常薄。入射电子束穿过该薄薄的传感层后会留下相应的离子化痕迹,通过收集并利用集成或计数的方法可将痕迹像素化。同是,由于传感层非常薄,几乎可以忽略侧电荷扩散的影响,因此相比于其他探测器,它的分辨率更高。另外,DDD省去通过光纤或者光学镜头进行信号转换的过程而采取直接探测电子的方式,也将图像失真的情况最小化。

    DDD的第二大创新点是其超高的帧率,两帧之间几乎没有死时间。同时,高帧率可以保证拍照过程中每帧的电子剂量较低,也为利用漂移校正技术、损伤补偿技术以及其他的图片处理技术提供了条件。此外,高帧率的数据获取也可以应用在TEM里的其他应用方向,比如原位TEM。

性能优势


直接电子探测器
Direct Electron
其他1
其他2
像素大小(μm)
6.0-6.5
14
5
探头像素阵列尺寸
Various sizes up to
8192 × 8192
4096×4096

(17% smaller than DE-20;

300% smaller than DE-64)

3838×3710

(38% smaller than DE-20;

370% smaller than DE-64)

像素设计
>3T
(CDS to reduce noise) Electron
3T
(High noise)
3T
(High noise)
Frame Shutter
Global or rolling
Rolling
(Introduces gradients across images)
Rolling
(Introduces gradients across images)
芯片打薄



耐辐照性
Excellent
Excellent
Excellent
最佳曝光速率
任何曝光速率下性能持续不变
低曝光速率时性能变差

只有很低的曝光速率;< 3 e-/pixel/s 是最佳;

在10 e-/pixel/s 性能降低 ~30%

电子动态范围
> 400 e-/pixel/s
~160 e-/pixel/s
At ~60 e-/pixel/s quantum efficiency decreases ~60%
帧率
灵活;
全幅可达30 fps,选取子阵列可达1000+ fps
18 fps;
Typically users may only save 7 frames
40 fps transfer rate to computer
内带第二传感器
内含2k × 2k 的观测传感器
需另行购买及维护
需另行购买及维护
电子剂量测定
传感器上面集成有法拉第杯


传感器保护遮板
是(专利保护)


探头伸缩自如
是(机械式)

是(气动式)
移动密封环
否,可伸缩的真空法兰,最大程度保持真空度
???

安装位置
底插或者侧插,甚至可以安装在胶卷位置(JEOL)
底插
底插
Magnification Factor
Film chamber: 1.0× Bottom mount: ~1.4×
~1.4×
~1.4×
软件
Client-server model with multiple options:
Micro-Manager (开源);
DE-IM (全功能); DE-StreamPix (原位);
Open API for integration in custom software.
专利产品
专利产品


积分和计数模式


高速和超高速的单电子敏感的直接电子相机, 有两种不同操作模式可供选择:

积分模式(Integrating mode)—打在探测器上的每个电子沉积汇聚得到的全部信号组成最终的图片。该模式具有灵活高速的特点,因此, 在实际应用中适用范围广,最受欢迎。


计数模式(Counting mode)—每个入射的 电子作为一个单独事件被隔离、检测、局部化。 在这个模式下,每个入射电子可连续地由一个像 素(或子像素)的中信号体现出来,因此, 这种模式,可认为是最高成像质量。该模式, 只适合于低电子剂量成像的应用。


我们的DE系列相机可满足客户在两种不同模式下自由选择。



 

DDD相机发展历史



Generation

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Commercial Product(s)

Development Systems (Academic)

DE-12

DE-12(Gen2)

DE-12

DE-20        

DE-16, DE-64

Year

2002

2002

2003

2005

2006

2008

2010

2011

2012

2014

Pixel Size (μm)

20

5, 10, 20, 30

5

5

5

6

6

6

6.4

6.5

Array Size (pixels)

128 × 128

Various

550 × 512

1024 × 1024

560 × 460

4096 × 3072

4096 × 3072

4096 × 3072

5120×3840

4096 × 4096,
8192 × 8192

Pixel Design

3T

3T

3T

3T

>3T

>3T

>3T

>3T

>3T

>3T

Feature / Milestone


4

quadrants


sections

Single pixel design; MTF/DQE

Larger

format;

cryo-

tomography

ADC per column; electron counting

Large format; commercialized

Faster; more radiation hardened

Backthinned; improved at 200 kV

Larger; reduced noise; improved MTF

Ultra-large format; improved SNR, dynamic range, and radiation hardness

Developer & Funding

University of California, San Diego
NIH RR018841

Direct Electron, LP
NIH RR024964 & NIH GM103417