技术
随着EBSD技术的推广及更多需求的涌现，直接电子探测（DeD，Direct electron Detection）开始逐渐走入人们的视线。传统的间接电子探测（IeD，Indirect electron Detection），将电子撞击闪烁体（EBSD探测器前方的荧光屏）产生的光子，通过光学相机系统进行成像及传输的；而DeD则通过像素化的半导体图像传感器直接采集衍射花样。在IeD中，电光转换及感光成像过程中，会有一部分损耗；相比而言，某些电子计数器DeD系统可以提供‘单光子检测灵敏度’（即把单个电子当做离散粒子检测，信号完全没有系统噪声），这似乎意味着DeD系统将具有区别于现有所有IeD系统的信号灵敏度。但迄今为止，使用如Timepix和Timepix3等传感器搭建的DeD EBSD系统，并未能获得超越最灵敏的IeD EBSD系统（如Symmetry S3）的花样探测灵敏度。
我们已经详细介绍过了EBSD分析的灵敏度（见“光纤与灵敏度”页面），这里简要地回顾一下电子检测的物理本质，以便更好地理解高灵敏度IeD探测器（如Symmetry S3），与基于电子计数器的DeD探测器之间的灵敏度差异。所有的结果表明，与普遍观点相反，使用电子计数器的DeD探测器，不区分能量，会检测所有能量段的背散射电子。这直接导致DeD探测器对实际样品进行检测时，其灵敏度远不如理想值高，这也是为何迄今为止，DeD探测器并未能获得超越最灵敏的IeD系统（如Symmetry S3）的花样探测灵敏度。
所有EBSD分析，都需要首先从采集的EBSD花样中，将微弱的、低衬度衍射花样，从嘈杂的背底中区分出来。增加采集EBSD花样的电子剂量会提高信噪比（SNR），使衍射花样更易从背底噪声中区分开来。电子剂量增加到一定程度（检测限），SNR达到一定的阈值，那么就可以成功分析衍射花样。花样的解析策略也会影响检测限，使用离线的图像增强或花样相关性等方法的检测限，低于常用的实时、基于霍夫变换的标定方法。
在EBSD实验过程中，有大量背散射电子（BSE）轰击到EBSD探测器上，其中只有很小一部分电子形成了衍射花样，成为有效的信号。众所周知，这些衍射电子的能量，仅比入射电子能量E0[1]小约1-2 keV。剩下大部分BSE，平均能量较低，形成漫散的背底，对衍射花样没有贡献。如果探测了这些电子，它们只贡献了衍射花样的噪声，降低了整体的信噪比。因此，为了提高信噪比，有研究尝试在EBSD探测器中，仅提取某个能量段的电子来采集花样[2-4]。这里，我们将通过对EBSD花样中BSE的能量分布建模，分析不同类型探测器对不同能量的响应函数，来量化IeD和DeD的相对灵敏度。
下图是利用蒙特卡罗模拟[5]，对EBSD花样中BSE的能量分布P(E)建模的结果。入射电子束被样品散射后，轰击到EBSD探测器上，设能量为E，P(E)描述了背散射电子的能量分布概率。理论上讲，探测器上不同的位置也会影响能量的分布，但这个差异对本分析影响很小，因此这里仅考虑整个花样的平均能量值。
除此之外，所有能量为E的BSE中，发生衍射、贡献花样的部分[6]也可以估算出来，这部分为D(E)。衍射电子的确切能量分布仍然存在一些争议，但为了方便比较不同探测器类型对所有能量段背散射电子的响应，这里采用的D(E)近似值适用于强衍射和弱衍射样品。图中的红色曲线代表了发生衍射的电子的能量分布，主要集中在略低于入射电子能量值（这里为20 keV）范围内，图中的黑色曲线是所有BSE的能量分布，分布在整个能量段范围内。
贡献了衍射衬度的电子剂量，可以通过以下公式进行计算：入射电子剂量·P(E)·D(E)有效的信号在图中表示为红色曲线下的总面积。
在SEM电子束能量E0 = 20 keV条件下，蒙特卡罗模拟Si样品倾转70°时，背散射电子能量分布P(E)，P(E)·D(E)将用来计算SNR。
除此之外，探测器系统具有本征的散粒噪声，其与BSE电子总数相关，且服从泊松统计关系[7]。探测器的输入SNR，即为输入的有效信号与散粒噪声之间的比率。然而更重要的是，衍射花样自身的SNR，这主要取决于探测器对不同能量的电子的响应，即：探测器的能量响应函数。
[1] A. Winkelmann, T. Ben Britton, and G. Nolze (2019), “Constraints on the effective electron energy spectrum in backscatter Kikuchi diffraction.” Phys. Rev. B, vol. 99, no. 6, p. 064115.
[2] Abhishek Bhattacharyya, John A. Eades (2009), “Use of an Energy Filter to Improve Spatial Resolution of Electron Backscatter Diffraction.” Scanning, vol. 31, 114-121.
[3] US Patent US8890065B2: Apparatus and method for performing microdiffraction analysis
[4] Vespucci, S., Winkelmann, A., Naresh-Kumar, G., Mingard, K., Maneuski, D., Edwards, P., Day, A., O’Shea, V., Trager-Cowan, C. (2015). “Digital direct electron imaging of energy-filtered electron backscatter diffraction patterns.” Physical Review B 92, 205301
[5] X. Llovet and F. Salvat-Pujol (2016), “PENEPMA: a Monte Carlo programme for the simulation of X-ray emission in EPMA.” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 109, p. 012009.
[6] F. Ram and M. De Graef (2018), “Energy dependence of the spatial distribution of inelastically scattered electrons in backscatter electron diffraction” Phys. Rev. B, vol. 97, no. 13, pp. 1–5.
[7] L. Reimer (1998), Scanning Electron Microscopy, vol. 45. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
电子计数器DeD系统具有很高的电子增益，因此单个电子产生的信号远大于系统噪声。而且，它可以通过像素上的电子电路，快速区分信号和噪声（通过适当地设置低能阈值），在下一个电子到达之前，生成每个单电子事件的数字计数。虽然这能消除系统噪声，但是低能阈值意味着，包含衍射信号的高能电子和构成背底的低能电子无法区分。每个探测到的电子将具有相同的权重，因此电子对花样的有效贡献与所有BSE的能量分布相似（参见“EBSD电子能量分布”标签页的图），在下图中显示为黑色曲线：
对比用优化的IeD和EC-DeD传感器探测有效BSE能量分布谱图，谱图是关于入射电子能量的函数（已按纵坐标最大值归一化）。
间接电子探测器一般不适合对电子计数；它们输出的不是入射电子无噪声的数字计数，而是源于入射电子感生的总电荷的模拟积分，因此被称为电荷积分（CI）探测器。也有CI-DeD探测器，通常应用于透射电子显微镜，但对其在EBSD中的应用潜力研究有限[1]。CI探测器有系统噪声，但对于优化的高增益系统（例如Symmetry S3探测器）来说，除非极低的电子剂量，系统噪声影响不大。牛津仪器纳米分析应用笔记网页上的“高灵敏度EBSD检测器”对此进行了详细说明。
更重要的是， CI探测器的输出与入射电子的能量成正比（比例常数为电子增益，G）。这种线性关系意味着，CI探测器对带有高能电子的接收效率更高，如图中的红色曲线所示。已知大多数衍射电子的能量略低于入射电子能量，这就意味着，高增益电荷积分IeD探测器，将比单纯使用低能阈值的电子计数DeD探测器，对衍射电子具有更高的信噪比。
接下来，通过上述的模型，就可以定量计算，比较电子计数DeD和电荷积分IeD EBSD探测器各自的灵敏度了。当样品及实验条件一定时，探测器的灵敏度（SEC-DeD和SIeD）也是确定的，并具有以下关系：
SIeD / SEC-DeD = 1.4
这意味着，优化的高增益IeD（如Symmetry S2 EBSD探测器）的灵敏度，约为简单的低能阈值EC-DeD的1.4倍。
当然，在非常低的剂量（此时系统噪声的影响变大）和非常低的电压（此时荧光屏的光子产生效率下降）时， IeD的灵敏度优势将减弱。
[1] A. J. Wilkinson, G. Moldovan, T. B. Britton, A. Bewick, R. Clough, and A. I. Kirkland (2013), “Direct detection of electron backscatter diffraction patterns,” Phys. Rev. Lett., vol. 111, no. 6, pp. 1–5.
在讨论探测器技术时，有许多不同的术语，尤其是不同类型的直接电子探测器。此表将帮助您区分混合像素检测器和单片有源像素传感器！
CMOS：互补金属氧化物半导体，应用最广泛的传感器技术。
Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS)：单片有源像素传感器，基于CMOS技术。这种传感器每个有源像素上都有一个或多个放大器，传感器整个集成在一层Si上，像素尺寸相对较小，因此像素数量较多，但动态范围较低。
Hybrid Pixel Detector：混合像素检测器。这一类型检测器包括半导体传感器层和CMOS电路层，两部分通过凸点封装连接。其像素尺寸通常较大，限制了整体像素数量，但支持更高的动态范围。
Pixel Array Detector (PAD)：像素阵列检测器，同混合像素检测器。
Electron-Counting Direct Electron Detector (EC-DeD)：电子计数直接电子探测器，一种能够对单个电子进行计数的探测器，在以极低剂量成像时可过滤系统噪声。
Charge-Integrating (CI) Detectors：电荷积分探测器，一种在传感器上，对由入射电子产生的电荷，进行连续积分的探测器类型。最常见于高剂量应用，使用直接和间接电子探测器技术。
SNR：信噪比，输出的信号与噪声之间的比率，通常代表着传感器在特定条件下，对电子的响应性能。
Dynamic Range（DNR）：动态范围，指最大输出信号水平与最小放大时的本底噪声之间的比率。它决定了探测器可以解析的信号水平的数量。
Shot Noise：散粒噪声，也称为“泊松噪声”。这是由单电子离散性引起的信号波动，它会影响高信号水平下的信噪比。
Read Noise：读出噪声，传感器电子元件引起的噪声，这将确定传感器能够检测到的最低电子数，有时也被称为“系统噪声”。
Dark Noise：暗噪声，是传感器内部产生的电流，与探测电子无关。暗噪声高度依赖于工作温度，但通常在EBSD工作的短时间曝光中可以忽略。
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