2018年01月08日 | 扫描电子显微镜的新贵——智能电镜

本文作者：费宗莲 何伟 李帅 张德保

新型工业扫描电镜受到越来越多的重视，高分辨率数据有海量需求，特别是材料和生物医学领域。 然而长期以来，电镜的潜在问题---用户使用操作繁杂的问题尚未解开，一定程度上影响了仪器的普及推广。

本文介绍工业扫描电镜的新贵——智能电镜。着重描述其多重的自动化功能。智能目的是让电镜成为科研和工程上得心应手的利器，发挥工具的作用。

新年伊始，国产新型扫描电镜如黑马腾空而起，超高速性能达到前所未闻的新高度。扫描电镜成像速率实现双通道100M像素/秒。即代表表面形貌的二次电子（SE）和代表成分信息的背散射电子（BSE）同步成像，达到2x100M像素/秒。以单通道举例而言，产生某一幅可辨认的生物组织BSE模式图像约花260ms。 同样条件下，国外某知名品牌同档机型需花26000ms，国产扫描电镜成像速度快了一百倍。

2x200帧/秒@512x512的高速摄像能力， 或2x60帧/秒@1024x1024即两倍于视频高清成像，可实现捕捉动态过程。在1.2秒内双通道大范围高清成像，对观测一览无遗。电镜一天可自动采集产生2 至 8TB数据量。方便地构建全景“地图”集，没有悬念。超微结构的三维重构成为可能。

快速生成清晰图像是扫描电镜的精髓。在最佳工作距离条件下， 新型电镜分辨率可达1.0nm@10kV或 1.5nm@1kV。随之而来的是老问题：如何方便地调试操作和维护电镜？ 这便是智能电镜的由来。

什么是智能电镜？开发智能电镜的初衷是突破传统观念，打消使用误区，提供简便环境，实现无人操作。智能电镜功能模块示意图如图一所示。具体而言，不妨用“五个自动”功能来概括， 即自动巡检、自动进料、自动对中、自动对焦、自动操作。

图一 智能电镜功能模块示意图

一．自动巡检

工业扫描电镜的电子光学系统主要由电子枪、电磁透镜、扫描线圈组成。电子束由电子源发出，热场发射电子枪保证有足够的初始电子发射到样品上。加速电压设在0.1 - 12kV范围。加速电压越高，电子速度越快，焦距就越长，景深也越大。

电磁透镜的磁场作用力不改变电子运动的速度，只改变电子运动方向。高速的静电偏转器置于物镜内，不仅结构紧凑，而且保证大扫描场观察时边缘的象差较小，以达到图像高分辨率。 偏转器控制光束聚焦在样品上快速扫描。探测器收集二次电子和背散射电子等信号。经过放大后进行数据处理，便可得到电子图像信息。

电镜系统开机自检。巡查之后随即进入工作状态。一反以往从上至下反复调整的过程。电镜观察前光学导航模块会自动地定位、寻地和导航，免去耗费大量人工在镜前寻找观察区域，将工程人员从繁锁的调试中解放出来。系统内置定期全面自检，将电子光学系统调节到连续运作最佳状态。

自动巡检离不开支撑系统的稳定体系。发射源的稳定起着首要作用。 一周发射电流波动<1%，保障了基本性能。

二．自动进料

制备技术与电镜紧密配合，大量的样本在电镜中连续观察，是提高工作效率的关键之一。 以生物样品为例，要观察的生物样本块要经过环氧包埋等样品处理，使其变硬好切，之后在切片机上被切成几十纳米的薄片。切后的薄片落入收集水槽中被传送带捕获，顺次以条带排列被收集在圆硅片上面。圆硅片上可以平整的收集几十片乃至上百片样品，然后承载样品传送入电镜样品台，一次性进行大量样本的观察。

典型的扫描电镜位置控制系统如图二所示。 10余厘米边长的见方样品台沿着X轴和Y轴精密导轨行程自由位移。样品重复定位精度达200nm。这就避免了每次重调位置的必要性。

图二 扫描电镜位置控制系统示意图

电镜成像要实现全自动化，还需要制备技术同步跟上。制备与电镜的无缝衔接，样品直接切片收集，必要时可采用条带或卷盘机方式自动传送进入电镜。

三．自动对中

一键对中成为智能电镜的新常态。为保证电子束沿光电部件的轴线穿行，轰击到样品的纵向光轴必须合轴，即光阑对中。这既是使用者的期盼，也是电镜设计者的境界。

扫描电镜发明80年以来，对中始终是困扰使用者的第一难题。业界某些品牌电镜，级数多，可调点也随之增加。常规情况下，在更换样品、调整加速电压和探测器类型时需要检查光阑是否对中。往往要打开调焦摇摆功能，查看高倍数下电子图像是否上下左右摆动。若摆动则调节光阑对中按钮，直至图像仅出现上下摆动。谁知，旋钮越多，带来的麻烦也越多。

智能电镜反其道而行之，来了个逆袭， 取消可调按钮，无需进行人工对中电子光学系统，仅通过电脑屏幕上的按键一键全自动对中。

将电子枪、光阑、样品的光轴在纳米级层次上重合对中，是一场技术上的挑战。 背后的原因是从设计到制造成品过程中，电镜已经预置完成了对中的环节。自动对中是由光电和机械相结合、硬件和软件相配合而实现的系统工程。 而首要还是靠硬件，尤其是采取了三级调试锁定，一揽子彻底解决。

光电系统是保障光轴对中的基础。不同落点能量条件下，电子束从电子源发出，在镜筒中运动直至物镜前，始终保持一个相同较高的能量。这样在变换落点能量和变化束流时，显微镜内电子束轨迹几乎不变，因而无需大幅度地对中调节。更精细的对中调节则通过电子源与物镜之间的自动对中线圈来实现。

四．自动对焦

扫描电镜的分辨率主要决定于样品表面上电子束直径。 所以对准焦距是重要的。高稳定的加速电压下，焦距的变化是很小的。

围绕压电陶瓷驱动的纳米级高精度样品台，一套光学测高部件组成的聚焦追踪系统使物镜到样品的工作距离始终对焦，如图三所示。当样品移动时，样品表面到物镜距离略有变化，从激光测距获取的Z轴位移信息反馈到系统，便实时驱动微调样品台，从而保证样品表面到物镜的距离不变。一旦焦距发生变化，信息会反馈到放大回路，实时予以补偿，使物镜聚焦不变，移动样品依然保证清晰的图像。

这样就便于在大面积扫描成像时候，无需人工调整电子光学聚焦，可自动地生成全景式样品“地图”集。

图三 扫描电镜自动对焦系统示意方块图

这与一般电镜通过调整物镜电流来实现聚焦是不同的。 虽然改变磁透镜聚焦线圈中的电流强度，可控制磁透镜的焦距和放大倍数， 但是反复调整线圈电流来改变焦距的方法既费事效率又不高， 还可能引起磁场变化。

五．自动操作

传统的电镜在开始工作前，需要进行电子束对中→调节光阑→聚焦→亮度对比度调节等一系列常规调整过程。

智能工业扫描电镜系统从输入到输出始终秉承 “自动化”概念，给使用者一个全新视角， 走出“电镜观察范围小又难调”的误区。面对智能电镜，使用者仅需把样品稳定地放在自动化样品台上，样品就按照预定程序送进送出。样品从平台自动推进，进入高真空环境，样品位置受到导航控制。样品观测可以自动选择，无需手动操作，大面积图像观察和成像就可自动地完成。采集的图像可存放一边，随时调进调出待阅，并可进行三维结构重构。

基于自动对中自动对焦自动操作，智能电镜不妨可俗称傻瓜机电镜。作为参照物，数码相机人称傻瓜机，无需调节光圈速度和焦距，只需按下快门就可拍照。另一参照物是由大哥大移动电话更新换代而来的智能手机，拍照时光圈焦距均已自动识别调准。普及的原因也就不言而喻了。

结语

智能电镜的理念是“简单， 一种全新的体验”。电镜向来称为精密仪器高端装备，如今落地变成通用工具普及产品。这一华丽转身，是对新兴产业市场的响应。

颠覆传统观念是一条漫长而艰辛的路。镜筒从长枪大炮演变到短小精悍，控制旋钮从多到无，经历了几代更新。完美的设计是恰到好处，结构简单，操作也简单。如果设计人员缺乏亲身体验，是难以抓住电镜本质的。正如手机的快速发展，源自设计者从实用获得灵感，从人体工程出发挖掘潜能追求极致。国产智能电镜初出茅庐尚在路上，期待夯实基础愈加成熟，走向市场造福于民。