悬浮灯丝恒流源高压隔离电源

前记：近五年来，在国家政策支持下，中国电镜产业化发展之路上多点开花，电镜、电镜功能附件装置与设备、电镜制样等方面不断有新的产业化技术涌现。其中不仅包含扫描透射电镜、场发射扫描电镜、聚焦离子束显微镜、透射电镜原位研究系统等重要技术的商品化，也不乏场发射枪、高压电源、光阑等电镜关键部件的攻克。在中国电镜技术产业化呈现百花齐放、国家对电镜设备产业化问题高度重视背景下，仪器信息网也别策划电镜技术系列征稿活动，共同探讨中国电镜产业技术、市场的机遇与挑战。相关投稿将整理至对应专题展示，并在仪器信息网相关渠道推广，欢迎大家投稿，电镜技术、市场相关内容均可（投稿邮箱：yanglz@instrument.com.cn，关于征稿内容要求也可邮件咨询或电话联系：15311451191，同微信）。本期主题为“电镜核心部件技术”，对应专题如下（点击图片进入专题），相关约稿将陆续上线，欢迎关注。专注高压电源近二十年，西安威思曼是目前国内唯一可以提供超低温漂、超低纹波和超高稳定性的生产厂家，当前中国电镜产业化发展活跃，许多国内生产电镜企业在电镜电源方面已经与威思曼高压电源开展了合作。近日，仪器信息网对西安威思曼高压电源有限公司总经理高永明进行了文字访谈。以下，高永明从企业发展、电镜核心部件产业两方面，分享了电镜高压电源技术与市场的发展与挑战。--------------------专注高压电源近二十年与正“跨越壁垒”的国产高压电源技术受访人：西安威思曼高压电源有限公司总经理 高永明企业发展篇仪器信息网：公司的创立、发展历程？选择电镜核心部件赛道的背景？2004年，高永明看到中国高压电源产品依然受制于国外，毅然从上市公司辞职，创办了咸阳威思曼高压电源有限公司。“当时因为我上班的上市公司也用高压电源，每次采购的价格都不一样，明摆着是中国做不了，你只能任人宰割。当时我就决定我们自己下大力气去开发高压电源。”高永明说道。由于2007年左右正是RoSH指令实施后采购XRF的高峰，所以，威思曼公司的第一个产品就是XRF高压电源，公司一直致力于耕耘分析仪器领域。“目前X射线类分析仪器的高压电源产品仍是威思曼主要生产的一类产品。”高永明表示，“但是，这类产品的利润已经非常薄了。”为此，近年来威思曼在不断拓展新的产品以及新的应用领域。公司实景图2012年底，威思曼公司拿到了咸阳市科技局一个5万元的资助项目。“我们自己光资金投入截至目前就有1500万左右。历经六年的时间，2018年电子显微镜的高压电源产品才正式问世。”而当时，世界上只有三家厂商能够生产该类产品，国内能做的也只有威思曼高压电源一家。“这款电源的设计初衷是给台湾一家公司的场发射扫描电镜产品定制开发。”这家台湾公司的场发射扫描电镜主要用于半导体行业，客户只有三星和英特尔两家做晶圆的公司。虽然市场销量非常少，但每台仪器的价格高达一个多亿人民币。“我们的高压电源就是配套在这个电子显微镜里头的。目前，这个高压电源在世界上是属于电子显微镜电源中指标高的。”全球销售总监Tom自豪的说到。多年来，威思曼高压电源的高速发展依赖于专业的研发团队、强大的技术知识和创新人才，研发团队成员均具备多年科研和生产的实战经验。其中研发、工艺工程师40余人，研发人员占比超40%。怀揣一腔热血，经过数十年拼搏，如今的威思曼已是国内首屈一指的wisman系统全数字化、智能化控制专业开发、生产和销售高压电源和相关高压电源等领域有针对性技术的制造商，拥有国内完整的高压电源开发和制造环境、良好的自主加工和工艺开发环境，具备独立研发和生产商用场发射电子显微镜高压电源系统的能力。“创新是企业的生命，是企业持续发展的保障”，在企业文化的熏陶下，威思曼前进的脚步从未停歇，毅然投身到高难度的电镜核心部件赛道。扫描电子显微镜作为一种高端的电子光学仪器，广泛应用在生命科学、材料研究、半导体工业等领域。目前每年我国花费超过1亿美元采购的扫描电镜中，国产扫描电镜仅仅只占5%—10%。如何突破国产扫描电镜“卡脖子”的困境，一直是威思曼高压电源关注的重点和使命所在。威思曼高压电源总工Mark表示: “威思曼高压电源坚持以技术创新为战略核心，不断加快新产品，新技术的开发步伐，坚持理论创新与技术创新的良性互动，不计成本，每年投入几千万元到研发生产中，全力突破国产扫描电镜市场占有率低的困境, 将公司的成长与国家的进步相结合，助力国产扫描电镜行业快速发展。”仪器信息网：公司目前发展现状？与电镜品牌或科研用户的合作进展？威思曼自成立以来，先后承担了国家重大科学仪器设备的开发、国家重大专项增材制造与激光制造与数字化低纹波高稳定度高压电源的研发，经过多年技术积累，威思曼形成了丰富的产品线，设计开发的标准化和定制高压电源产品有几十个系列数千种规格，产品质量具有高稳定性、低纹波、低电磁干扰、体积小，损耗小，效率高，长寿命等特点，同时也可提供高压电源系统和成套解决方案，广泛应用于安全检查和工业、核医学和临床医学、核安全以及导弹安全等各种偏、冷门科研需求领域。威思曼拥有整套高压电源的生产工艺文件和标准，建设了产业化示范生产线；先后通过了质量管理体系ISO9001认证、武器装备质量管理体系认证；设立和组建了医用电源公共实验等研发机构；获得了西咸新区科技小巨人企业等荣誉，搭建了国家重点支持新一代军民融合产业化示范生产线平台，引入和孵化以军民融合、高端装备等制造业为代表的平台型共享经济创新创业主体，未来可形成集聚规模、繁荣新区，带动地方经济发展。目前，威思曼是国内唯一一家可以提供超低温漂、超低纹波和超高稳定性的生产厂家。同时由于公司产品的技术先进性、产品质量的高可靠性、生产技术在国内的独有性，决定了公司产品在国内乃至国际高压电源市场有很强的竞争力。公司利用自身较强的工艺与设备研发能力，有广泛的合作伙伴，与国内外著名企业譬如“聚束”有良好的合作关系，形成了可靠的设计、生产、采购、服务成套能力，使公司的研发能力有了坚实的后盾。“如今，中国国内生产电子显微镜的公司用到电源就会找到我们威思曼高压电源。”总经理高永明说道。仪器信息网：公司主营产品？围绕电镜核心部件的有哪些？威思曼自2007年开始研究、开发、生产和销售各类高压电源和相关高压电源模块等领域的产品，涉及军工、半导体装备、医疗及生命科学、高端分析仪器、工业领域、科研院所6个板块，迄今已设计开发和生产了几十个系列数千种规格的标准化和定制型高压电源产品，功率范围从100mW到200kW，电压范围从60V到500kV，可为用户提供多种高压电源，包括微型高压电源模块、双路高压电源模块、高压电源模块、X射线高压电源、便携式高压电源、机箱式高压电源、塔式高压电源、一体化射线源等，其中用于电镜核心部件的主要有三个系列：SEM、HEM、FEM。1.SEM：威思曼的SEM高压电源提供了加速器电源、偏压和灯丝电源，用于驱动扫描电子显微镜（SEM）电子束。与应用于SEM的其它电源相比，威思曼独有的高压装配和封装技术使电源在外形尺寸、成本和效率上有了巨大改变。SEM的加速器电源供应低噪声且稳定的0--30kV可调电压，最大电流为300uA，集成了参考地为加速电压的浮动偏压和灯丝电源，提供对地参考的加速电流检测。除了过压、过流保护，SEM还带有电弧和短路保护。此外，SEM系列产品还具有1）标准网口、RS-232控制，2）应用于电子显微镜、电子束、离子束电源系统，3）高精度、高稳定性、低纹波，4）过压、过流、短路、拉弧保护，5）无电晕专有特别方案，6）可根据用户要求定制等优势特点。SEM产品图2.HEM威思曼的HEM高压电源是一种集成式多输出高压电源，数字化控制。典型应用包括扫描电子显微镜，电子束，离子束，真空枪，半导体分析，离子束蚀刻，聚焦离子束光刻。该电源采用模块式设计。接口、逻辑和控制电路采用表贴技术，从而最大限度降低成本并缩小外形尺寸。每个部件（加速极电源、灯丝电源、抑制极电源、提取极电源）均精心设计符合严格的应用特定要求，具有超低输出纹波，出色的调节性、稳定性、温度系数和精度。各个悬浮高压电源通过威思曼独有的高压隔离技术来隔离和测量控制。客户可通过网口、RS-232接口控制这个集成式电源。HEM系列产品具有1）标准网口、RS-232控制，2）电子显微镜、电子束、离子束电源系统，3）高精度、高稳定性、低纹波，4）集成式单机箱解决方案，5）无电晕专有特别方案，6）过压、过流、短路、拉弧保护，7）可根据用户要求定制等优势特点。HEM产品图3.FEMFEM系列高压电源为场发射扫描电子显微镜高质量图像和高分辨率提供了保障。这是一款集成的多输出的高压电源，专为驱动扫描电子显微镜而设计，所有输出均提供ppm级低输出纹波，ppm级稳定性，ppm级温度系数，高精度和少微放电。威思曼在该应用中研究15年，采用紧凑型解决方案，扩展支架可安装在19英寸机架中。所有输出均提供超低输出纹波，并通过威思曼自有的高压隔离技术提供相应悬浮电源的隔离和控制。该系列电源通过控制光纤接口完成，所有高压安全联锁均采用基于故障安全硬件的设计，通过CE认证，符合适用的IEC，UL和SEMI标准。FEM产品图仪器信息网：电镜核心部件企业较少，贵司的主要优势？当前，研发电镜核心部件的企业较少，而威思曼经过多年技术深耕，对此有着出众优势——威思曼先后承担了3个国家级重点研发计划项目，即2021年作为牵头单位承担国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项项目“数字化低纹波高稳定度高压电源”（国科议程办字【2021】26号）；2018年承担国家重点研发计划“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项“增材制造与激光制造”（国科高发计字【2018】42号）；2017年承担国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发重点专项课题（国科高发计字【2017】42号），掌握了多项核心技术，从中积累出相当深厚的经验。“以重大专项项目为例，该项目要求非常具体，要求实现的指标是：体积132*480*480mm、功率5000瓦、电压250千伏、逆变频率240K赫兹。这四个条件同时实现是很难的，当时全球范围内都没有该级别的产品。”高永明说到：“我们当时接下这个项目也是有点忐忑。在高压电源领域，没有太多可参考的东西，完全要我们自主研制。”好在仅用了不到半年的时间，该项目已经取得了重大突破，这让当时的高总认为，虽然有难度，但是威思曼非常有信心完成。“完全按照重大专项这些指标制作的产品并没有多大的市场，但是，使用重大专项的某几项技术细分成不同的产品就很有用了，这也是重大专项的意义。” 高永明说到。凭借着“啃”下来的硬骨头，威思曼把这项技术扩展到后续开发研究的产品中去，对整个高压电源产品的性能都有了大幅度的提升。威思曼倾力投入到研发的心血没有被辜负，近年来，还支持了多个国家重大重点项目，产品均获EMC测试认证和CE认证，技术居于国际先进水平，拥有4件授权发明专利、8项软件著作权11项核心技术以及12项获奖情况，取得了较好的社会效益和经济效益；新引进的自主SMT智能制造设备更是提升了工艺难度，为大批量生产、低缺陷率生产提供了条件。在高压电源性能方面，威思曼现已形成高压电源创新，加工及各大设备批量化产业化示范线，工程化、产业化水平性能已经达到了国内先进水平，成为行业领域的“领头羊”，市场占有率遥遥领先，产品受到多家企业青睐并远销海外，收获了一致好评。仪器信息网：未来几年，贵司在电镜高压电源方面的发展规划？威思曼拥有整套高压电源的生产工艺文件和标准，除常规标准产品外也可以提供非标的定制服务。通过分析不同行业用户的特点，从研发、生产、销售、客服等各个环节高效服务用户，并根据用户自身的情况，“一站式”为用户合身打造完整的解决方案。谈到公司的未来发展规划，高永明表示，“我们一定要做中国高压电源领先公司，全球领先的高压电源制造商。”威思曼中长期的规划是拓展医疗、安检等应用领域，实现产值规模达到7000万。同时，将公司投入1个多亿计划建设的“西安威思曼科技园”建起来。长期的规划是通过十年左右时间，实现企业上市。未来几年，威思曼将继续沿着“自主创新”的企业规划前进，将强化自主研发、突破核心关键技术，迈向电镜核心部件行业高端；将加大科技驱动、市场引导、政策助推，有效壮大电镜核心部件产业规模，努力向社会各界提供高性能电镜核心部件，推动工业、医疗、科研院校技术产业升级和更新换代。威思曼将继续砥砺前行，不断加强技术创新研发，秉持“不仅是中国制造，更是要中国创造”的初心，用创新高压电源技术打造世界范围内更具有核心竞争力的电子显微镜高压电源产品，为民族企业在科学仪器领域的长足发展、中国科学技术的进步做出应有的贡献。电镜核心部件产业篇仪器信息网：如何看待当前中国电镜产业化百花齐放的发展格局？国产电镜高压电源产业现状如何？曾经我国高端的电镜核心部件主要依赖于进口，但复杂的国际形势告诉我们这并非长久之计。如今我国经济与科技实力不断发展，用户需求自然也在不断变化，已逐渐形成一个新的广阔市场。当前中国电镜产业化发展百花齐放，在一定程度上打破进口部件与技术的垄断局势，此时我国自主研发及工程化、产业化能力的提高，对广泛需要应用电镜的行业来说不亚于解了“燃眉之急”。但由于我国对高压电源的研究相对较晚，尽管在高压开关电源技术领域己取得了很大进步，可同国外相比还处于技术追赶阶段。就高压电源而言，还存在输出纹波大、精确度低、可持续稳定输出时间短等不足，这正是我们需要跨越壁垒努力超越的。仪器信息网：开展电镜核心部件产业的重要意义？发展电镜核心部件不仅具有广阔的市场，也具有一定的战略意义，以场发射显微镜（FEM）为例，近年来，超高真空技术飞速进步，为场发射显微镜的发展和应用提供了条件，场发射显微镜已成为在表面现象的研究中最受重视的一种技术。利用这种技术我们能够直接观察到不同晶面的不同吸附性质以及吸附原子或分子在表面上的活动情况，在科研活动中可谓起着无可比拟的作用，但曾经，至关重要的电镜核心部件高精尖技术却长期掌握在外国手中，国内产品良莠不齐，高端部件更是寥寥无几，根本无法满足科研需求，在很长一段时间内，我们只能依赖进口，如同脖子上套着“无形的枷锁”。如今国际形势异常复杂，一方面，广阔的市场需求确实遭遇了“卡脖子”的局面，但另一方面，这何尝不是我国电镜核心部件产业发展的最好机会？在“进口转内需”的关键时期，若能紧紧把握住这次机遇，中国电镜核心部件产业必能扭转一直以来的落后劣势，就此摆脱随时被制裁的风险，与电镜相关的研究也能乘风而起，迈上新的台阶，大大增强我国的科研实力。仪器信息网：国产电镜核心部件企业在发展中可能面临哪些困境？哪些发展建议？回顾十数年来的发展历程，威思曼脚踏实地，上下求索，秉持着对创新研发的热忱，克服无数关卡，解决了众多技术难题，一直在不断朝“中国优质品牌”目标迈进，目前公司已突破部分产业化急需的关键共性技术问题，建立高压电源产业生产规范、标准及产业化示范线，实现各个行业等产业化技术成果转移。“落后不可怕，可怕的是没有勇气去追赶超越”。面对卡脖子的领域难题，遇到困难是肯定的，但只要怀揣着攻关克难的勇气，树立公司发展与国家进步相结合的理想信念，沉下心踏实创新研发，努力钻研难关，就一定能摆脱困境，打破技术藩篱，取得理想的成果！仪器信息网：请谈谈中国电镜核心部件未来的机遇与挑战？站在时代的浪尖上，电镜核心部件产业已经迎来了最好的发展机会，这不仅是一次前所未有的际遇，也是一次与风险并行的挑战。在日益注重专业化、精细化生产的背景下，想要发展好电镜核心部件，不仅需要奋进与拼搏的勇气，还应立足实际，结合公司发展规划，选择适合的赛道，而非“一头热”地扎进所不擅长、不熟悉的领域；同时，在发展的过程中，还应具备深入钻研高精尖技术的耐心，唯有这样，方能在前进之路上稳扎稳打，于风雨中立于不败之地！

钨灯丝扫描电镜性价比高、易于维护、操作相对简单、对场地要求较小便于大众使用但长期以来钨灯丝扫描电镜的分辨率都停滞不前难以实现用户对更高分辨率的追求国仪量子于近日推出的钨灯丝扫描电镜SEM3300钨灯丝扫描电镜SEM3300成功将20 kV分辨率提升至2.5 nm，比普通钨灯丝电镜提高了16%！3 kV分辨率为4 nm，相比提高了2倍！1 kV分辨率为5 nm，相比提高了3倍！在所有电压段均大幅度超越普通钨灯丝电镜重新定义了钨灯丝扫描电镜的行业标准！SEM3300实拍见真章众所周知，锂电池中的隔膜材料导电性差、孔隙微小，必须用低电压高分辨的场发射电镜才能拍到较好的图像。图a是常规钨灯丝电镜的拍摄效果,细节模糊不清晰。SEM3300在这一难题面前，毫不费力地完成任务，1 kV下隔膜孔隙清晰可见，孔洞边缘锐利，足以胜任隔膜检测（图b）。图a：常规钨灯丝电镜拍摄的锂电池隔膜，细节模糊不清晰图b：SEM3300拍摄的锂电池隔膜，隔膜孔隙清晰可见，孔洞边缘锐利SEM3300国仪量子如何重新定义钨灯丝扫描电镜？国仪量子电镜研发团队分析了限制钨灯丝电镜分辨率的主要因素：钨灯丝发射结构为阴极、栅极、阳极的3电极结构，在加速电压较低时，灯丝亮度将受空间电荷效应和电子源像差等因素的影响而大幅降低。在低着陆能量下，能散带来的色差和衍射像差都很大，导致束斑偏大。为了保证侧向二次电子探测器的收集效率，工作距离比较大，物镜放大倍数不够大。针对以上问题，国仪量子在镜筒内增加了一根从阳极直达物镜极靴的10 kV高压管，我们形象地称之为高压隧道。这里以1 kV着陆能量为例进行分析：在高压隧道的上端：阴极与阳极之间形成11 kV的强电场，灯丝表面场强极高，大量热电子克服空间电荷效应对束流亮度的限制，显著地提高了束流亮度。在高压隧道的另一端：管口与物镜下极靴形成一个10 kV的减速场电透镜，该电透镜与磁透镜形成复合物镜，从而有效降低该复合物镜球差系数和色差系数。此外，镜筒内的电子探测器可以在极短的工作距离下，收集大部分被加速的二次电子，具有高达90%的收集效率，相比传统钨灯丝的旁侧ET探测器信号强度高出数倍。综合以上所有创新举措，SEM3300最终在全电压范围内打破了数十年来钨灯丝极限分辨率的天花板，重新定义钨灯丝扫描电镜。

11月24日，国仪量子召开电子显微镜新品发布会，基于我国制造业转型升级的长期发展战略，推出了世界上首台分辨率达到2.5纳米的商用钨灯丝扫描电子显微镜，突破了这一技术长期以来的技术瓶颈。国仪量子董事长贺羽致辞国仪量子副总裁曹峰介绍新产品电子显微镜利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质，如形貌、成份、结构等信息，是材料研究、质量控制与失效分析等领域应用的强大工具。作为一种应用广泛的高端科学仪器，我国扫描电镜长期以来被进口品牌垄断，国产扫描电镜在技术与产品性能上与国外品牌存在差距。但随着我国科技创新能力不断提升，制造业的转型升级，催生了以国仪量子为代表的一批研发实力强劲的科技创新企业。国仪量子钨灯丝扫描电子显微镜SEM3300钨灯丝扫描电镜具有性价比高、易于维护、操作相对简单以及对场地要求较小等特点，便于大众使用。但长期以来，钨灯丝扫描电镜的分辨率都停滞不前，难以实现用户对更高分辨率的追求。国仪量子电子显微镜技术团队针对这一技术瓶颈开展了科研攻关，通过分析限制钨灯丝扫描电镜分辨率的主要因素，开创了在镜筒内增加一根从阳极直达物镜极靴的10 kV高压管（高压隧道技术）的解决方案，并实现了在所有电压段的分辨率均大幅度超越普通钨灯丝电镜。SEM3300在20 kV分辨率达到2.5 nm，比普通钨灯丝电镜提高了16%，成为了目前世界上分辨率最高的商用钨灯丝扫描电镜；同时，作为钨灯丝电镜“王者”，SEM3300在任意电压下都表现出卓尔不群的分辨力——在3 kV分辨率达到4 nm，相比普通钨灯丝电镜提高了2倍；在1 kV分辨率达到5 nm，相比普通钨灯丝电镜提高了3倍——满足更多材料的分析测试需求。同时，国仪量子还推出了钨灯丝扫描电镜SEM2000和场发射扫描电镜SEM4000。钨灯丝扫描电镜SEM2000是一款操作不挑人，简约不简单的产品，以“人人都敢用，人人都能用”为目标打造。场发射扫描电镜SEM4000是一款针对分析型用户需求的全新产品，具有电子束流大、分析速度快的特点、最大超过200 nA的电子束流，且束流大小连续可调，有利于选择最合适的成像和能谱条件。当下，全球都在强调制造业的重要性，我国更是将制造业转型升级作为长期的发展战略。在这个进程中，扫描电镜作为一种强大的分析仪器，在提升制造业产品创新能力与产品质量上将大有作为。自2019年推出首台扫描电子显微镜以来，国仪量子务实笃行，不断精研行业痛点，深耕核心技术，以优质的产品与服务，帮助客户更高效地探索未知的边界。