外部振动对电子显微镜的影响及处理.doc

外部振动对电子显微镜的影响及处理（节选）振动(Vibration),特别是20Hz以下的低频振动对电子显微镜（简称电镜）的干扰影响很大图一与图二是由同一台扫描电镜（SEM）拍摄的高分辨图像（均为30万倍）但是因为存在振动干扰，图二的水平方向有明显的毛刺，并且图像的清晰度和分辨率大大下降消除了振动干扰后得到同一样品的图像为图一各个电镜厂家，如中国的科仪（KYKY）、美国的FEI（无中文翻译）、德国的蔡司（Zeiss）以及日本的日本电子（Jeol）、日立（Hitachi）、岛津（Shimadzu）等，对于自己不同系列、不同型号的产品都分别设有不同的振动标准需要说明的是，一般的振动超标只是影响电镜实验（特别是高倍数实验）的结果，除非是极为强烈的振动（例如强烈地震等），超过标准的震动一般不会对电镜本身造成设备损坏如果测试结果表明准备安装电镜的场所振动超标，则必须采取适当措施，否则电镜厂家不能保证电镜安装后的性能可以达到最佳设计标准一般可以选择混凝土减震台（Anti-VibrationFoundation）、被动式减震器（Passive-VibrationIsolationPlatform）、主动式减震器（Active-VibrationIsolationPlatform）等几种方法来改善或解决。

混凝土减震台需要现场施工，且必须采取特殊方法（底部和周围有弹性软垫层等），一般的土建施工方法有可能反而增加低频（20Hz以下）振动施工中有大量土建材料进出难免影响周围环境混凝土减震台的示意图见混凝土减震台的质量越大减振性越好，经多次实测，小于10吨的减震台在1〜10Hz低频段内有谐振，反而增大了振动在被动式减震器中，一般常用的橡胶、钢弹簧、空气弹簧（汽缸）等方式的减震器因为它们在20Hz以下的低频段效果很差，甚至往往由于谐振反而加大了振动,所以不考虑采用只有磁力减震器（国产专利产品）的低频效果较好图四是几种减震方式的效果比较传输特性dB频率Hz图三几种减震方式的振动传输特性比较仔细观察图三，我们有以下结论：1•碳素钢弹簧的谐振频率（fh）大约为50Hz，在70Hz以下的低频段不但没h有减震效果，反而由于谐振而加大了震动橡胶垫的fh大约为25Hz，在35Hz以下h的低频段不但没有减震效果，反而由于谐振而加大了震动2. 小于10吨的混凝土减震台在10Hz以下有谐振，往往还不如不做3. 空气弹簧的f大约在15Hz左右，在25Hz以上有较好的减震性，在40Hzh以上有良好的减震性，所以被广泛应用于光学平台等精密仪器设备的减震。

但是它在20Hz以下同样有较大的谐振，所以不宜作为电镜减震的选项（有些电镜内部采用空气弹簧减震，相信那是不得已而为之）在设计低频减震时，以上几种减震方式一般不考虑选用4•磁力减震的fh大约在2Hz左右，且谐振峰低平，减震效果在常见的几种被动式中是较好的5•各种主动式减震器效果都是相当好的它们的谐振频率可以低到1Hz以下，2〜10Hz的减震效果可以达到-10〜-22dB，非常适用于对低频段减震要求较高的场合一般我们认为，对于电镜来说20Hz以下的低频振动影响大并且难以防范由于绝大多数人不能感受到20Hz以下的低频振动，所以经常发生明明有较大的低频振动，却因为感觉不到而误认为没有什么振动被动式减震器是利用减震设施的质量、固有振动传递特性等物理性能来达到隔阻和减弱外部振动对电镜的影响被动式减震器的工作原理可参考图五图四主动式减震器的工作原理与被动式相比有很大差异各种类型的主动式减震器工作原理基本相同，都是由一个三维探测器检测到三维方向（我们用直角坐标系的x、y、z来表示）传来的外部振动后，由PID控制器发出等幅反相的控制信号，再由执行机构产生等幅反相的内部振动来抵消（或减弱）外部振动的干扰主动式减震器的工作原理可参考图五。

图五主动式减震器一般常用的有压电陶瓷式（性能好价格昂贵）、空气式（目前国内电镜领域尚无成功的应用报告）、电磁式及电动机式等它们的区别主要是执行机构不同，而三维探测器和PID控制器都大同小异压电陶瓷式：利用压电陶瓷的晶体压电效应产生等幅反相的三维内部振动空气式：由PID控制器控制进（排）气阀，连续可控的压缩空气在特殊的汽缸内产生等幅反相的三维内部振动电磁式：PID控制器分接控制三组电磁铁产生等幅反相的三维内部振动主动式减震器的减振效果可以达到20Hz以上约-22〜-28dB不同形式的主动式减震器价格亦有较大的差异各种减震器最好在电镜就位安装之前准备好，与电镜同时安装另外在某些特定的条件下，减震沟也可以取得较好的减震效果图六是减震沟有效的情形减震沟h：振动源深度H：减震沟深度H±2hh：振动源深度H：减震沟深度H±2h振动源（包括基础）需要减振的设备d：振动源到减震沟的距离L：减震沟长度L>>d且减震沟有足够深度图六图七是减震沟无效的情形减震沟H：减震沟深度HW1.5hh：振动源深度H：减震沟深度HW1.5h图七一般来说，减震沟越深减振效果越好（减震沟宽度对减振效果影响不大）常见的几种减震方法对比参见下表：类型项目^碳素钢弹簧橡胶减震器混凝土减振台磁力减震器空气弹簧（汽缸）主动式减震器价格最低低中中高曰至昂贝减振性能1〜5Hz差差差中差较好5〜20Hz差差差中差良好20〜50Hz差中中中中良好>50Hz较好较好中较好良好良好安装调试难易程度易易难易中难能源消耗无无无无少量压缩气体>500瓦日常维护无无无无有有重量<150公斤<150公斤10〜200吨<100公斤<1吨（包括平板）<1.5吨（包括平板）夕卜观一体/分体一体/分体隐蔽地下分体分体+平板一体/分体+平板。