(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギー粒子検出器を有するデバイスを動作させる方法であって、前記粒子は、最初の横断の入射イベント、ならびに、３種類の後方散乱イベントである、出射後方散乱イベント、高次入力および出力イベント、および前記デバイスから出て後方散乱し、近くの機械構造に当たり、前記デバイス内に戻るように散乱する前記粒子によって生じる入射イベントを生成し、
前記最初の横断の入射イベントと、前記３種類の後方散乱イベントとを弁別するステップを備える方法。
【請求項２】
前記弁別するステップは、
別個のイベントがオーバラップする割合をわずかに留めることを保証するレベルに照射率を制限するステップと、
各イベントの画像信号の総計を測定することによって、各イベントの総計エネルギーを確定するステップと、
閾値エネルギーを設定するステップであって、前記閾値エネルギーは前記閾値エネルギー未満のイベントを前記最初の横断の入射イベントとして、また、前記閾値エネルギーを超えるイベントを前記３種類の後方散乱のうちのいずれかとして識別する、設定するステップとを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記弁別するステップは、
電子経路の形状を追跡するステップと、
前記形状に基づいて、前記３種類の後方散乱イベントと、前記最初の横断の入射イベントとを弁別するステップとを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
各イベントについて画像信号の総計を測定するステップと、
前記画像信号の総計を、対応するイベント内のピクセルの総数で割ることによって平均エネルギー付与密度を確定するステップと、
前記最初の横断の入射イベントにおける電子のエネルギーを確定するために、前記平均エネルギー付与密度を使用するステップと、
前記最初の横断の入射イベントと前記３種類の後方散乱イベントとを弁別するために、
前記平均エネルギー付与密度を使用するステップとをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記平均エネルギー付与密度を比較して、密度が高いイベントは後方散乱イベントと判定し、
前記平均エネルギー付与密度を比較して、相対的に低い密度を有するイベントは最初の横断の入射イベントと判定する、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電子顕微鏡画像検出の分野に関する。
〔関連出願に対する相互参照〕
本実用新案出願は、その全体の開示が参照により本明細書に組込まれる、２００９年６月２６日に出願され、「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｆｒｏｍ  Ｉｎｃｏｍｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ｉｎ
Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｔｈｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｌａｙｅｒ」という名称の仮出願第６１／２２０，９９６号の米国特許法第１１９条（ｅ）の下での利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡で使用されるほとんどの電子撮像検出器は、薄いある種のエネルギー変換器を使用する。たとえば、電子顕微鏡画像の入射電子からのエネルギーをハロゲン化銀分子の励起状態に変換するフィルムは、電子が、全体的に検出媒体を通過し、引き続き進んで検出容積の背後の真空内に入ることを可能にする。フィルムの背後の機械構造の適切な設計によって、後方散乱が最小化される。近年、フィルムに対する代替物、特にファイバで光学的に結合したＣＣＤカメラが開発された。ファイバで光学的に結合したＣＣＤカメラは、薄い電子透過性単結晶または粉末蛍光体シンチレータを使用して、電子エネルギーを光に変換し、光は、次に、溶融光ファイバプレートによって収集され、ＣＣＤ画像センサに伝達される。これらの検出器に関する問題は、シンチレータを横切った電子が、２回または複数回、シンチレータに戻るように散乱される有限の確率、通常２５〜３５％を有することである。戻り横断(return traversal)は、元の入口位置からかなりの距離のところで起こり、その平均距離は、入射(incident)電子エネルギーに応じて増加する。戻り電子の数の変動、戻り電子によって付与されるエネルギー量、および戻り電子の位置の不確実性の組合せ効果は、画像形成コンテンツの喪失をもたらし、信号対雑音比（ＳＮＲ）を２〜１０倍だけ減少させる。多くの低照射電子顕微鏡用途（たとえば、「単粒子(single-particle)」たんぱく質構造決定、細胞トモグラフィ、および電子たんぱく質トモグラフィ
）についてＳＮＲの限界値(extreme criticality)が与えられると、全体信号からの後方
散乱信号の除去が求められる。実際の後方散乱を低減する種々の方法が試されてきた。ビームバンプとしての低後方散乱ミラー、高開口数レンズ、および高ＱＥ背面ＣＣＤを有する透過型シンチレータが、後方散乱を低減する方法として試されたが、完全に成功したわけではなく、レンズおよび背面ＣＣＤのコストのせいで非常に費用がかかる（米国特許文献１を参照されたい。全ての参考文献は参照により本明細書に組込まれる）。横断を防止し、それにより、散乱の可能性をなくす方法として、電子画像減速が試された。この技術は有望であるが、高い電圧（約２５０ｋＶ）でカメラを浮遊させるという複雑さのために、同様に費用がかかりかつ問題がある（たとえば、特許文献２、３を参照されたい）。ＣＣＤより優れた放射線耐性を有する半導体デバイス、すなわち、高エネルギー物理学で使用するために開発された能動ピクセルセンサの使用に関連して、シンチレータおよび光ファイバの削除が提案された。これらのデバイスでは、後方散乱は、シリコン基板の原子番号が低いために多少（ほぼ１０％まで）低減される。しかし、低エネルギー戻り電子についての高いシンチレーション効率と結び付く、光基板内での電子の長い横方向移動が組み合わさって、ＳＮＲを依然としてかなりの倍率だけ減少させる。基板の厚さの部分的な低減およびセンサの背面の裏当ての削除は、透過型検出器の利益の一部を再生することができるが、大きなサイズのデバイスは、十分なデバイス頑健性を維持するのに可能である薄化の程度を制限する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，５１７，０３３号
【特許文献２】米国特許第６，４１４，３０９号
【特許文献３】米国特許第５，９９８，７９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
後方散乱の弁別は、後方散乱が物理的になくされることができない、すなわち、低減されうるだけである状況でも、後方散乱の効果をなくそうとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
全体の画像信号からの後方散乱信号の除去は、低照射高分解能構造生物学的研究で使用するための固体検出器の主要な欠点を取除く。
本発明の一実施形態によると、高エネルギー粒子検出器を有するデバイスを動作させる方法であって、前記粒子は、最初の入射横断イベント、前記デバイスから出て後方散乱し、近くの機械構造に当たり、前記デバイス内に戻るように散乱する、前記粒子によって生じる出射後方散乱イベント、高次入力および出力イベント、ならびに入射イベントを生成し、前記最初の入射横断イベントと、前記出射後方散乱イベント、高次入力および出力イベント、ならびに入射イベントとを弁別するステップを備える方法を要旨とする。
前記弁別するステップは、ほんのわずかな割合の別個のイベントがオーバラップすることを保証するレベルに照射率を制限するステップと、イベントと、バックグラウンドおよび他のイベントとを弁別するステップと、各イベントの総合エネルギーを確定するステップと、閾値エネルギーを使用するステップであって、それにより、前記閾値エネルギー未満のイベントを入射イベントとして、また、前記閾値エネルギーを超えるイベントを後方散乱として識別する、使用するステップとを含む。
あるいは、前記弁別するステップは、電子経路の形状を追跡するステップと、前記形状に基づいて後方散乱イベントと、入射横断イベントとを弁別するステップとを含むことを要旨とする。
さらなる実施形態において、前記方法は、総イベントエネルギーを、最初のイベント内のピクセルの総数で割ることによって平均エネルギー付与密度を確定するステップと、前記最初のイベントにおける電子のエネルギーを確定するために、前記平均エネルギー付与密度を使用するステップと、入射イベントと後方散乱イベントとを弁別するために、電子エネルギーの前記エネルギーを使用するステップとをさらに含むことを要旨とし、前記平均エネルギー付与密度に比べて密度が高いイベントは後方散乱イベントと考えられ、前記平均エネルギー付与密度より低い密度を有するイベントは入射イベントと考えることもできる。
さらなる実施形態において、前記方法は、前記高エネルギー粒子検出器は、高エネルギー粒子ビームに暴露され、前記弁別するステップは、入射イベントからの後方散乱イベントの平均全体範囲が、入射イベント間の平均距離より小さくなるように前記ビームを拡散させるステップと、最初のイベントおよび第２のイベントが互いに一致すると判定するステップと、前記最初のイベントと前記第２のイベントのいずれが入射イベントであるか、
いずれが後方散乱イベントであるかを判定するステップとを含むものであってもよく、この場合、電子経路形状およびエネルギーレベルによって前記最初のイベントと前記第２のイベントを比較するステップをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】イベントのタイプを示す高エネルギー粒子検出器の図。
【図２】電荷積分型(integrated)イベントヒストグラムを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
電子画像は、薄い検出層を通る電子の横断によって引起されるエネルギー付与イベントの蓄積として記述されうる。図１は、エネルギー変換層４０および基板または不活性層３０を備える例示的な撮像デバイスを示す。入射電子５は、最初の横断イベント１０および後方散乱イベント２０を引起す。ある実施形態では、最初の入射横断イベント１０と、カメラから出て後方散乱し、近くの機械構造に当たり、カメラ内に戻るように散乱する（添付図を参照）、電子によって生じる出射後方散乱イベント２０、高次入力および出力イベント、ならびに入射イベントとを弁別する種々の方法が適用される。弁別は、全体の画像信号から最初でない横断イベントをフィルタリング除去するのに必要な情報を提供する。これを行ういくつかの方法が開示される。
【０００８】
３つのこうした方法は以下を含む。
１．付与エネルギー−後方散乱電子は、エネルギーを失い、したがって、高速の入射電子より多くのエネルギーを単位長当たりに付与する。後方散乱電子はまた、平均して、入射電子よりより大きな角度で感受性層を横断しており、したがって、より長いトラックに沿ってエネルギーを付与する。別個のイベントがオーバラップしないことを保証するのに十分に照射率を制限することよって、高エネルギー粒子物理学データ低減(data reduction)の専門家によく知られている粒子認識アルゴリズムを適用して、バックグラウンドおよび互いからイベントを弁別し、そこから、各イベント内の総エネルギーを加算することが可能になる。ランダウ分布(Landau distribution)に従う、電荷積分型イベントエネルギ
ーのヒストグラムが示された。ランダウ分布は、多くのイベントが、ほぼ確実な損失エネルギー(most probable loss energy)と呼ばれる中心エネルギー収量(yield)の周りに密集するが、多くのイベントは依然としてかなり高いエネルギーに関して吸収され、それにより、エネルギー収量の平均レベルを上げ、付与されるエネルギー量の変動をかなり増加させることを示す。Ｔａｂａｔａ等著「Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  Ｌａｎｄａｕ’ｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ  ｌｏｓｓ  ｏｆ  ｆａｓｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ」Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  １５８，Ｊａｎ，１９７９，Ｐａｇｅｓ５２１−５２３。
【０００９】
イオン化による高速電子のエネルギー損失分布に関してランダウ理論において現れる万
能関数(universal function)（λ）について、また同様に、関数Ｐ−１（ｒ）、（λ）の積分に対する反転(inverse)について近似が与えられる。パラメータの値は、チェビシェ
フの意味での最良近似の基準によって決定された。２つの結果が（λ）について提示される。すなわち、簡単な結果は、間隔−２．９≦λ＜∞にわたって（λ）のピーク値の１．０％に対応する絶対誤差内で正確であり、他の結果は、−３．２７５≦λ≦∞にわたって１．４×１０−３の相対誤差内で正確である。Ｐ−１（ｒ）に対する近似は、０．００１≦ｒ＜−０．９９９にわたって９×１０−４の相対誤差内で正確である。最大のエネルギーイベントをなくすために弁別することは、入射イベントより多くの後方散乱イベントを削除することによって、正味の信号の変動性、したがって雑音を低減するのに役立ちうる。
【００１０】
２．形状−典型的な後方散乱電子経路の傾斜は、後方散乱電子と入射電子とを弁別するために、細長い形状か、湾曲形状か、または円錐形状が使用されることを可能にすることになる。例として、トラックに沿うエネルギー付与密度は、トラックを作る電子のエネルギーの確定を可能にしうる。高い付与エネルギー密度は、その初期エネルギーの多くを既に失ってしまい、したがって、後方散乱によって生成される可能性が高かった電子を示すことになる。トラックに沿う低い付与エネルギー密度は、ちょうど入ったところで、したがって、後方散乱である可能性がなかった電子を示すことになる。別の例として、より湾曲したトラックは、後方散乱である可能性が高いことになる。
【００１１】
３．１次電子トラックが一致する(coincidence)−非常に低密度の(sparse)ビームを用いて、同じ１次電子トラックから発生したものとして互いに１次電子が一致するイベント−１つの入射イベント、１つの（またはさらに３つ以上の）後方散乱イベント−を関連付けることが可能である。その後、弁別方法１および２が、比較またはランク付けの意味で使用されて、１次電子が一致する２つのイベントのいずれが入射イベントである可能性が最も高かったか、また、いずれが後方散乱である可能性が最も高かったかが選択されうる。この比較方法は、１次電子の一致がない状態で１および２について適用される絶対弁別閾値より正確でかつ感度が高いことになる。
３つ全ての方法に当てはまる観察結果
１．３つ全ての技法は、特に原子核物理学および高エネルギー粒子物理学において当業者によく知られているため本明細書では請求されない、バックグラウンドからのイベントの最初の弁別による。これらの方法は、イベント信号対バックグラウンド（非イベント信号）の良好なＳＮＲを必要とする。そのため、各イベントの読出し時の低雑音と結び付いた、各イベントについて２次エネルギー産物の高い収量を有する検出器を有することが重要である。これらの基準を満たす最良の候補は、入射高エネルギー１次電子についての何百というセンサ電子−正孔対の高い収量のために、高エネルギー物理学で使用される能動ピクセルセンサである。しかし、２次粒子（たとえば、ファイバで光学的に結合されたＣＣＤカメラの場合、ＣＣＤ電子）の十分に高い収量と、低い雑音（読出し雑音）と、検出器上の１つの地点から別の地点の平均収量の十分に低い変動性を有する任意の検出器が、この技法を利用しうる。
【００１２】
２．この方法は、イベントエネルギーの空間分布のモルフォロジのセントロイディング(centroiding)またはより複雑な解析によって分解能を改善する方法とは別個のものであ
り、最初の横断イベントでないものとして登録されるイベントの削除を含むだけである。セントロイディングを通して分解能を改善する例は、Ｋｌｅｉｎｆｅｌｄｅｒ等著「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｘ−ｒａｙ  ａｎｄ  ｃｈａｒｇｅｄ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ａｃｔｉｖｅ  ｐｉｘｅｌ  ＣＭＯＳ  ｓｅｎｓｏｒ  ａｒｒａｙｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｒｅｇｉｏｎ」Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＰＩＥ  Ｈａｒｄ  Ｘ−Ｒａｙ  ａｎｄ  Ｇａｍｍａ  Ｒａｙ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰｈｙｓｉｃｓＩＶ，Ｊｕｌ．２００２，ｐｐ．２０８−２１７で論じられる。
【００１３】
より複雑な解析の例は、トラックのより真っすぐな端部と、トラックのより湾曲した端部とを弁別することである。より真っすぐな端部は入射端として、より湾曲した端部は電子の出口点または停止点として解釈されることになる。
【図１】
0005540088.tif 000002
【図２】
0005540088.tif 000003