场地环境对电镜的这些影响，你真的知道吗？

北京，一列地铁4号线列车在13.5米深的地下呼啸而过，而100米开外北京大学某学院的大楼里，一台电子显微镜内“仿佛刮起了一阵飓风”。

用肉眼看，似乎这台电子显微镜的金属镜筒安安稳稳地静立在桌子上，但在镜筒内由于地铁开过产生的震动和磁场影响，样品相对电子束的位置已经悄然发生了变化。观察显示屏上的图像，发现似乎长出了“毛刺”，原来纤毫毕现的纳米级分辨率图像已变得模糊不清。

据了解，在北大校园内，因地铁运行受到影响的精密仪器，远不止这台价值数百万元的电子显微镜。4号线开通时，北大有价值11亿元的精密仪器，其中4亿元的仪器受到了影响。除了北大，清华大学、中国科学院、首都医科大学等也都面临过类似问题。

未受振动（左）和受到振动（右）影响的扫描电镜图像对比

现如今，大量的科学研究和高端工业分析都离不开精密仪器和设备，精密仪器被称为是“科学研究的先行官、工业生产的倍增器”。

但越精密的仪器对场地环境的要求越严格，仪器在不符合要求的场地下运行导致无法获得有用的实验数据甚至出现运行异常，这已经不是新鲜事了。精密仪器在合格的场地环境下运行才能真正体现其价值，为科研工作提供助力。

电子显微镜是最重要的微观观测工具，分辨率可达零点几个纳米，是非常精密的科学仪器设备，应用十分广泛。而电子显微镜对于场地环境的要求主要是在震动、磁场和噪音等方面，这些指标在设备安装前，都需要由厂家的工程师携带专业的场地量测工具前往客户现场进行测量，判断场地是否合格并给出测量报告。如果不合格，则必须更换场地或是对场地进行整改。

一台超高分辨的扫描电子显微镜

此外，电子显微镜对于场地环境还有一些分析仪器通用的要求，例如实验室的温度和湿度（温度过高、过低，或波动剧烈都会导致仪器运行异常）、独立电源和独立地线（这两个是电干扰的主要来源）等。

下面我们就把场地环境对电镜可能产生的主要影响一一进行详细说明，希望能够帮助大家更好地理解并有效防范。

震动的影响

对于电镜来说，外界震动会造成在电子束下落过程中，样品相对电子束发生位移，从而使得电子束轰击位置出现错位，电镜图像上会出现锯齿或抖动。由于电子显微镜观测倍率高，微小的震动也会影响使用。

由于震动影响，电镜图像上出现锯齿

因此，电镜都内置了减振装置，使得镜筒、样品室不与地面硬性相连。根据减振方式的不同，减振装置可以分为被动式减振和主动式减振两种。主动式减振对于常见的低频震动减除效果优于被动式减振，所以高端电子显微镜一般会配置主动减振。

如果外界震动过强，即使配置了减振装置，也无法完全消除环境震动对于电镜的影响。因此，在通常情况下，需要尽量符合以下条件以保证振动环境满足安装要求：

1. 实验室设在没有地下室或地下车库的一楼；

2. 场地不靠近车流频繁的马路；

3. 附近没有安装类似拉伸试验机等设备。

磁干扰的影响

磁干扰是指由电场、磁场及射频等产生的辐射信号源，对仪器设备尤其是精度较高的仪器设备而言，会产生不利影响。

磁场产生的原因很多，手机的基站、实验室内布线不合理的电线、不合适的照明灯、附近其它的大型设备，甚至运行中的电梯都会产生磁场干扰，而这些都是我们要尽力避免的。

如果电子显微镜安装在有强杂散磁场的环境中，电子束将被该磁场强制抖动，引起成像时异常的放大、收缩、扭曲、飘移或针状噪声。

因此，在电镜设计中，为避免电源的干扰，捕捉图像的扫描模式与电源频率同步，尽可能减小了同步磁场产生的干扰。当有与电源频率同步的杂散磁场（交流磁场）超标时，引起的干扰通常表现为图像的扭曲、膨胀或者收缩，如图1。

图1：图像异常放大、收缩（左）图像扭曲失真（右）     

当有与电源频率不同步的杂散磁场（例如直流磁场）存在时，引起的干扰通常表现为图像的漂移或为针状噪声，如图2。

图2：干扰的图像（左）直流磁场的变化（右）   

磁场超标情况下拍摄的SEM图像

地线的影响

精密的分析仪器基本都要求独立地线，如果不接地线或者没有独立地线都有可能导致电干扰，使得分析结果异常。对于电镜而言，一般表现为图像上出现毛刺。

未接地线对SEM图像的影响

这里有一个判断干扰类型的小窍门：

电干扰和振动干扰对图像的影响极为相似，通常无法直观分辨。但可以通过改变工作距离（WD）的方式来进行判断，如果干扰幅度跟随工作距离变化而变化，则是振动干扰，如果未发生不变化，则是电干扰。

噪音的影响

超出仪器允许强度的噪音，无论是低频或是高频，声波（空气的扰动）都会对电子显微镜的电子镜筒产生扰动，从而改变电子束位置，导致图像的异常，影响设备使用。因此，如果测试环境附近有任何可能的声源干扰，均需要使用专门的设备测试噪音。如果噪音超标，则需要通过隔离或者降噪设备来消除噪音。

对于如电子显微镜类的高端精密仪器，场地环境造成的影响尤如“蝴蝶效应”。有学者认为，由于环境影响造成的巨大浪费，“花100万美元买回来的仪器，只能当10万美元的用”。

许多仪器的使用者并不知晓，场地环境会对仪器的使用和性能产生这么大的影响。但是电子显微镜等精密仪器对于环境的敏感度是人体的成百上千倍，我们看不到、感受不到的事物也许正在影响、改变着我们，我们必须加以重视。