張承青電鏡實驗室環境約稿[7]:談談電子顯微鏡的接地

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本期將分享張承青老師為大家整理的關於電鏡實驗室環境對電鏡的影響的系列約稿經驗分享，以下為系列之七，以饗讀者。（本文經授權發布,分享內容為作者個人觀點, 僅供讀者學習參考,不代表本網觀點）

系列之七 談談電子顯微鏡的接地

眾所周知電器設備都需要安全接地保護。各種設備的外殼或外露金屬部分，都要與大地直接連接，以保證在萬一短路漏電時，還能夠使外殼或外露金屬部分的電壓保持在人體能夠容忍的範圍內（我國現行規定安全電壓為不超過24V），以確保人身安全。

電子顯微鏡也不例外，同樣需要安全接地保護，萬一系統發生漏電時提供一個洩放迴路，確保操作人員或維修人員的人身安全。不過另外還有一個特殊的地方就是，電子顯微鏡的地線同時還是電子顯微鏡內各個分系統（如探測器、信號處理放大、電子束控制等等）的共同「零電位」端，必須保持電壓穩定在「零」。

理論上地線端是一個電壓為零的參照點，但是實際上，當地線迴路上存在電流時（這個電流通常稱為漏電流或接地電流，由各用電設備分別產生，其大小為各漏電電流的矢量和），在這個地線迴路上的任何一個接地端都有接地電壓存在（因為任何地線的接地電阻R儘管很小但不可能為零，根據歐姆定律V=IR，接地電壓V在漏電電流I不為零的情況下不會為0），儘管這個接地電壓很小以至於我們時常忽略它。但在電子顯微鏡系統裡，這個接地電壓使得「零電位」端的電壓不能穩定在「零」，這樣就會使得電子顯微鏡不能保持在最好的工作狀態下。

因為總漏電電流不可能為恆定值，所以接地電壓的大小是無規則變化的。即便是一般認為小到微不足道的接地電壓，對於經常需要把圖像放大幾萬到一百多萬倍的電子顯微鏡來說，所產生的影響也往往是不可忽視的。

接地電壓的變化，直接致使SEM模式的圖像垂直邊緣產生類似磁場和振動幹擾的毛刺，嚴重時還會使圖像抖動。

解決這個問題的方法很簡單，就是專門為電子顯微鏡設置一個單獨的接地迴路，我們稱之為「獨立地線（single earth loop）」。這樣就排除了同一供電迴路中其它用電設備的漏電流對電子顯微鏡的幹擾。注意，必須從接地體到接地線到接地端子都是獨立且不與任何導電體相連接的，這樣才能保證該地線的完全獨立。必須防止以下幾種常見錯誤：1）沒有埋設完全獨立的接地體，只是單獨布放一根地線聯接到公共接地體；2）雖然有單獨的接地體但是接地線或接地端子與公共地線或其它用電設備相聯接；3）儘量不要接「等電位端子盒」，那玩意兒一般都是接公共地線或者與輕鋼龍骨短接的；4）獨立地線儘量不要兩臺或更多的電鏡合用（有些有好幾臺電鏡的用戶，實在不情願給每個電鏡配一套獨立地線啊）；5）注意不可以利用現成地下金屬導體做獨立地線的接地體，像是大樓底梁閥板裡的鋼筋什麼的，那都是公用的；也不要借用弱電系統的接地體，那些都不可靠；6）與電鏡信號系統連接的設備（如波譜能譜計算機顯示器等，它們的地線必須與公共地線分離，這點實踐中經常被疏忽）。

電子顯微鏡對獨立地線的接地電阻要求實際不高，前些年某品牌要求是100歐姆以下即可。目前一般各家廠商都只是要求在1～10歐姆即可（小於0.1歐姆的地線成本急劇上升，並且有些土質環境很難做到）。

地線製作一般有「深井式」和「淺坑式」兩種（參見圖一和圖二）。注意無論那種方法，都要與地下任何金屬物保持四米以上直線距離以防幹擾。

深井式製作說明（供參考）：

1．鑽深孔：直徑約50～100毫米，深度約為3～20米，達到到潮溼土層即可。

2．接地體：銅管壁厚2毫米（銅棒亦可，多花些銀子就是）直徑約30毫米、長約0.5米，由接地線焊牢（三點以上）引出到電子顯微鏡附近。

3．接地線：4～10平方毫米橡膠或塑料多股銅芯線。

4．降阻劑：鹽、小塊木炭各約2～3公斤。

5．施工工藝：將接地體吊放到孔的底部，準備一細長工具（鋼筋、水管等），將逐漸放入的降阻劑由下而上地搗實，然後繼續回填搗緊，特別注意在接地體周圍一定要搗實搗緊，同時注意不要把接地線碰斷。

圖一  深井式示意圖

淺坑式製作說明（供參考）：

1．挖淺坑：深度約為0.5～2米，達到潮溼土層即可。

2．接地體：銅板約0.5×0.5米，厚度2～3毫米，由接地線焊牢（三點以上）引出到電子顯微鏡附近。

3．接地線：4～10平方毫米橡膠或塑料多股銅芯線。

4．降阻劑：鹽、小塊木炭各約2.5～5公斤。

5．施工工藝：將銅板垂直放到坑的底部，周圍先以降阻劑覆蓋，並搗實搗緊，然後繼續回填搗緊，注意不要把接地線碰斷。

 圖二  淺坑式示意圖

 「深井式」適合地面難以開挖或地下水位很深的某些地方。比較而言，「淺坑式」是更為常見的做法。無論是「深井式」或是「淺坑式」，按照此工藝施工，接地電阻都可以達到4～10歐姆（單接地體）。

接地線與接地體的連接如果不便焊接的話，也可以鑽孔用螺栓連接。注意必須用銅螺栓銅墊圈銅螺母，不要用哪怕是不鏽鋼的來代替。這不僅是防鏽，還是防止產生化學電勢、防止產生電腐蝕。

特別需要注意，板型接地體或者條帶型接地體必須垂直埋下及回填搗實，這很重要的哦!

在土壤電阻很大的地方，為降低接地阻抗，還可以將兩個以上的接地體連接起來構成一個小型接地系統，此時各接地體間距0.3～0.5米即可（深井式可以使用同一鑽孔）。

經實測，一般一個接地體接地電阻可達4歐姆左右，兩個個接地體接地電阻可達3歐姆左右，三個接地體接地電阻可達2歐姆左右，六到十個接地體接地電阻可達1歐姆以下（視土壤電阻率而定）。

因為不會有「跨步電壓」的危險,所以不需要參照防雷電格柵式地線網的做法。同時為減少附近地下其它導體的影響，這個小型接地系統也應儘量少佔用地下面積。

為防止意外短路，接地線進入室內後應直接與電子顯微鏡的接地線（或電子顯微鏡內部的地線匯流排）連接，而不要配置一般常見的地線盒或地線端子箱等，不要進入其它等電位端子箱或開關箱，不要與其它匯流排相連。

道理很簡單，說穿不值錢。不過因為地線屬於地下隱蔽工程，做好後很難判斷它的獨立性究竟好不好。曾經多次碰到磁場好，振動噪聲都沒問題，電鏡本身也是正常的，就是偏偏圖像有毛刺，最後臨時斷開所有接地線毛刺就大為改善，問題所在很清楚了吧。

還有市售UPS的接地制式，基本都是不符合單獨接地要求的。UPS主機一般共有八個樁頭、進出八根線，除兩個接電池組外，另有相零地三進三出。要知道：進來的地線樁頭在UPS主機內部是與輸出的地線樁頭完全相通的！UPS廠商工程師按照標準作業規範，把八個頭八根線一個一個接好，開機、正常、走人。可是說好的獨立地線呢？沒啦，在UPS的鼎力相助下，和公共地線網連起來了。嗚嗚！

怎麼辦？斷開就是，兩個都斷開？顯然不對。好，再問，（賣個關子）應該斷開哪一個？

臨時斷開地線時必須注意是斷開所有的接地線，包括附屬設備如能譜波譜拉伸臺等等，還包括插在牆上電源插座的顯示器，扒拉扒拉一堆呢。

包括三個爪子的電源插頭，可以拔的都拔掉。如果疏忽漏掉一個沒有斷開，後面都是做無用功。噢，不，算上誤導，就是做負功，不如不做。

還有一點需要注意，有時電鏡會有循環冷卻水箱、空壓機、UPS等一大堆附屬設備，這些設備也需要接地，但必須和電鏡的獨立地線分開（有些電鏡廠商有明確說明，有些沒有），可以使用另一個獨立地線，也可以接入公共地線。

真空泵由於是從電鏡取電（其開啟和停止由電鏡端控制），一般出廠配置就是用三芯電纜（相、零、地）與電鏡相連，曾有人畫蛇添足，再給它外殼接個地（說是保險一些），這個地線很自然就接到等電位端子箱、接到公共地線去了。哦噢，獨立地線又沒有啦！

有時圖像不好，排查電鏡自身原因後,地線就是最可疑的（磁場振動都可以測出來，地線的獨立性沒法測）。所以，提高對地線的認識，事先與用戶（可能還有用戶單位電務管理人員）有明確溝通，是很重要的。不幸也是最容易被疏忽的一個方面，唉。

2020.11

張承青

作者簡介

作者張承青，退休前在某電鏡公司工作多年，曾經做過約兩千個（次）電鏡環境調查、測試，參與多個電鏡實驗室設計及改造設計規劃，在低頻電磁環境改善和低頻振動改善等方面有些體會，迄今仍在這些方面繼續探索。

附1：張承青系列約稿互動貼連結（點擊留言，與張老師留言互動）：

 https://bbs.instrument.com.cn/topic/7655934_1

附2：張承青系列約稿發布回顧

擬定主題	發布時間	文章連結
序言   電鏡實驗室環境對電鏡的影響	2020年10月13日	連結
系列之一   電子顯微鏡實驗室環境調查的必要性	2020年10月15日	連結
系列之二   電鏡實驗室的電磁環境改善	2020年10月20日	連結
系列之三   低 頻   電 磁   屏 蔽   實 踐	2020年10月22日	連結
系列之四   主動式低頻消磁系統	2020年10月27日	連結
系列之五   幾種改善電磁環境方法比較	2020年10月29日	連結
系列之六   低頻振動環境改善	2020年11月3日	連結
系列之七   談談電子顯微鏡的接地	2020年11月5日	連結
系列之八   溫度溼度和風速噪聲	2020年11月11日	連結
……	……	……

附3：相關專家系列約稿

安徽大學林中清掃描電鏡系列約稿