CN104637765B - 一种透射电子显微镜用双轴倾转样品台 - Google Patents
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Abstract
一种透射电子显微镜用双轴倾转样品载台，属于透射电子显微镜配件领域。包括样品杆杆身，驱动轴，连接轴，旋转轴和样品台，样品杆前端留有旋转轴孔，样品台末端有与其一体的运动导槽，样品台通过旋转轴与样品杆杆身前端相连接，通过连接轴在运动导槽位置处与驱动轴相连。通过直线步进电机使驱动轴在水平方向前进或后退，使样品台以旋转轴为中心进行旋转。采用不同形状轨迹的运动导槽可以实现双倾。根据样品载台尺寸的大小，可调节旋转轴距导槽初始水平方向的距离或者改变运动导槽与水平方向的夹角，进而调节可实现的双轴倾转角度。本装置可以与常规的透射电子显微镜配合使用，通用性广。本装置简单，装配方便，成本低，可精确控制倾转角度。
Description
技术领域：
本发明涉及一种透射电子显微镜用双轴倾转样品台，结合透射电镜使用可以实现在纳米/原子尺度下对材料显微结构进行观测，本发明属于透射电子显微镜配件领域。
背景技术：
透射电子显微镜(TEM)是研究物质微观结构的现代化大型仪器设备，在物理、化学、材料科学及生命科学等领域都有着广泛的应用。样品杆是TEM重要的组件之一，起到承载样品，对样品进行加热、通电、施加应力等作用。
根据倾转特性，商业化的透射电镜样品杆目前可分为单轴倾转和双轴倾转样品杆。所有的单倾杆均是通过TEM测角台的整体旋转来实现X轴倾转(样品杆轴向)，如：Gatan公司的613型、628型、643型样品杆、FEI公司的SH30、SH70样品杆等。单倾杆结构相对简单，它们一般用于衍射衬度的研究。目前商业化的单倾杆可以实现加热、制冷以及力学测试(拉伸或压缩)等功能。但是，在原子尺度研究材料的显微结构或在纳米尺度通过选区电子衍射花样的方法确定材料/晶粒的取向，要求透射电镜的电子束沿样品低指数晶面入射。由于常规TEM样品制备的随机性，要将样品中的特定方向转动到电子束方向，则需要对样品同时进行沿X轴和Y轴(垂直杆轴的方向)方向的倾转。目前商业化的具有双轴倾转功能的样品杆有Gatan公司的646型、652型样品杆，FEI公司的DH30型样品杆等。目前，Y轴倾转的主要方法有：(1)曲轴驱动的Y轴旋转：在曲轴前端镶嵌宝石小球，曲轴与连接杆和驱动电机相连接；通过电机驱动连接杆，进而驱动曲轴实现样品台的Y轴倾转。目前Gatan公司的646型、652型等样品杆皆采用这种方式。这种方式的Y轴倾转，可以精确的控制Y轴倾转的角度，但机械结构和装配复杂，且整个装置(包括曲轴和样品台上的曲轴固定装置)占据了样品杆前端较大的体积，限制了样品台的尺寸和样品杆其它功能(如：通电、加热、应力施加)的扩展。(2)白雪冬等被授权的题名为《压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置》(专利申请号：20121055033.4)的专利中提到一种透射电镜双轴倾转装置，该装置是在压电陶瓷上加载锯齿波电压使压电陶瓷发生时间不对称的上下振动，进一步使样品台发生以两个导电光滑硬质体的中心连线为转轴的旋转，这种装置包括两根压电陶瓷、导电光滑硬质体、弹性金属丝等结构。压电陶瓷管内壁和外壁需镀有金属电极，压电陶瓷管的前端通过导电粘接金属柱，金属柱上采用导电胶粘一导电光滑硬质小球。该种驱动方式的特点是金属柱、金属座与压电陶瓷管外壁电极要求电学绝缘，加工工艺步骤多，且制作加工复杂，成本高。同时，上述实现双倾功能的技术由于结构及装配复杂，使得样品杆上外引导线困难，限制了在其上实现更为复杂的原位外场加载，如材料力学性能的定量化测试等。
因此，发展一种加工工艺简单，体积小且功能扩展性强的透射电镜样品杆可以为原子尺度下对材料的显微结构—物理/力学性能的一体化研究提供有利的工具。
发明内容：
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种透射电子显微镜双轴倾转样品台，其机械结构设计简单、加工方便、占用体积较小、便于装配、倾转角度可精确控制且成本低。透射电镜样品杆采用金属材料为主体，通过精密机械加工的方法制得。与透射电镜配合使用，可以在原子、纳米尺度下研究材料的显微结构。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现：
透射电子显微镜用双轴倾转样品台，其特征在于该装置包括样品杆杆身7，驱动轴6，连接轴5，旋转轴4、样品台2，杆身前端1留有旋转轴孔，样品台末端开有运动导槽3，样品台通过旋转轴4与样品杆杆身前端相连接，驱动轴上开有与连接轴配合的孔，通过连接轴在运动导槽位置处与驱动轴相连。通过直线步进电机使驱动轴在水平方向前进或后退，使样品台以旋转轴为中心进行旋转。样品杆杆身的中间开有与驱动轴相配合的通孔，电机固定在样品杆上，杆身的末端设有同轴电缆。
进一步，连接轴与旋转轴均为刚性轴，运动导槽为与水平方向成一定夹角(优化方案为45°夹角)的倾斜槽。
进一步，样品台中间部分开有通槽，以便电子束能够透过，驱动轴前端留有连接轴孔及与运动导槽尺寸相配的槽。
进一步，样品杆杆身前端开有对应的旋转轴连接孔，驱动轴上开有与连接轴配合的孔，驱动轴与直线步进电机之间通过螺纹连接，样品台末端的导槽通过连接轴与驱动轴相连接，与样品杆前端通过旋转轴连接。
进一步，旋转轴与样品杆杆身前端和连接轴与驱动轴之间的固定连接均采用焊接的方式。
进一步，连接轴与旋转轴在一个水平面内，连接轴在导槽的中心位置时样品台保持水平，电机带动驱动轴向前运动时，样品台向一侧倾转，电机带动驱动轴向后运动过中心位置继续往后运动时，样品台则向另一侧倾转。倾转精度由直线步进电机的步进值大小决定，可以达到0.1°(与电机参数有关)，倾转角通过控制直线步进电机的步进值进行精确控制，可实现±40°倾转，样品载台的尺寸和极靴间距的大小确定样品杆可实现的双轴倾转角度。
进一步，所述样品杆杆身的中间开有与驱动轴相配合的通孔，电机通过螺纹连接的方式固定在样品杆杆上，杆身的末端设有能够保证真空的同轴电缆。
图7为部分零件三维示意图；图8为部分零件装配示意图。图7是为了展示部分细节的拆分图，图8是对应图7的零件装配示意图。
本发明的优势在于机械结构设计简单、加工方便、成本低、便于装配，每部分之间结构紧凑、占用体积小，可为透射电射电子显微镜样品杆集成其他结构、功能部件节省空间；通过调节直线步进电机的细分数值，改变直线步进电机的步进值，可以提高倾转角度精确度，每一步的倾转量由直线步进电机的步进值大小决定，大的倾转角通过直线步进电机运动的位移量控制。本装置可用于通用透射电子显微镜上，通用性广。
附图说明：
图1为透射电子显微镜双倾样品杆整体结构示意图；
图2为双倾样品杆前端与倾转端头放大结构示意图；
图3为双倾结构分解示意图
图4为Y轴倾转水平位置即倾转角为0°示意图；
图5为Y轴倾转一定正角度示意图(定义为+)；
图6为Y轴倾转一定负角度示意图；
图7为部分零件三维示意图；
图8为部分零件装配示意图。
图中画面说明如下
1杆身前端 2样品台 3运动导槽 4旋转轴 5连接轴 6驱动轴7样品杆杆身(空心杆) 8直线步进电机
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行进一步说明，附图中示意出本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同的形式，改变运动导槽的形式亦可实现Y轴倾转，而非局限于本文叙述的实例。
样品杆杆身7的中心开有与驱动轴尺寸相适配的通孔，直线步进电机8固定在样品杆上，电机引线通过样品杆杆身7末端设置的真空密封接口引出样品杆，样品杆杆身7的中心开有与驱动轴尺寸相适配的通孔，驱动轴6与直线步进电机8通过螺纹的方式连接，刚性连接轴5穿过驱动轴6和运动导槽3将样品台2与驱动轴连接在一起，连接轴5与驱动轴6之间通过焊接的方式固定在一起，样品台2与样品杆前端1通过旋转轴4连接，旋转轴4通过焊接方式固定在杆身前端1上。
驱动轴6与直线步进电机8相连作为驱动部件，旋转轴4和连接轴5始终在同一水平面上，同时作样品台的支撑部件，当直线步进电机8使驱动轴6前后运动时，使样品台发生以旋转轴4为中心的旋转。
由于旋转轴4和连接轴5始终处在同一水平面，且在样品杆杆身7中心轴线的延长线上，连接轴5处在运动导槽3的某一位置时样品台2保持水平即Y轴倾转角为0°(附图3)，因连接轴5与驱动轴6固定在一起，直线步进电机带动驱动轴6水平向前运动时，连接轴5随驱动轴向前运动，因连接轴5与驱动轴6做水平方向的直线运动，使得水平方向上方运动导槽向连接轴5方向运动，从而，样品台向一侧倾转(附图5)，直线步进电机带动驱动轴6从倾角为0°水平向后运动时，水平方向下方运动导槽向连接轴5方向运动，样品台则会向另一侧发生倾转(附图6)，倾转的角度大小由运动导槽3的形状轨迹和直线步进电机8运动的距离严格控制。
若运动导槽的形状轨迹与本实例运动导槽3关于水平方向对称，同样可达到Y轴倾转，然而，倾转方向会与此相反，改变运动导槽与水平方向的夹角或是改变运动导槽的轨迹形状亦可实现Y轴倾转，在此就不一一列举。
Claims (3)
1.透射电子显微镜用双轴倾转样品台，其特征在于，该样品台包括样品杆杆身，驱动轴，连接轴，旋转轴、样品台，杆身前端留有旋转轴孔，样品台末端开有运动导槽，样品台通过旋转轴与样品杆杆身前端相连接，驱动轴上开有与连接轴配合的孔，通过连接轴在运动导槽位置处与驱动轴相连；通过直线步进电机使驱动轴在水平方向前进或后退，使样品台以旋转轴为中心进行旋转；样品杆杆身的中间开有与驱动轴相配合的通孔，电机固定在样品杆上，杆身的末端设有同轴电缆；所述的连接轴为刚性轴，运动导槽为与水平方向有夹角的倾斜槽。
2.根据权利要求1所述的透射电子显微镜用双轴倾转样品台，其特征在于，驱动轴与直线步进电机之间通过螺纹连接，旋转轴与样品杆杆身前端之间的固定连接采用焊接的方式，连接轴与驱动轴之间的固定连接采用焊接的方式。
3.根据权利要求1所述的透射电子显微镜用双轴倾转样品台，其特征在于，连接轴与旋转轴在一个平面内，连接轴在导槽的中心位置时样品台保持水平，电机带动驱动轴向前运动时，样品台向一侧倾转，电机带动驱动轴向后运动过中心位置继续往后运动时，样品台向另一侧倾转。
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