nionswift-usim 0.4.4

Nion Swift STEM 显微镜模拟器库（用于 Nion Swift）

用于 Nion Swift 的 STEM 显微镜模拟器。用于调试 Nion Swift 采集和开发采集工具、技术和应用程序。

测试
包裹

介绍

显微镜有许多种类，例如光学/光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜。在这些大类中的每一个中都有许多子类，例如荧光和超分辨率光学显微镜，以及透射或扫描电子显微镜。

该模拟器旨在为各种显微镜提供平台和特定模拟。

然而，目前它主要集中在扫描透射电子显微镜（STEM）上。STEM 仪器产生的电子通过样品传输，在此过程中散射、偏转或改变能量，然后在检测器中数字化。

STEM 仪器将包括一个电子源、用于形成和控制电子束的电磁透镜、用于控制透镜的扫描系统以及用于检测产生的电子的多个相机。探测器的典型配置包括多个环形暗场探测器、高角度 HAADF、中角度 MAADF；Ronchigram 检测器（会聚光束衍射图案的图像，在像差校正仪器中有用且重要）；通常使用 EELS 检测器（电子能量损失谱）来测量能量损失；和用于对齐和调整的摄像机。有时也存在其他检测器，例如光学或 X 射线检测器。

在透射电子显微镜中，当电子穿过样品时，它可能与电子或原子核相互作用，在此过程中发生散射。透射电子显微镜的理想样品将很薄，以限制散射事件的数量。当它散射时，它可能会将部分能量转移到样品（非弹性）或只是偏转（弹性）。当它将能量传递给样品（非弹性）时，电子损失的能量将是（平均）与它相互作用的原子或化合物的特征。这可能在 EELS 数据中显示为声子（与原子核的相互作用）、等离子体（与表面的相互作用）或边缘（与特定能量的电子的相互作用）。

特征

STEM 显微镜模拟器可以模拟光束扫描中的 HAADF 检测器、具有透镜像差的 Ronchigram 以及可以在零维中求和以产生 1D EELS 光谱的 2D EELS 检测器。

EELS 检测器产生模拟样品中每个光束位置独有的 EELS 光谱。Ronchigram 不依赖于光束位置。

模拟样品可以是矩形区域排列的基本元素/真空；或无定形样品。

扫描和 Ronchigram 或 EELS 检测器可以结合起来进行光谱成像。

该模拟器已用于开发许多采集算法，甚至一些用于 Nion STEM 仪器的调谐和对齐算法。

采集模式

STEM 仪器上有几种常用的采集模式。

首先，通过使用 HAADF 检测器以矩形模式连续扫描光束形成的成像模式通常是用于找到光束并进行粗略调整的模式。在扫描的每个点，从 HAADF 检测器中读取一个值，并将这些值组合成图像。扫描尺寸可以通过改变视野（FOV）来调整，以nm表示；并旋转以与样品对齐。也可以调整像素时间以考虑更弱或更强的信号，权衡的是成像速度。

一旦光束居中，Ronchigram 成像模式将用于聚焦和校正电磁透镜中的像差。可以使用散焦值调整 Ronchigram 上的放大倍率，以 nm 表示。当光束没有散焦 (0nm) 时，它会显示为几乎没有对比度的图像，具体取决于样品和其他对齐方式。当光束有轻微的散焦（500nm）时，它会形成样品的图像，可用于成像。但是，镜头像差可能会导致最终图像失真。该模拟器提供高达 5 阶的模拟器像差。默认值产生完美对齐的仪器；但是明确地引入像差对于了解像差或测试校准/调整软件很有用。

在带有光谱仪的 STEM 仪器中，还可以观察到电子能量损失谱 (EELS)。光谱仪是一组特殊的电磁透镜，它使电子弯曲，使电子的能量在空间轴上分散，形成一个图像，其中垂直轴是光束的无维度扩展，水平轴是电子的能量损失。能量损失将是电子穿过的原子或化合物的特征（统计上）。

模拟器提供 2D EELS 光谱，该光谱是根据样品上的光束位置（也称为探头位置）计算得出的。可以将 2D EELS 光谱沿垂直轴求和，以生成可以显示为线图的 1D EELS 光谱。可以通过开始扫描然后停止扫描来调整探头位置，启用光束位置图形并进行调整。

扫描和 EELS 光谱可以组合成光谱图像。扫描光束并在每个光束位置获取 EELS 光谱。结果被组装在一个 2D x 1D 的数据项中，其中前两个维度表示扫描位置，最后一个维度表示该位置的电子能量损失。由于每个 EELS 光谱都取决于相应光束位置的样品，因此光谱图像可用于执行元素映射等操作，其中一种或多种元素的浓度形成图像，其中强度代表它们在样品中的相对浓度.

• 4D STEM：使用 Ronchigram 检测器进行扫描，组合成 2D x 2D 数据项

• 4D STEM 虚拟探测器：使用 Ronchigram 探测器进行扫描，在区域内求和以形成一个或多个 2D 图像

• 光谱成像、短曝光、对齐和求和

样品

模拟器提供两种类型的样品：晶体样品和无定形样品。

教程

从一个新的或现有的项目开始，创建一个新的工作区（工作区 > 新工作区...）或清除现有的工作区。然后将工作区拆分为 2x2 布局（Workspace > Display Panel Split > Split 2x2）。

在左上角的面板中，右键单击并选择uSim Scan (HAADF)。按该面板左下方的扫描。然后按停止。

如果尚未打开扫描控制面板（Window > uSim Scan Scan Control），请打开它。在扫描控制面板中，单击定位。这将在扫描图像上放置一个探针标记。这只会在扫描停止时出现。你可以拖动它。

在右上角的面板中，右键单击并选择uSim EELS Camera。这显示了 2D EELS 检测器。通过单击面板底部的复选框使其显示 1D EELS。然后按该面板左下方的播放。

现在在扫描上拖动探针标记，EELS 数据将根据探针位置发生变化。完成后按EELS 数据上的暂停。

如果尚未打开光谱成像面板（Window > Spectrum Imaging / 4d Scan Acquisition），请打开它。选择该面板左上角的uSim EELS Camera ，然后选择Spectra作为采集类型。将扫描宽度更改为 24，将相机曝光时间更改为 50 毫秒。然后单击获取。这将获取扫描区域和 EELS 的光谱图像。您应该会看到从上到下的扫描以及生成的光谱图像。最后，您将看到捕获的 HAADF 图像。

采集完成后，右键单击应位于右下方面板中的 HAADF 图像。选择删除数据项“Spectrum Image (HAADF)”。我们不会在本教程中使用这些数据。

单击带有名为“Spectrum Image (uSim EELS Camera)”的光谱图像的面板。然后按“p”。这会将拾取区域附加到光谱图像，并在新的线图显示中显示拾取区域内的光谱总和。您可以拖动显示间隔来更改光谱图像上显示的能量范围。您还可以缩放或检查 EELS 光谱中的数据。

接下来右键单击光谱图像并选择删除数据项“Spectrum Image (uSim EELS Camera)”。这将删除光谱图像和相关的拾取线图。

现在右键单击一个空的显示面板并选择uSim Ronchigram Camera。按播放。

接下来打开模拟器控制面板Window > Simulator Control。在模拟器面板中，您可以更改会影响 Ronchigram 的各种参数。尝试将C23 X更改为 500 nm。

去做：

• 4D STEM（使用 Ronchigram 和图像的光谱成像）

• 更改样本类型（模拟器控制顶部）

• 更改 EELS 色散（在 Simulator Control 中将 eV/ch 设置为 10）

• 在 EELS 数据中查找边缘（查看 1200 - 1300 eV 范围）

• 背景移除（如果安装了 EELS 分析）

• 扫描和副扫描，旋转

• 具有漂移校正的光谱成像

• 多班 EELS 获取

• 多采集

• 多采集 SI

• 带遮罩的 4D STEM

• 线扫描

更多信息

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