PyCCAPT：开源原子探针控制与数据校准的Python工具包——突破商业系统局限的创新解决方案

本文介绍开源Python工具包PyCCAPT，为原子探针断层扫描（APT）实验提供全流程控制与校准方案。通过模块化设计实现硬件兼容（如RoentDek/Surface Concept探测器）、实时控制（10-50 Hz刷新率）及高精度数据校准（MRP(0.5)达2401），解决了商业系统封闭架构导致的实验灵活性不足问题，为材料原子级表征研究开辟新路径。

　　

摘要

PyCCAPT作为首个基于Python的开源原子探针控制与校准工具包，突破了商业系统（如CAMECA LEAP系列）的封闭性限制。其核心价值在于提供从硬件控制（电压/激光脉冲）、实时数据采集（支持USB 3.0/PCIe接口）到三维重构的全流程透明化操作，尤其适用于需要定制化实验的场景。通过双比例控制算法（S_fup/S_fdown）实现10 Hz动态电压调节，结合迭代式飞行时间（TOF）校准方法，在钨样品测试中实现¹⁸⁴W⁺质量分辨率MRP(0.5)达2401，显著优于传统系统。

材料与方法

实验装置
研究采用两种定制化原子探针：

1. 电压脉冲（VP）系统：钛制真空腔体（氢本底<1×10^-10 mbar）搭配Surface Concept探测器
2. 激光脉冲（LP）系统：飞秒激光（1550 nm，12 fs，100 kHz）触发，RoentDek六阳极延迟线探测器（DLD）

数据采集创新
控制模块采用多进程架构，实现：

• 实时离子通量调控（PID算法）
• 电压动态补偿公式：V_s=S_f×(DR_t-DR_c)
• 延迟线信号（DLTS）原始数据解析，揭示18.3%事件存在信号丢失（Al数据集）

校准算法突破
提出分区拟合策略提升校准精度：

1. 电压校正：分段拟合TOF与电压关系（图4A-B）
2. 探测器曲面校正：9×9 mm网格分区优化飞行路径偏差（图4C-D）
   最终TOF校准公式：
   t_c=(t_obs-t₀)/(C_V(V)×C_B(x_det,y_det))

结果与讨论

性能验证

• 铝合金：Al⁺的MRP(0.5)=310（图6）
• 不锈钢：X14CrMoS17中Fe²⁺峰MRP(0.5)=263（图7）
• 钨：LP模式下达W⁺ MRP(0.5)=2401（图8），创开源系统纪录

探测器深度分析
通过DLTS解析发现：

1. 三延迟线系统（RoentDek）数据完整率达90.34%（W数据集）
2. 双延迟线系统（Surface Concept）存在15%有效事件因信号丢失被弃用（表1）
3. 氢离子信号丢失率最高（0.4 vs 0.043）

结论与展望

PyCCAPT填补了APT领域开源工具的空白，其模块化架构支持：

1. 反射式仪器适配（需扩展bowl校正算法）
2. 激光追踪功能开发
3. 与现有开源分析工具（如AP Suite）形成完整生态
   未来将通过优化文档和教程降低使用门槛，推动原子尺度材料研究的技术民主化。