場地環境對電鏡的這些影響,你真的知道嗎?

北京，一列地鐵4號線列車在13.5米深的地下呼嘯而過，而100米開外北京大學某學院的大樓裡，一臺電子顯微鏡內「仿佛颳起了一陣颶風」。

 

用肉眼看，似乎這臺電子顯微鏡的金屬鏡筒安安穩穩地靜立在桌子上，但在鏡筒內由於地鐵開過產生的震動和磁場影響，樣品相對電子束的位置已經悄然發生了變化。觀察顯示屏上的圖像，發現似乎長出了「毛刺」，原來纖毫畢現的納米級解析度圖像已變得模糊不清。

 

據了解，在北大校園內，因地鐵運行受到影響的精密儀器，遠不止這臺價值數百萬元的電子顯微鏡。4號線開通時，北大有價值11億元的精密儀器，其中4億元的儀器受到了影響。除了北大，清華大學、中國科學院、首都醫科大學等也都面臨過類似問題。

未受振動（左）和受到振動（右）影響的掃描電鏡圖像對比

現如今，大量的科學研究和高端工業分析都離不開精密儀器和設備，精密儀器被稱為是「科學研究的先行官、工業生產的倍增器」。

但越精密的儀器對場地環境的要求越嚴格，儀器在不符合要求的場地下運行導致無法獲得有用的實驗數據甚至出現運行異常，這已經不是新鮮事了。精密儀器在合格的場地環境下運行才能真正體現其價值，為科研工作提供助力。

 

電子顯微鏡是最重要的微觀觀測工具，解析度可達零點幾個納米，是非常精密的科學儀器設備，應用十分廣泛。而電子顯微鏡對於場地環境的要求主要是在震動、磁場和噪音等方面，這些指標在設備安裝前，都需要由廠家的工程師攜帶專業的場地量測工具前往客戶現場進行測量，判斷場地是否合格並給出測量報告。如果不合格，則必須更換場地或是對場地進行整改。

 

一臺超高分辨的掃描電子顯微鏡

此外，電子顯微鏡對於場地環境還有一些分析儀器通用的要求，例如實驗室的溫度和溼度（溫度過高、過低，或波動劇烈都會導致儀器運行異常）、獨立電源和獨立地線（這兩個是電幹擾的主要來源）等。

 

下面我們就把場地環境對電鏡可能產生的主要影響一一進行詳細說明，希望能夠幫助大家更好地理解並有效防範。

 

震動的影響

對於電鏡來說，外界震動會造成在電子束下落過程中，樣品相對電子束髮生位移，從而使得電子束轟擊位置出現錯位，電鏡圖像上會出現鋸齒或抖動。由於電子顯微鏡觀測倍率高，微小的震動也會影響使用。

 

由于震動影響，電鏡圖像上出現鋸齒

因此，電鏡都內置了減振裝置，使得鏡筒、樣品室不與地面硬性相連。根據減振方式的不同，減振裝置可以分為被動式減振和主動式減振兩種。主動式減振對於常見的低頻震動減除效果優於被動式減振，所以高端電子顯微鏡一般會配置主動減振。

如果外界震動過強，即使配置了減振裝置，也無法完全消除環境震動對於電鏡的影響。因此，在通常情況下，需要儘量符合以下條件以保證振動環境滿足安裝要求：

1. 實驗室設在沒有地下室或地下車庫的一樓；

2. 場地不靠近車流頻繁的馬路；

3. 附近沒有安裝類似拉伸試驗機等設備。

磁幹擾的影響

磁幹擾是指由電場、磁場及射頻等產生的輻射信號源，對儀器設備尤其是精度較高的儀器設備而言，會產生不利影響。

磁場產生的原因很多，手機的基站、實驗室內布線不合理的電線、不合適的照明燈、附近其它的大型設備，甚至運行中的電梯都會產生磁場幹擾，而這些都是我們要盡力避免的。

如果電子顯微鏡安裝在有強雜散磁場的環境中，電子束將被該磁場強制抖動，引起成像時異常的放大、收縮、扭曲、飄移或針狀噪聲。

因此，在電鏡設計中，為避免電源的幹擾，捕捉圖像的掃描模式與電源頻率同步，儘可能減小了同步磁場產生的幹擾。當有與電源頻率同步的雜散磁場（交流磁場）超標時，引起的幹擾通常表現為圖像的扭曲、膨脹或者收縮，如圖1。

 

圖1：圖像異常放大、收縮（左）圖像扭曲失真（右）     

當有與電源頻率不同步的雜散磁場（例如直流磁場）存在時，引起的幹擾通常表現為圖像的漂移或為針狀噪聲，如圖2。

 

圖2：幹擾的圖像（左）直流磁場的變化（右）     

 

磁場超標情況下拍攝的SEM圖像

地線的影響

精密的分析儀器基本都要求獨立地線，如果不接地線或者沒有獨立地線都有可能導致電幹擾，使得分析結果異常。對於電鏡而言，一般表現為圖像上出現毛刺。

 

未接地線對SEM圖像的影響

這裡有一個判斷幹擾類型的小竅門：

電幹擾和振動幹擾對圖像的影響極為相似，通常無法直觀分辨。但可以通過改變工作距離（WD）的方式來進行判斷，如果幹擾幅度跟隨工作距離變化而變化，則是振動幹擾，如果未發生不變化，則是電幹擾。

噪音的影響

超出儀器允許強度的噪音，無論是低頻或是高頻，聲波（空氣的擾動）都會對電子顯微鏡的電子鏡筒產生擾動，從而改變電子束位置，導致圖像的異常，影響設備使用。因此，如果測試環境附近有任何可能的聲源幹擾，均需要使用專門的設備測試噪音。如果噪音超標，則需要通過隔離或者降噪設備來消除噪音。

 

對於如電子顯微鏡類的高端精密儀器，場地環境造成的影響尤如「蝴蝶效應」。有學者認為，由於環境影響造成的巨大浪費，「花100萬美元買回來的儀器，只能當10萬美元的用」。

許多儀器的使用者並不知曉，場地環境會對儀器的使用和性能產生這麼大的影響。但是電子顯微鏡等精密儀器對於環境的敏感度是人體的成百上千倍，我們看不到、感受不到的事物也許正在影響、改變著我們，我們必須加以重視。