电镜实验室环境对电镜的影响系列（六）：低频振动环境改善

编者寄语：

这个系列的电镜安装环境系列图文及建议，来自于十几年电镜场地勘察和改造的实战经验，具有很高的参考价值；

场地对电镜表现关系重大，术业有专攻，电镜用户对场地把握往往力不从心，有心将场地责任“打包”交给电镜厂家，可惜的是电镜厂家并无专业场地勘察专家，只是简单将此关键任务交予安装售后“负责”，造成了管理上的严重疏失，还给部分利欲熏心的厂家高管以可趁之机，不懂装懂，以次充好，给国家拨款造成重大损失，给科研事业带来严重影响；这样的实例在国内，特别是在国内，笔笔皆是；

工作室建议“让专业的人做专业的事”，电镜安装场地勘察和改造，不管是用户还是厂家，都要下定决心交给专业的公司和人员的参与和操作，并设立严谨的监理机制，和明确的追责体系，杜绝不良从业公司和人员滥竽充数，防止设备损失；

同时工作室也强烈建议，电镜用户和厂家相关人员需要躬身入局，学习提升对电镜安装场地的认知水平，让宝贵的国家和企业资金发挥到其应有的作用。

正文：

《外部振动对电子显微镜的影响及处理》一文第一稿于2010年1月完成，本篇主要内容来自该文。以前从未署名投稿，本次做了一些补充修改，第一次署名。还是怕产生误解，再说明一下吧。

首先我们来探讨一下低频振动的形成原因。

在室外，如马路上、室外篮球场、操场等环境本人都曾经尝试过检测低频振动并试图发现是否存在共性。遗憾的是，从0到125赫兹频率范围内，1/3倍频程测试的包络线来看，不同的地方基本没有共性，所以结论是：这些室外环境的低频振动主要由环境物理振动产生，包括潮汐海浪、江河水流、远处的机械施工、甚至可能还有地球的物理震动等等。低频振动频率低、波长长，所以可以传递到很远地方而衰减不多。

那么，建筑物内的低频振动是不是也是这个原因呢？

大量的实测数据却显示建筑物内的低频振动主要不是由某处（不管是不是在同一建筑物内）传递过来的，而是主要由建筑物自身谐振造成的。

一开始我自己也怀疑这个观点是否正确，带着疑问又继续收集归纳和总结了一百多个场地测试数据，最后发现还是只有用“建筑物自身谐振”来解释低频振动才能解释得通。

实例1：

多次开/关近旁的小型振动源，发现对测试结果基本没有影响，相信是牛顿第二定律的效果：振动源功率太小，无法撼动数千吨的建筑、不能引发谐振。

实例2：

（实际上这不是某一次测试，许多次的测试都是同样结论，为叙述方便，都归纳到一个实例中）：

本人曾经在苏州某半导体公司厂房内（二楼，该厂房结构粗大，相当结实）做对比测试：分别在柱边、墙边、梁边和房间正中央（该室约六十平方米，接近正方形）测试振动，结果惊讶地发现：基本相同！后来在不同城市不同楼房测试，情况都是这样！

实测数据推翻了之前我以为房间中间振动会比其它地方大的错误认识，并且进而得出“低频微振是整个楼房的谐振”这一推论。在所谓“条式楼”的测试中也多次发现沿楼房长轴方向的水平振动，明显会比短轴方向小；

实例3：

在某大学一楼（无地下室）、二楼、四楼、六楼和八楼的测试中发现，楼层越高振大；

结论：

多次测试结果一再证明，低频振动主要是由该建筑的谐振造成。中国的工民建规范基本一致（层高、进深、开间、梁柱截面、墙、地梁、筏板，等等），虽然有差别，但是不大，特别是对于低频谐振来说，大致可以找到共性。

建筑物振动一般来说有如下规律：

1.建筑平面形状为条式和点式的建筑，其低频谐振都比较大；其它如工字型、王字形、L形、八字形、H形、口字型、日字形等等低频谐振都较小；

2.最常见的条式楼里沿长轴方向的振动往往明显比短轴方向小；

3.同一建筑内，没有地下室的一楼振动最小，楼层高越高振动越差，有地下室的一楼振动与二楼接近，地下室最下层振动最小；

4.垂直方向的振动比水平方向大且与所在楼层无关；

5.楼板越厚，则振动的垂直方向与水平方向相差越小（我曾经多次从测试数据成功推测出楼板厚度），绝大多数情况下振动的垂直方向比水平方向大；

6.除非有某个大型振动源，同一层建筑的振动都基本相同，无论是房间中间，或者是靠近墙边、靠近柱子、横梁上方等各处，都基本一样（注意，即便在同一位置不动、间隔几分钟再测试，极可能数值都是不一样的）。

好了，既然我们现在知道了低频振动的来源和特点，那就可以有针对性的采取改进措施和提前预估某环境的振动情况啦。

由于改善低频振动成本较高，有时受环境条件限制，某些方法完全不能应用（参见下面的讨论），所以实际工作中，经常是选择/更换较好场地做电镜实验室来得事半功倍。

下面就来讨论低频振动的影响和解决方案。

20Hz以下的低频振动对电子显微镜的干扰影响很大，参见以下两图。

图一 

图二

图一与图二是由同一台扫描电镜拍摄的高分辨图像（均为300kx）。但是因为存在振动干扰，图一的水平方向（分段）有明显的毛刺，并且图像的清晰度和分辨率大大下降。图二为消除了振动干扰后得到同一样品的图像。

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-Vibration Foundation）、被动式减震器(Passive-Vibration Isolation Platform)、主动式减震器(Active-Vibration Isolation Platform)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图三。

  图三

质量在50吨左右的混凝土减震台，其减振效果一般可以达到2Hz以上约-2～-10dB。混凝土减震台的质量越大减振性越好，条件允许的情况下应尽可能大些。

经多地多次实测，小于5吨的减震台在1～10Hz低频段内有谐振，反而增大了振动；小于20吨的基本无效，能够起到减振效果的须大于30吨，暂无30～40吨的数据，尽量不要低于50吨；北京某大学一两百吨减震台效果良好；重庆某研究所，地面混凝土直接做在巨大山石上，振动极小。

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。

只有磁力减震器的低频效果尚可，但是其性能还是远不如主动式减震器（与混凝土减震台的减振效果相近）。图四是几种减震方式的效果比较。  

图四 几种减震方式的振动传输特性比较

仔细观察图四，我们有以下结论：

1．碳素钢弹簧的谐振频率（f_h）大约为50Hz，在70Hz以下的低频段不但没有减震效果，反而由于谐振而加大了震动。橡胶垫的f_h大约为25Hz，在35Hz以下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5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_h大约在15Hz左右，在25 Hz以上有较好的减震性，在40 Hz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20 Hz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）。

在做低频减震处理时，以上几种减震方式一般不考虑选用。

4．磁力减震器低频减震效果尚可，要求不高的情况下可以选用。

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1 Hz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20 Hz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20 Hz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。

图五

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六。

图六

主动式减震器一般常用的有压电陶瓷式、空气式、电磁式等。它们的区别主要是执行机构不同，而三维探测器和PID控制器基本都大同小异。

压电陶瓷式主动式减震器：

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。

空气式主动式减震器：

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。

电磁式主动式减震器：

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（实测过许多号称可以达到-38dB的，但是，只能说：抱歉）。

不同形式的主动式减震器价格亦有较大的差异。各种减震器一般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。

图七是减震沟有效的情形。 

图七

图八是减震沟无效的情形。 

图八

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：