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引言
隨著人類觀測與測量技術(shù)的進(jìn)步，目前*先進(jìn)的觀察與測量手段已經(jīng)前進(jìn)到了納米甚至亞納米時代。其中掃描電子顯微鏡（SEM）以其相對簡單靈活的操作方式和廣泛的附加探測手段，受到了各行各業(yè)的青睞。尤其是冷凍電鏡的發(fā)明，為生命科學(xué)帶來了全新的視角。
然而，隨著各種掃描電子顯微鏡能力的提升，其使用條件也相應(yīng)隨之改變。時至今日，如果想要使用好SEM，就需要特別考慮其運行環(huán)境的振動問題。
SEM 的工作原理
掃描電子顯微鏡是一類典型的單點測量設(shè)備?？梢哉J(rèn)為，它是電子探針（EPMA）設(shè)備的升級版本。它的基本原理主要有兩塊：1、將電子束進(jìn)行聚焦，以焦點位置與待測樣品進(jìn)行相互作用；2、通過移動載物臺（粗調(diào)）或偏移電子束（微調(diào)）的方式，對樣品進(jìn)行面成像。
相比電子探針，掃描電子顯微鏡的焦斑尺寸從前者的微米量級進(jìn)化到了納米甚至亞納米級別，這是掃描電子顯微鏡能夠提供納米尺度分辨率的直接原因。當(dāng)然這里也必須指出，到了納米和亞納米級別，掃描電鏡的分辨率已經(jīng)不能直接等于焦斑尺寸，本文不再贅述。
掃描電鏡配備不同用途的單點探測器，以收集電子束焦斑與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種信號，比如背散射電子BSE、二次電子SE、俄歇電子、X 射線到紅外光的光子。這些信號絕大多數(shù)都不包含二維空間信息，可以認(rèn)為是電子束作用區(qū)域的總和的信號。
為了達(dá)成納米尺度的分辨率，SEM 主要使用偏移電子束進(jìn)行面成像，也可聯(lián)合載物臺進(jìn)行圖像拼接。偏移電子束的*高精度一般在亞納米級別，而載物臺一般是由機(jī)械+壓電陶瓷驅(qū)動的，其運動精度視設(shè)備的分辨率從幾納米到幾百納米不等。
SEM 按安裝方式大致分為桌面式SEM 和大型SEM。按照電子槍的特性分為鎢燈絲電鏡和場發(fā)射電鏡，其中場發(fā)射電鏡又分為冷場發(fā)射電鏡和熱場發(fā)射電鏡。按照具體應(yīng)用特性，SEM 還可分為傳統(tǒng)電鏡、低電壓電鏡、冷凍電鏡等等。
SEM 抗振動理論簡述
日常環(huán)境下，我們周圍的環(huán)境有很多振動源。其總和振幅在微米到毫米級別。而一臺SEM 允許力回路產(chǎn)生的位移應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于其標(biāo)稱分辨率。因此一臺SEM 在設(shè)計初期就需要考慮抗振動的結(jié)構(gòu)。
一臺超高精密的儀器設(shè)備，對待振動一般有兩種處理手段：對于高頻振動，可以較為容易地控制振動的振幅到遠(yuǎn)小于納米的尺度；對于低頻振動，控制振幅相對比較困難，但可以通過提高回路剛度和重量的比例，使得儀器整體像海上的船一樣隨著振動上下起伏。但這兩種處理方法終將導(dǎo)致一個負(fù)面的結(jié)果，就是二者的過渡區(qū)段，一定會有一個振動頻率對設(shè)備具有*大的影響。這個頻率也可以稱為儀器設(shè)備的共振頻率。
通常設(shè)計者至少需要關(guān)注兩個回路（loop）：力回路Force loop 和測量回路Measure loop 的剛度。對于SEM 來說，力回路可以認(rèn)為是由電子槍——磁透鏡與載物臺上的物質(zhì)構(gòu)成的回路；測量回路可以認(rèn)為是探測器與信號發(fā)生位置構(gòu)成的回路。由于單點類探測器對納米級別晃動的不敏感，測量回路的精度可遠(yuǎn)低于力回路的精度，因此本文不再予以考慮。
SEM 安裝時一般會統(tǒng)籌考慮安裝點振動的情況。大型高端SEM，通常會自帶精密的氣浮減震裝置，并且采用一樓或地下室作為設(shè)備場地。此時150Hz 以上的振動通常不會超標(biāo)。桌面型的SEM 適用于靈活的試驗環(huán)境。雖然振動狀況不太受控，但由于一般的桌面型SEM 分辨率較低，掃描速度較快，相對而言可以忍受較為惡劣的振動環(huán)境。
SEM 為什么需要主動隔振光學(xué)平臺？
主動光學(xué)平臺主要是為了應(yīng)對150Hz 以下的超低頻振動。
150Hz 以上的振動，振幅相對小，傳播距離較近。通常由各種不同等級的氣浮平臺，以及挖地臺之類隔絕振動源的方式即可顯著降低。但150Hz 以下，特別是50Hz 以下的振動，上述方案效果很差。1-5Hz 的振動甚至可由振源處傳播超過幾十上百公里，例如機(jī)場、火車或者地鐵，可以有效影響整個城市。因此超低頻振動難以被隔絕和控制。雖然在同等振幅下，超低頻振動的加速度很小，但當(dāng)振幅達(dá)到一定量級的時候，人類早期的應(yīng)付振動的方法就顯得無力了。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)閉環(huán)的電子系統(tǒng)較為適合解決低頻振動的問題。主動隔振光學(xué)平臺由“探測——自適應(yīng)濾波——反饋預(yù)測算法——主動補(bǔ)償——探測”循環(huán)為基本原理設(shè)計。從主動補(bǔ)償方式上有三種技術(shù)路徑：直線電機(jī)法、靜電法和壓電法。三者補(bǔ)償幅度依次降低；可響應(yīng)頻率依次增高。
SEM 需要主動隔振平臺主要有兩種場景：
1) 大型SEM 場地補(bǔ)償。大型SEM 通常自帶精密氣浮裝置，且場地經(jīng)過選址和處理，通常高頻振動已經(jīng)無須處理。但大型SEM的共振點通常設(shè)置在1-10Hz，這一段振動超標(biāo)的幾率很大。大學(xué)和Fab 芯片工廠等用戶只能適度考慮設(shè)備選址，但通常其候選位置是極為有限的。因此共振點附近的振動超標(biāo)是經(jīng)常出現(xiàn)的。此時有且僅有主動隔振平臺能夠起到一定的作用，且主動隔振平臺并不能完全替代場地選址。
2) 桌面式SEM 因為應(yīng)用場景，遭遇過于惡劣的場地環(huán)境。桌面SEM 雖然對振動環(huán)境要求較低，但桌面SEM 的應(yīng)用場景是更加惡劣的。當(dāng)環(huán)境振動情況惡劣到一定程度，桌面式SEM同樣也需要氣浮平臺+主動隔振平臺的幫助以獲得正常工作的振動環(huán)境。
主動隔振光學(xué)平臺
北京卓立漢光儀器有限公司針對高精密測試設(shè)備提供桌面式隔振臺和主動隔振桌等主動隔振光學(xué)平臺。桌面式隔振臺包括Accurion i4 和Accurion Nano 系列，主動隔振桌包括Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列。
Accurion i4 系列
i4 是一種先進(jìn)的主動隔振臺，它可抵消敏感設(shè)備的不必要振動和其他干擾對高精度測量設(shè)備產(chǎn)生的影響。具有低剖面低碳設(shè)計、操作簡單、穩(wěn)定時間短、弱的低頻共振等特點。隔振從0.6Hz 開始，在10 Hz 時達(dá)到*佳效果，40 分貝，99%的振動被隔離。另外，低頻共振是主動減震臺和被動減震臺的*大區(qū)別，在低頻率震動中，被動隔震臺將會放大振動而不是隔離振動。隔震臺的工作不需要壓縮空氣，只需要供應(yīng)電源的插座。在六個自由度的方向上，i4 系列隔震臺都提供了主動補(bǔ)償，以實現(xiàn)隔震效果。
圖 Accurion i4 系列主動隔振臺
·六個自由度主動隔振
·無低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
·低至0.6Hz 開始主動隔振(>200Hz 被動隔振）
·只需0.3 秒的設(shè)置時間
·自動調(diào)節(jié)負(fù)載
·因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性
·接電即可，無需壓縮空氣
·真正的主動隔振：即時產(chǎn)生反作用力來抵消振動
·廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化
·適用于多種應(yīng)用的多功能隔離系統(tǒng)
Accurion Nano 系列
Nano 系列主動隔振臺的設(shè)計適用于小型和輕量的隔振應(yīng)用，例如用作原子力顯微鏡的隔振。該系統(tǒng)不需要任何負(fù)載調(diào)整，只需釋放運輸鎖就可以使用，用戶不需要進(jìn)一步的操作。設(shè)計簡單，價格實惠，此外，有一個較小的外部控制器，通過數(shù)據(jù)線連接到隔振臺，這樣設(shè)計的優(yōu)點是隔振臺本身不會產(chǎn)生熱量，因此不會對隔振儀器產(chǎn)生影響，這對于在隔音罩內(nèi)使用并且對熱敏感的應(yīng)用非常重要。
控制器遠(yuǎn)離被隔振的儀器，以消除控制器電子器件產(chǎn)生的潛在電磁干擾。
主動隔振臺有專門設(shè)計的焊接鋼架結(jié)構(gòu)承重桌，這是可選附件。承重桌具有很高的水平和垂直剛度，是主動隔振臺實現(xiàn)優(yōu)秀隔離性能的理想實驗桌。用戶可以根據(jù)實際需要，選取不同尺寸的承重桌。
圖 Nano 系列主動隔振臺
·六個自由度主動隔振
·無低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
·低至0.7Hz 開始主動隔振(>200Hz 被動隔振）
·接電即可，無需壓縮空氣
·簡單操作，無需負(fù)載調(diào)整
·只需0.3 秒的設(shè)置時間
·小型、輕量、超精確需求的理想解決方案。
·主動隔振桌采用高強(qiáng)度材料和堅固的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性
·外部控制單元
Workstation_i4 和Workstation_Vario 系列
Workstation_i4 設(shè)計用于與光學(xué)顯微鏡或顯微鏡/SPM 組合一起使用。 隔離表面由防刮MDF 板包圍，方便扶手或作為存儲區(qū)域。根據(jù)客戶要求，三個i4 版本中的任何一個都可以集成到工作站中。
Workstation_Vario 系統(tǒng)配有鋼框架嵌入式光學(xué)實驗板作為工作桌面。具有擴(kuò)展性，周邊框架可用于隔音罩的安裝。與Workstation_i4 相比，這些版本適用于更大、更重的應(yīng)用程序。
·六個自由度主動隔振
·無低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
·自動調(diào)節(jié)負(fù)載和運輸鎖定
·只需0.3 秒的設(shè)置時間
·接電即可，無需壓縮空氣
·符合人體工學(xué)的座椅
·因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性
·廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化
相關(guān)應(yīng)用
SEM 通過掃描物樣表面并檢測從樣品表面反射回來的電子來獲取樣品的形貌信息，并利用其高分辨率和高放大倍數(shù)能夠提供關(guān)于樣品的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的信息，可以被應(yīng)用于很多領(lǐng)域：
（1）材料科學(xué)
金屬材料方面，SEM 可以用于分析金屬的晶體形貌、結(jié)構(gòu)和尺寸分布，從而幫助優(yōu)化材料的性能。另外，SEM 還可以用于研究陶瓷材料、聚合物材料以及復(fù)合材料等其他材料的形貌和結(jié)構(gòu)。
SEM 在金屬失效分析中的應(yīng)用（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
（2）生物學(xué)
SEM 可以用于觀察生物樣品的微觀形貌，例如細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)菌、病毒等。利用SEM 的高分辨率和快速成像功能，研究者可以獲得樣品的真實形貌，并進(jìn)一步了解生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。例如，可以利用SEM 觀察細(xì)胞表面微結(jié)構(gòu)的變化、細(xì)胞分裂過程中的細(xì)胞形態(tài)變化等。
SEM 深入觀察生物樣品微觀結(jié)構(gòu)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
（3）地質(zhì)領(lǐng)域
SEM 可以用于分析巖石和礦物的形貌、組成以及微觀結(jié)構(gòu)，從而幫助研究者了解地質(zhì)樣品的成因和演化歷史。此外，SEM 還可以用于進(jìn)行環(huán)境和污染監(jiān)測，例如觀察和分析大氣顆粒物、土壤微觀結(jié)構(gòu)以及水樣中的微生物等。
SEM 用于地質(zhì)樣品觀察（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
（4）納米科學(xué)
在納米科學(xué)和納米技術(shù)研究中，SEM 被廣泛用于觀察和研究納米材料的表面形貌、尺寸分布以及形貌與性能之間的關(guān)系。通過SEM 的成像功能，可以觀察到納米材料的納米顆粒、納米管、納米片等納米結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸，并進(jìn)一步了解納米材料的特殊性能。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
總 結(jié)
北京卓立漢光儀器有限公司推出的主動隔振光學(xué)平臺能提供高穩(wěn)定性環(huán)境，對于掃描電子顯微鏡等高精度光學(xué)儀器的使用至關(guān)重要，為廣大科研工作者的科學(xué)研究帶來強(qiáng)有力穩(wěn)定性支撐。
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