编者寄语:
啊,标题好像不太严谨,电镜实验室环境对电镜本身是没有什么影响的,影响的只是成像质量,影响的只是电镜能否呈现最佳性能。这不是废话,许多新用户都问过我,“振动超标?电镜这么精密的仪器,会不会震坏呀?”“磁场超标?电镜会不会磁化呀?对操作人员有没有影响呀?”某公司的扫描电镜和透射电镜,身历汶川地震(具体位置在绵阳)而毫无影响,地震后开机,一切正常。几个几十个毫高斯磁场既不会磁化电镜也不会影响操作人员健康(曾经查到过一个上海市暂行卫生标准,该标准认为,五高斯以下磁场是安全的,5个高斯!还远着呢)。跑题了跑题了,打住。
电子显微镜工作时,精细的电子束要在很高的真空环境中飞行0.7米(扫描电镜)到2米以上(透射电镜)。一路上,周边的磁场、脚下地面的振动、空气中有噪声还有气流,这些都会诱使电子束偏离我们期望它走的路径,直接致使成像质量变差,所以对于周边的环境就有一些特殊的要求(其它大多数仪器都是电子乖乖地在导体和半导体中流动,基本不会被周边环境干扰),以确保电子束能够规规矩矩,不乱跑乱动。
在本专题系列讨论中,DC特指频率在0.001~1Hz的准直流(即near DC,也有称为近直流的)电磁干扰,AC特指为以50Hz为基频、不超过五次谐波(250Hz)的交流电磁干扰。对电镜干扰大的不是均方根有效值,而是峰峰值(peak to peak,简写为p-p),以后不特别说明的都是峰峰值。比如3mG,就是峰峰值为3毫高斯(3mGauss p-p)的电磁干扰。为什么特地说明一下呢?因为各种手持式简易磁场测试仪显示的都是均方根有效值,测出的数值往往比我们相知道的峰峰值小许多(电源的高次谐波越严重,波峰因数就越高,实测中碰到过波峰因数超过10的情况)。
纯直流磁场只会使全部电子束稳定偏移相同角度、也就是只会使全部像素点稳定偏移相同的方向和距离,并不会影响成像质量;350Hz以上的高频AC(除非刻意制造,否则很难见到它们踪影)电磁干扰对成像质量影响极小,实际工作中可以忽略,所以我们后面就不讨论它们啦。
振动也是一个经常谈起的话题,低频微振是我们重点关注对象(很遗憾我们人类很难直接查觉。曾经不止一次有人在测试现场质疑我的测试结果,理由就是“我怎么没有感觉”)。干扰电镜的振动大多数不是由某振动源单一产生的(特殊情况时也会有关闭某一振动源后环境振动明显变化现象),多数情况下不能简单地依靠关闭振动源来解决振动问题,我们将在后面陆续展开的专题中分别讨论。
噪声声波(还有气流,就是空调吹出来的风啦)都会作用在镜筒上引发振动,对电镜成像质量的影响等同于振动。注意讨论振动时一定不能忽略频率,离开频率谈振幅,就是什么什么来着,呵呵。为什么又要特地说明一下呢?因为各种手持式简易噪声测试仪没有傅里叶变换,显示的数值参考意义不大(咳,还是说有点参考价值吧,怕抬杠)。
地线对电镜的影响往往超乎大多数人的想象。什么?一根地线有什么可大惊小怪的?哎哎,这也是电镜实验室环境的特殊性之一啦,我们在后面详细讨论吧。
对了,还有UPS。故弄玄虚吧?不就是个不间断电源嘛,这玩意儿现在到处都是,也有什么说道吗?不好意思,还真有,我们后面慢慢聊。
本专题系列中,我们主要想讨论以上几方面问题,没漏掉什么吧?好吧,出发!
正文:
电子显微镜是一种高精密仪器设备。电子显微镜能良好成像正常工作的必要条件除了电镜设备本身质量过硬之外,磁场震动声波独立地线房间设置等周边环境也是一个重要条件。但是环境因素往往是动态变化的,每天不同时刻、每周不同日期等,都会有所不同,所以可能被忽视。因为除了声波是可以感觉到的以外,磁场是看不见摸不着,低频震动(1~20Hz)也是人类难以觉察到的。但是因为这些环境因素造成成像质量差、图片分辨率和清晰度等问题,可能会误导我们查找原因的方向,或者产生无谓的纠纷。
中国电镜界一般把“site survey”翻译成:“场地测试”,这是不对的,还是称为“环境调查”比较贴切。“survey”的原意也并不仅限于“测试”和“测量”,还有“调查”和“整体调研”的意思。小小一个翻译偏差,造成工作方向大大不同。虽然环境调查中最主要的一环就是场地测试,但是不能用场地测试来代替环境调查。这不是咬文嚼字,真的是大有区别呢。
环境调查需要综合考察了解多项信息,需要全面考察场地周围具体情况,如周边及上下楼层输送和使用电力情况、楼房(厂房)结构、运输通道、电梯承重及开门大小、附近是否有产生较大振动的设备(可能是间歇工作)、安装中或即将安装(包括中远期规划)的设备、甚至周边区域的输电线给配电设施隧道地铁等环境干扰因素,然后进行综合性的考量。场地环境调查还包括对电镜及其配套设施设备的安装布局进行合理规划。如环境不达安装标准还需要和用户充分沟通后期可能出现的问题以及解决方案,包括整改所需投入的人力物力时间等资源。
电镜安装前的环境调查可以前瞻性地预先采取适当测试,减少以致避免周边环境的干扰;电镜安装后的环境调查可以协助判断图像质量不好的原因,缩小问题查找范围(环境是动态变化的,一段时间后变差是大概率事件)。
实例如武汉某电子公司所使用的电镜,因为用户没有按照要求配置独立底线,以及事先没有做好前瞻性的环境调查和场地规划,导致电镜没有专用的独立地线而只能使用公共地线代替。且由于变压器和UPS距离镜筒的距离过近,这些设备产生的AC磁场不能有效衰减至不影响成像的程度,后来的检测还发现周围环境(楼上附近区域有强电磁干扰源)也是磁场超标的重要原因之一,这些因素叠加致使电镜成像极差。由于用户对于安装环境的重要性没有足够的认知造成不理解和不认可,误认为是电镜厂家掩饰设备质量问题,原本很简单的技术问题升级为用户和厂商的纠纷。
环境对电子显微镜的干扰和影响,正日益受到各电镜厂商的重视。针对具体场地的需要,针对不同类型的干扰,采取不同的方法,选用性价比最优的解决方案,这些目前在技术上都已经相当成熟,各种配套解决方案也已经在大量实践中得到验证和确认。然而如何选择各种整改措施,还是依赖于对场地环境全面的调查了解。
场地环境调查实际上就是:借助专业技术人员,使用专用精密测试仪器,以不同品牌型号的设备安装要求为依据,用专业理论和实践经验,对电镜安装场地的现状及可预见的将来做出科学合理的解释和预判,尽量避免不必要的麻烦,取得事半功倍的效果。
(待续)