Оглавление

# Первичная обработка экспериментального электронографического материала

Один из начальных этапов любого электронографического исследования - первичная обработка экспериментального материала. По крайней мере, структурный анализ невозможен до первичной обработки. В зависимости от методики, основные этапы первичной обработки и их очередность могут различаться. Например, если применяется "сканерная" методика, то в общем случае выполняются такие действия:

1. Калибровка сканера.
2. Сканирование электронограмм.
3. Извлечение кривых интенсивности стандарта из сканированного изображения дифракционной картины.
4. Оценка длины волны электронов по газовому или кристаллическому стандарту.
5. Извлечение кривых интенсивности исследуемого вещества из изображений дифракционных картин.

Ниже рассмотрены основные процедуры первичной обработки.

## Сканирование

Сканирование электронограмм - важный этап первичной обработки. Перед процессом сканирования электронограмм нужно прокалибровать сканер. А перед тем как прокалибровать сканер, нужно решить в каких режимах будут проходить сканирования. Соответственно в каждом из этих режимов нужно калибровать сканер. Общие рекомендации по выбору режимов сканирования:

1. Разрядность сканируемых изображений может быть как 8 так и 16.
2. Значения контраста и яркости можно выставить в положения 0-0.
3. Рекомендуется выключить всякие опции коррекции, подавления шумов и т.д., то есть желательно сканировать картинку "как есть".

Сохранять сканированное изображение нужно в формате TIFF в несжатом виде.

## Калибровка

Калибровка сканера в узком понимании - это процесс, когда находится соотношение между истинными плотностями почернений и теми, которые выдает сканер в сером режиме (для электронографических целей). На самом деле сканер дает пропускания, которые могут быть пересчитанны в плотности почернений. В более широком смысле калибровка - это полная проверка всех характеристик сканера как фотометрирующего устройства.
В первую очередь нужно получить калибровочную кривую. Для этого в требуемом режиме сканируется фотометрический клин (рис. 1). Далее файл с изображением клина обрабатывается программой UNEX с помощью команды WEDGE. Вообще, команда WEDGE, в зависимости от режима использования, может применяться как для калибровки, так и для ввода в программу уже готовой калибровочной кривой. Команда WEDGE выглядит по разному в зависимости от требуемого режима процесса калибровки: автоматического или ручного.
Рис. 1: Пример фотометрического клина.
Пример использования команды WEDGE для калибровки в автоматическом режиме:

    WEDGE=AUTO,wed8.tif,0.05,0.20,0.33,0.46,0.61

В автоматическом режиме пользователь вводит полное имя графического файла (в формате TIFF) с изображением фотометрического клина и истинные значения плотностей почернения тех областей, которые есть на изображении клина. Программа сама пытается найти эти области и обработать их. Для того, чтобы программа смогла использовать графический файл (здесь в примере - wed8.tif), он должен быть задекларирован в поле BASE при помощи ключа picfiles.
Пример использования команды WEDGE для калибровки в ручном режиме:

    WEDGE=MANUAL,wedge8.tif,<WED>,</WED>

Здесь в команде уже фигурирует не только имя файла, но и теги специального поля, в котором указана информация относительно расположения областей на клине. Это поле в общем случае состоит из строк, каждая из которых передает информацию о какой-то конкретной области на клине, отвечающей определенному истинному значению почернения. Вот пример такого поля:

    <WED>
    0.05 24   130   44   10   4    10   4    270   44   270
    0.20 83   130  103   10  63    10  63    270  103   270
    0.33 142  130  162   10  122   10  122   270  162   270
    0.46 202  130  222   10  182   10  182   270  222   270
    0.61 261  130  281   10  241   10  241   256  281   256
    0.77 320  130  340   10  300   10  300   270  340   270
    0.92 380  130  400   10  360   10  360   270  400   270
    1.06 437  130  457   10  417   10  417   270  457   270
    1.19 496  130  516   10  476   10  476   270  516   270
    1.33 555  130  575   10  535   10  535   270  575   270
    1.48 615  130  635   10  595   10  595   270  635   270
    1.63 673  130  693   10  653   10  653   270  693   270
    1.77 733  130  753   10  713   10  713   270  753   270
    1.93 793  130  813   10  773   10  773   270  813   270
    2.07 851  130  871   10  831   10  831   270  871   270
    2.20 910  130  930   10  890   10  890   270  930   270
    2.36 965  130  985   10  945   10  945   270  985   270
    </WED>

Каждая строка описывает четырехугольную область, соответствующую области клина с каким-либо плотностью почернения, отличной от других областей. Здесь в каждой строке слева направо указаны следующие числа:

1. Истинное значение плотности почернения области.
2. Приблизительные координаты x,y (в пикселях) центра области.
3. Приблизительные координаты x,y (в пикселях) правого верхнего угла.
4. Приблизительные координаты x,y (в пикселях) левого верхнего угла.
5. Приблизительные координаты x,y (в пикселях) левого нижнего угла.
6. Приблизительные координаты x,y (в пикселях) правого нижнего угла.

Начало системы координат - верхний левый угол изображения. Ось абсцисс идет по горизонтали, ось ординат - по вертикали.
Можно указывать только приблизительные центры каждой области и не указывать координаты углов. Тогда поле будет выглядеть так:

    <WED>
    0.05 24   130
    0.20 83   130
    0.33 142  130
    0.46 202  130
    0.61 261  130
    0.77 320  130
    0.92 380  130
    1.06 437  130
    1.19 496  130
    1.33 555  130
    1.48 615  130
    1.63 673  130
    1.77 733  130
    1.93 793  130
    2.07 851  130
    2.20 910  130
    2.36 965  130
    </WED>

Напоминаю, что здесь приведены цифры только в качестве примера. Они могут быть другими, в зависимости от формы клина, разрешения изображения, расположения при сканировании и т.д.
Во время калибровки UNEX по умолчанию пытается "варьировать" формы и расположение областей, соответствующим определенным значениям плотностей почернения. Иногда, при плохом качестве клина или плохом качастве сканирования, такая процедура может приводить к плохим результатам. Это можно проследить по формируемому во время работы программы файлу w_wedge.tif на котором изображены области с отброшенными дефектными точками. Отключить варьирование областей можно при помощи ключа MoveWedArea=no в поле BASE.
Для целей калибровки графические файлы не обязаны иметь собственные поля во входящем файле как это заведено для молекул.
Второй важной составляющей калибровки сканера являются истинные значения продольного и поперечного разрешений сканера. Для этого в тестируемом режиме сканируются образцы пленок (пластинок,...) с нанесенными на них линиями точно известной длины. Линии должны располагаться строго вдоль или поперек хода каретки сканера. После сканирования, сравнивая количество пикселей занимаемых линией на изображении с ее истинной длиной, можно установить истинное разрешения сканера в данном направлении.

## Преобразование дифракционных картин в кривые интенсивности

Эта процедура - пожалуй самая главная в первичной обработке. Здесь будет идти речь о "сканерной" методике, которая подразумевает что носитель дифракционной картины для перевода в цифровой вид сканируется на обычном или Image Plate сканере. Для получения кривой интенсивности изображение дифракционной картины обрабатывается специальным образом. Основы данного метода изложены в работе [5].
Итак, для процесса трансформации дифракционной картины в обыкновенную кривую интенсивности, используется одна из разновидностей команды IMAGE. Но прежде чем использовать эту команду, раньше нужно выполнить некоторые действия:

1. ввести в программу калибровочную кривую с помощью команды WEDGE (см. соответствующий раздел)
2. ввести графические файлы (ключ picfiles в поле BASE) со своими собственными полями, содержащими важную для команды IMAGE информацию.

О том, какие вообще величины могут входить в поля изображений описано в разделе "Философия ввода базовой информации". Здесь на небольшом примере будет пояснено как правильно пользоваться некоторыми из них.
Пример поля файла изображения, используемого для извлечения кривой интенсивности:

    <f1.tif>
    Xc=548
    Yc=412
    XResolution=300.1
    YResolution=300.3
    NozToPlate=193.815
    IntRfr=12.5
    IntRto=50.0
    IntLambda=0.049824
    IntStep=0.125
    </f1.tif>

Что означает:

- Xc, Yc - стартовые значения координат центра дифракционной картины. В дальнейшем, программа, во время работы команды IMAGE=INTSCAN, будет уточнять эти величины.
- XResolution, YResolution - разрешения картинки в обоих направлениях. Эти числа - часть калибровки сканера. Для каждого из используемых режимов они узнаются на этапе калибровки сканера.
- NozToPlate - расстояние (в мм.) "сопло-пластинка" для этой дифракционной картины.
- IntRfr, IntRto - найменьшее и найбольшее расстояния до центра. Будет обрабатываться та часть изображения, которая находится в пределах этих величин.
- IntLambda - длина волны электронов для этой дифракционной картины. Если это стандарт, то можно указывать 0.05.
- IntStep - здесь это шаг по s, с которым будет извлечена кривая интенсивности.

Можно еще указывать значение вуали с помощью ключа fog. Также, с помощью ключей MinT, MaxT можно исключить слишком светлые и/или слишком темные точки.
По умолчанию, программа варьирует все параметры дифракционной картины: интенсивность, центр картины, центр сектора, несимметричный аддитивный фон, а также выбрасывает плохие точки. В некоторых ситуациях может понадобиться запрещение варьирования некоторых параметров. Для этого применяются ключи, которые задаются в поле соответствующего файла изображения: IntVarCentre, IntVarSecCentre, IntVarAsymBgl, IntExclBadPts.
После того как сформировано поле изображения, можно выполнять команду:

    IMAGE=INTSCAN,имя_файла,....

Имен файлов может быть много, все они последовательно будут обработаны. Полученная интенсивность будет записана в лог. В конце работы, могут создаваться три графических файла (TIFF формат): curve_[имя файла].tif (содержит картинку точек интенсивности), addbgl_[имя файла].tif (содержит несимметричный аддитивный фон и грубые выбросы) и weights_[имя файла].tif (содержит веса точек) . Запись этих файлов управляется ключами поля BASE: WriteAsymBglImg, WriteCurveImg и WriteWeightsImg.

## Оценка длин волн электронов и секторной функции по кривым интенсивности газовых стандартов

Работа с газовым стандартом (уточнение длины волны электронов и секторной функции с учетом аддитивного рассеяния) производится с помощью команды STANDART по методике, описанной в работе [6]. Поддерживается тетрахлористый углерод и бензол (ключ std в поле BASE).
Синтаксис:

    STANDART=i-j, ....

i-j - идентифицирует кривую интенсивности стандартного вещества (в соответствии с общепринятой схемой идентификации кривых по номеру категории (расстояние) и номеру кривой в этой категории).
Работа со стандартной интенсивностью состоит из трех частей:

1. Сканирование длины волны электронов для приблизительного установления ее значения.
2. Получение длины волны электронов в приближении независимости приведенного аддитивного рассеяния от обобщенной электронографической координаты s.
3. Учет аддитивного рассеяния, получение найлучшей длины волны электронов, оценка секторной функции.

Оценка приведенного аддитивного рассеяния и секторной функции производится с помощью метода найменьших квадратов. При этом нужно учитывать, что МНК производится сразу по всем интенсивностям и предполагается что секторная функция для всех интенсивностей одна. Таким образом, значение полученной длины волны электронов для конкретной кривой интенсивности будет зависеть от того, какой набор кривых присутствоват в команде STANDART. Т.е. результаты команд

    STANDART=1-1,1-2

и

    STANDART=1-1
    STANDART=1-2

будут в общем случае разными.
Используемые стандартные интенсивности должны обязательно содержать информацию о расстоянии сопло-пластинка и длине волны электронов при которой получена эта интенсивность. Эта информация указывается перед началом интенсивности в виде ключей Lam и NtoP. Т.е. например так:

    INT1 Lam=0.05 NtoP=200.0

Стандартные параметры для бензола взяты из работы [7].
Стандартные параметры для CCl4 взяты из работы [8].