Camere Serie DE – Camere a rilevazione diretta

da Direct Electron

Le camere Serie DE di Direct Electron offrono un eccezionale rapporto segnale-rumore, alta sensibilità ed elevato frame rate grazie alla tecnologia basata sul rivoluzionario sensore Direct Detection Device (DDD®), premiato nel 2010 con il "Microscopy Today Innovation Award".

La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) è una tecnica potente e diffusa impiegata per l’osservazione di campioni con risoluzione dell’ordine del nanometro o dell’Angstrom. Tuttavia, le prestazioni di questa tecnica sono legate a molteplici fattori tra i quali, uno dei più limitanti specialmente in applicazioni di imaging in regime di basso dosaggio, quello dovuto allo scattering degli elettroni. Oltre a questo, comunque, altri fattori influiscono sulla risoluzione e sul rapporto segnale/rumore delle immagini TEM tra cui la strumentazione stessa, gli effetti di carica e di danno per radiazione del campione, effetti di drift del campione indotti dal fascio elettronico o dallo stage e soprattutto l’impiego di una camera a rilevazione diretta non efficiente. Alcuni di questi fattori sono controllabili dall’operatore ma il risultato finale dell’immagine dipenderà in gran parte dal detector impiegato. Con lo scopo di abbattere queste limitazioni ed in particolare quelle dovute alla bassa efficienza dei tradizionali CCD con scintillatore, Direct Electron ha sviluppato una nuova tipologia di camere TEM. Questo rivoluzionario detector a rilevazione diretta, Direct Detection Device (DDD®), è stato vincitore del premio 2010 Microscopy Today Innovation Award. 

Principio dei sensori Direct Detection Device (DDD®) 

Le tradizionali camere per applicazioni TEM fanno uso di uno scintillatore per la conversione degli elettroni primari in fotoni prima che questi possano essere rilevati dal sensore. Le camere a "rilevazione diretta" di DE (Direct Detection Device, DDD) si basano su un concetto completamente nuovo. Gli elettroni primari sono rilevati direttamente dal sensore senza che sia necessario l’impiego di uno scintillatore intermedio con il risultato di una migliore risoluzione ed un maggiore rapporto segnale-rumore. Proprio l’elevata sensibilità rende i DDDs particolarmente adatti in situazioni in cui la natura del campione od i requisiti sperimentali limitano la dose elettronica che può essere utilizzata. Alla base delle elevate prestazioni dei detector a "rilevazione diretta" di DE si trova l’impiego di un sottile strato sensibile nel quale gli elettroni del fascio incidente che lo attraversano generano una ionizzazione. L’elevata sensibilità delle camere DE è tale da permette di rilevare e “conteggiare” i singoli elettroni. In “counting mode” ciascun elettrone incidente può essere rilevato, isolato e conteggiato dal detector. In alternativa, in “integration mode”, tutto il segnale generato dagli elettroni incidenti sarà utilizzato per costruire l’immagine. Il sottile spessore dello strato sensibile minimizza inoltre la dispersione di carica in direzione laterale (effetto di blooming) all’interno del sensore, permettendo alle camere DE di ottenere una superiore risoluzione di immagine rispetto alle camere convenzionali. L’assenza di elementi quali lo scintillatore ed il fiber-optic plate (FOP), causa tipicamente di distorsione nel trasferimento di segnale ottico, migliora ancor di più la qualità di immagine ottenibile dalle camere TEM di DE. Ulteriore caratteristica che contraddistingue le camere Direct Electron è l’elevato frame rate. La possibilità di acquisizione dati ad elevata velocità rende infatti le camere DE la soluzione ideale per applicazioni che richiedono elevata risoluzione temporale, come ad esempio gli esperimenti TEM in-situ. 

Modalità di integrazione e di conteggio per i sensori Direct Detection Device (DDD®) 

L’alto frame rate e l’elevata sensibilità al singolo elettrone permettono ai sensori DDD® di operare in due differenti modalità:
  • Integrating Mode: in questa modalità tutto il segnale generato dagli elettroni incidenti sarà utilizzato per costruire l’immagine. L’Integrating Mode è la modalità più impiegata di operare in quanto molto versatile e veloce.
  • Counting Mode: questa modalità permette di ottenere le massime prestazioni possibili dalla camera ma è efficace solo per applicazioni a dosaggio molto basso. Ciascun elettrone incidente può essere rilevato, isolato e conteggiato dal detector.
Entrambe le modalità di acquisizione sono disponibili su tutte le camere TEM Serie DE.

Prestazioni delle camere Serie DE

Le prestazioni delle camere possono essere valutate sulla base delle seguenti metodologie di calcolo o sperimentali:

  • Calcolo del Modulation Transfer Function (MTF)
  • Calcolo della Detective Quantum Efficiency (DQE)
  • Tramite immagini di Thon rings generati da film di Carbonio
  • Tramite risultati sperimentali reali
Direct DetectorDirect Electron
Pixel Size (µm)6.0 - 6.5
Array SizeFino a 8192 x 8192
Pixel Design>3T (CDS per la riduzione del rumore)
Frame ShutterGlobal o rolling
Backthinned
Resistenza alle radiazioniEccellente
Esposizione ottimalePrestazioni costanti per qualsiasi esposizione
Range dinamico> 400 e-/pixel/s
Frame RateFlessibile; Fino a 30 fps in full frame; >1000 fps con subarray
Survey CameraIntegrata, quasi in asse, con sensore da 2k x 2k con scintillatore
Exposure MeasurementPiastra di Faraday integrata sopra al sensore per la misura di densità di correte del fascio (exposure) 
Shutter di protezione del sensoreSi, integrato per prevenire esposizione indesiderata del sensore
Design retrattileSi, meccanico completamente retrattile senza O-Rings scorrevoli
O-Rings scorrevoliNo, vacuum spikes minimizzati durante le operazioni di inserimento/retrazione 
Tipo di installazioneSu film chamber di TEM JEOL; In asse sulla porta inferiore del TEM
Fattore di magnificazioneSu film chamber di TEM JEOL: 1.0x; In asse sulla porta inferiore del TEM: ~1.4x
Software di acquisizione datiModello Client-Server con opzioni multiple:
Micro-Manager (open-source); DE-IM (full-optional); DE-StreamPix (in situ); API aperta per l’integrazione in software custom.
Software di elaborazione dei filmati Flessibile e open-source; algoritmi brevettati

Camere Serie DE con sensori Direct Detection Device (DDD®) attualmente disponibili:

CameraDE-12DE-20DE-16DE-64
Generazione DDD 891010
Pixel Size (μm)6.06.46.46.4
Array Size (Pixels)4096x30725120x38404096x40968192x8192
Megapixels12.619.716.867.1
Massimo Frame Rate in Full Frame40 fps (bin 1x)
75 fps (bin 2x)
32 fps60 fps (bin 1x)
120 fps (bin 2x)
30 fps
Survey cameraNo2k x 2k2k x 2k2k x 2k
Applicazioni tipicheApplicazioni generiche con impiego di camera a rilevazione diretta economica Cryo-EM; DTEM;
microscopia elettronica a basso dosaggio 
Applicazioni TEM in-situ: Scienza dei Materiali Cryo-EM; applicazioni TEM ad alto rendimento

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