CN107437487A - 一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，在扫描电镜样品室外侧安装激光发射器、激光接收器，激光发射器发射激光束，激光接收器接收激光束，在样品上升空间的适当位置形成大于样品宽度激光光栅，当样品上升时样品任一部位遮挡激光束时，激光接收器检测到激光被遮挡后输出遮挡信号，该信号通过驱动放大电路，使样品台升降步进电机立即停止上升，从而避免失控上升样品碰撞背散射探测器，彻底避免探测器被撞坏无法工作。本发明避免了由于计算误差带来的碰撞风险，杜绝背散射探测器由于样品上升撞坏引起的损失，防撞装置响应迅速及时，空间位置定位精度高，对扫描电镜的检测分析、形貌观察不会产生干扰和影响。

Description

一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置

技术领域

本发明涉及理化检测设备领域，特别是涉及一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置。

背景技术

扫描电镜是现代冶金企业重要的理化检测仪器设备，目前该类设备主要从欧、美、日等国家进口，此类设备价格昂贵，按不同的设备配置平均每台(套)约20～40多万美元。扫描电镜主要是利用二次电子、背散射电子等信号成像来观察样品的表面形态，即在真空中用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的背散射电子、二次电子等发射，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是：①有较高的放大倍数，20倍～20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种样品凹凸不平表面的细微结构；③样品制备简单，可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，是进行铁钢材料分析观察和检测重要的大型仪器设备。

扫描电镜是利用电子束在真空环境中按一定运动规律，对测量样品表面进行连续扫描，被测样品约束在扫描电镜样品平台上，按照检测需要样品平台可进行前后、左右、上下、旋转和倾斜移动，以完成样品指定微区的形貌和化学成分的检测分析。从扫描电镜的结构可知，电子枪发射的电子经正极高压加速，并由磁透镜进行聚焦再经扫描线圈控制偏转，在样品上扫描激发出背散射电子、二次电子，由相应的探测器捕捉和信号转换放大。各种样品具有凹凸不平表面，为了保证扫描电镜对样品形貌的观察得到质量良好的分辨率，必须通过样品平台的升级使样品表面保持与电子束聚焦点合适的工作距离，即物镜下表面到样品表面的距离，但由于每次放入扫描电镜样品室中不同样品高度不一样，且每个样品上的不同区域的形貌起伏也不同，这都可使得工作距离发生变化。所以在扫描电镜操作时对工作距离要进行标定，即通过样品高度的升降得到样品上不同高度的微区最佳聚焦距离，从而获取高质量的样品形貌图像。

专利CN201320147732.4公开了一种易于固定和调整试样的扫描电镜样品台，以解决目前样品台难以对不规则大试样固定和调整角度的问题。它包括通过中心螺丝与扫描电镜的机械部分相连的圆形基座，在圆形基座周围环形布置有三块可升降挡板，可升降挡板底部通过螺丝分别与基座相连并可各自实现升降，可升降挡板的升降范围为基座以上0～10mm。通过分别调节各升降挡板的高度，可对不规则的试样进行支撑，在试样台移动和倾斜的过程中不会滑动，而且可以调出不规则试样的最佳观察角度，提高扫描电镜的观察质量。

专利CN201310727245.X公开了涉及高度调节式扫描电镜样品座，包含用于放置样品及调整样品位置的旋转基座、固定于样品台上的套筒和弹簧，旋转基座的下底面凸设有中心轴，中心轴上套置有弹簧，中心轴的下端通过螺纹与套筒相旋接，弹簧的上端与旋转基座的下底面相抵接，弹簧的下端与套筒的上顶面相抵接。可以同时对不同高度的样品进行测试，在测试前可以灵活的对样品位置进行调整，使样品待检测面接近同一高度，提高了样品的检测质量和效率。

现有扫描电镜对样品升降运动的防撞措施，首先粗略估算出被测样品大致高度和放置在样品平台后的累计高度，随后在操作软件中输入累计高度，使用中样品升降高度不会高于设定值，如果估算出错或样品放置出现误差，本来样品就在离背散射电子探测器很近的距离进行检测，这样极易发生样品撞击背散射电子探测器造成报废，每个探测器价值5万多人民币。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明利用高精度平行激光束面掠过扫描电镜的背散射探测器下方，平行激光束与背散射探测器的空间距离可以设定，平行激光束为上方的探测器提供空间位置限位保护，当样品上升时如果遮挡住激光束面中如何一分光轴时，激光接收器就会输出遮挡信号给驱动放大电路，驱动放大电路控制升降电机立即停止运行，防止样品异常上升碰撞背散射探测器。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，包括样品台、样品、样品室侧壁板、背散射探测器、二次电子探测器、电子枪镜筒，所述样品台、样品、背散射探测器、二次电子探测器、电子枪镜筒安装在样品室内，电子枪镜筒位于样品室的上部，背散射探测器安装在电子枪镜筒的下方，样品台位于样品室的下部，有样品放置在样品台上，二次电子探测器安装在电子枪镜筒的侧面，样品室通过安装样品室侧壁板构成真空密封空间，还包括激光发射器、透明铅玻璃、激光接收器、驱动放大电路、升降电机，所述激光发射器、激光接收器安装在样品室左右外侧，激光发射器发射激光束从样品室外侧透过镶嵌在样品室侧壁板上的透明铅玻璃射入再从对应的另一侧透明铅玻璃射出由激光接收器接收；所述升降电机与样品台相连，升降电机带动样品台升降运动；激光发射器发射出的激光束掠过扫描电镜的背散射探测器下方，激光束与背散射探测器设定空间距离，激光束为上方的探测器提供空间位置限位保护，当升降电机带动样品台上的样品上升时遮挡住激光束中任何一分光轴时，激光接收器就会输出遮挡信号给驱动放大电路，驱动放大电路使升降电机励磁脉冲通道处于高阻抗，无步进脉冲输入使升降电机停止运行，防止样品异常上升碰撞损坏背散射探测器。

进一步地，所述激光束的宽度大于背散射探测器的直径。

进一步地，所述透明铅玻璃安放在扫描电镜样品室左右侧壁板上，有真空密封圈衬垫在透明铅玻璃靠近样品室那一面，通过固定螺丝将挡板紧固压在透明铅玻璃上，真空密封圈也被压紧形成真空密封。

进一步地，有支架通过紧固螺丝固定在样品室侧壁板上，有平板通过紧固螺丝固定在支架上，所述激光发射器、激光接收器固定在平板上。

进一步地，所述驱动放大电路包括来自激光接收器输出的样品遮挡信号、光电隔离器IC1、限流电阻R1和R2、反相器IC2和IC4、逻辑与门IC3、复位开关K、报警指示灯LED、3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7、IC8、开关晶体管、升降电机的励磁绕组，所述激光接收器输出的样品遮挡信号经过光电隔离器IC1隔离后与限流电阻R1、反相器IC2输入端相连；所述反相器IC2输出端、复位开关K为逻辑与门IC3的两个输入端，逻辑与门IC3输出端、升降电机脉冲信号与3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8相连，3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8分别通过驱动开关晶体管驱动样品升降电机的励磁绕组；所述逻辑与门IC3输出端还与反相器IC4、报警指示灯LED、限流电阻R2依次相连。

进一步地，所述升降电机为升降步进电机。

本发明的有益效果：用于扫描电镜样品台升降防撞装置，能使操作扫描电镜样品升降时对背散射探测器起到有效保护，运用本装置整个过程操作人员不必考虑计算检测样品和样品台的相对高度等参数，避免由于计算误差带来的碰撞风险，杜绝背散射探测器由于样品上升撞坏引起的损失，防撞装置响应迅速及时，空间位置定位精度高，对扫描电镜的检测分析、形貌观察不会产生干扰和影响，有输出光电报警信号提醒扫描电镜操作者及时停机检查样品高度进行调整。

附图说明

图1为扫描电镜样品台升降防撞装置结构示意图；

图2为扫描电镜样品室左右侧壁处透明铅玻璃安装结构示意图；

图3为扫描电镜样品室左右侧壁外侧安装激光发射、接收器示意图；

图4为扫描电镜样品台升降电机控制驱动放大电路示意图；

图5为扫描电镜样品台升降防撞装置的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

具体实施时，结合图1扫描电镜样品台升降防撞装置结构示意图，扫描电镜样品台升降防撞装置包括激光发射器1、激光接收器2、透明铅玻璃3、样品台4、样品5、样品室侧壁板6、背散射探测器7、激光束8、二次电子探测器9、电子枪镜筒10、驱动放大电路18、升降电机19。样品台4、样品5、背散射探测器7、二次电子探测器9、电子枪镜筒10安装在样品室内，电子枪镜筒10位于样品室的上部，背散射探测器7安装在电子枪镜筒10的下方，样品台4位于样品室的下部，升降电机19与样品台4相连，升降电机19带动样品台升降运动，有样品5放置在样品台4上，二次电子探测器9安装在电子枪镜筒10的侧面，样品室通过安装样品室侧壁板6构成真空密封空间。为了防止电场、磁场对扫描电镜电子束聚焦、偏转的影响，激光发射器1、激光接收器2安装在样品室左右外侧，激光发射器1发射的激光束8从样品室外侧透过镶嵌在样品室侧壁板6上的透明铅玻璃3窗口射入再从对应的另一侧透明铅玻璃射出由激光接收器2接收。利用激光发射器1发射出的平行激光束8面掠过扫描电镜的背散射探测器7下方，平行激光束面与背散射探测器设定适当的空间距离，平行激光束面为上方的探测器提供空间位置限位保护，当样品上升时如果遮挡住激光束面中任何一分光轴时，激光接收器2就会输出遮挡信号给驱动放大电路18。激光束宽度可以为28mm，在这一宽度中最大具有28000根光轴，每根光轴都具有检测功能，每根光轴直径极细(约为0.001毫米)，其几何尺寸与样品上部到背散射探测器之间的极限距离尺寸(如典型值为8.5毫米)可忽略不计，保证了样品上升时位置检测的空间分辨率。平行激光束面具有一定的空间宽度，其宽度大于背散射探测器的直径，样品上升接近背散射探测器时样品表面的高低起伏任何一处遮挡激光束面，都会引发激光接收器2输出遮挡信号。驱动放大电路18使升降电机19励磁脉冲通道处于高阻抗，无步进脉冲输入使升降电机停止运行，防止样品异常上升碰撞损坏背散射探测器。

为了提高样品室的真空密封性，结合图2扫描电镜样品室左右侧壁处透明铅玻璃安装结构示意图，透明铅玻璃3安放在扫描电镜样品室左右侧壁板6上，有真空密封圈13被衬垫在透明铅玻璃3靠近样品室那一面，通过固定螺丝12将挡板11紧固压在透明铅玻璃3上，同时真空密封圈13也被压紧形成真空密封。为了使激光发射器1、激光接收器2的安装方便简单可靠，结合图3扫描电镜样品室左右侧壁外侧安装激光发射、接收器示意图，有支架14通过紧固螺丝15固定在样品室侧壁板6上，有平板17通过紧固螺丝16固定在支架14上，激光发射器1、激光接收器2固定在平板17上。

为了能够输出光电报警信号提醒扫描电镜操作者及时停机检查样品高度进行调整，结合图4扫描电镜样品台升降步进电机控制驱动放大电路示意图，驱动放大电路包括来自激光接收器输出的样品遮挡信号、光电隔离器IC1、限流电阻R1和R2、反相器IC2和IC4、逻辑与门IC3、复位开关K、报警指示灯LED、3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7、IC8、开关晶体管、升降电机的励磁绕组。激光接收器输出的样品遮挡信号经过光电隔离器IC1隔离后与限流电阻R1、反相器IC2输入端相连；反相器IC2输出端、复位开关K为逻辑与门IC3的两个输入端，逻辑与门IC3输出端、升降电机脉冲信号与3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8相连，3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8分别通过驱动开关晶体管驱动样品升降电机的励磁绕组；逻辑与门IC3输出端与反相器IC4、报警指示灯LED、限流电阻R2依次相连。驱动放大电路工作过程分两种状态:(1)正常状态下样品在激光束下方，激光接收器信号输出为低电平(样品没有遮挡激光束时)，经过光电耦合器IC1隔离输出为高电平，经反相器IC2转换为低电平，再经逻辑与门IC3与复位开关K输入端高电平(为常开)逻辑与输出低电平，其一路到3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8的ENB使能端，使3态总线缓冲器处于工作状态(高电平或低电平输出)，样品升降步进电机根据升降脉冲信号进行升降运动；另一路经过反相器IC4输出高电平使样品位置异常的LED报警指示灯不亮。(2)防撞保护状态下样品遮挡到激光束，激光接收器信号输出为高电平(样品遮挡激光束时)，经过光电耦合器IC1隔离输出为低电平，经反相器IC2转换为高电平，再经与门IC3与复位开关K输入端高电平(为常开)逻辑与输出高电平，其一路到3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8的ENB使能端，使3态总线缓冲器处于高阻状态，样品升降步进电机停止运动；另一路经过反相器IC4输出低电平使样品位置异常的LED报警指示灯亮，提醒操作者进行检查和及时处置；此时只有按下复位开关K输入低电平经IC3与门经过逻辑与后输出低电平，使3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8的ENB使能端为低电平，恢复3态总线缓冲器处于工作状态，操作升降步进电机下降让样品回到安全位置。

结合图5扫描电镜样品台升降防撞装置的工作流程图，扫描电镜防撞装置的工作过程如下：(1)打开安装在扫描电镜样品室左右两侧的激光发射器、激光接收器电源，适当微调激光接收器接收端位置，使接收端的位置显示器所有灯变红，激光束光轴校正就完成，接收端能准确地到收到发射端发出平行激光束；(2)将待测样品安放在扫描电镜样品台上，关闭样品室门对样品室抽真空，当真空度达到要求后就可激发电子束对样品表面扫描进行扫描观察，此间根据观察需要操作样品台进行升降以达到合适的工作距离；(3)当样品按操作要求上下移动，样品上升如果遮挡到平行激光束任何一根时，激光接收器由于未接收到激光束马上输出逻辑判断(高电平)遮挡信号给驱动放大电路；(4)遮挡信号经过驱动放大电路实时处理后，控制其中的3态总线驱动缓冲器，使升降电机励磁脉冲传送通道处于高阻抗，无步进脉冲输入电机停止运行，防止样品异常上升碰撞损坏背散射探测器，同时输出光电报警信号提醒扫描电镜操作者及时停机检查；(5)对电路进行复位，清除高阻状态，操作样品台下降，离开危险区域，使样品和背散射探测器始终保持安全距离。

本发明扫描电镜防撞装置具有如下优点：

⑴以平行激光束作为防撞保护光栅：在扫描电镜被分析检测的样品上方一定距离及样品上升最高点停止位置，用一宽平行激光束掠射，激光束的宽度大于背散射探测器的宽度，样品上升遮挡激光束，激光接收器立即响应输出遮挡信号给驱动放大电路，驱动放大电路控制样品升降电机停止运行，样品停止上升从而保护背散射探测器不会被撞坏。与现有扫描电镜依靠预估样品高度在操作软件中设入高度数据实现防撞功能相比，本装置以样品实际几何尺寸的最大高度为极限，设定防撞停止预警线做到真实可靠，不会产生误差。

⑵激光束对电子束无干扰：扫描电镜是按一定规律聚焦、偏转的电子束在样品表面进行扫描而获取形貌、成分等信息的，电子束极易受到电场和磁场作用发生偏移、散焦，从而引起扫描电镜无法正常工作。激光束对电子束的聚焦和偏转不会产生干扰，既能起到防撞保护作用又能保证扫描电镜的正常工作。

⑶无机械接触点和机械限位机构：本发明装置在扫描电镜样品室内没有安装机械限位机构和机械接触点，没有占据扫描电镜样品室中的宝贵空间，对其中的二次电子探测器、背散射探测器工作不会产生影响，工作中不会产生火花、电弧，激光束防撞装置的电气连接是无机械接触形式。

⑷响应灵敏无滞后：扫描电镜样品上升时只要遮挡平行激光束中的任何一根，激光束接收器立即作出响应输出状态变化电平信号，驱动放大电路立即阻断脉冲输入，步进电机马上停止运行并输出报警信号，提示操作者注意样品位置进行重新操作放置，避免扫描电镜背散射探测器受到撞击损坏。

⑸激光发射器和激光接收器安放在扫描电镜样品室外部，激光束通过样品室两侧的铅玻璃入射和出射，装置没有与样品室内部的相互连接线，不破坏已有的真空密封形式。

本发明用于扫描电镜样品台升降防撞装置，能使操作扫描电镜样品升降时对背散射探测器起到有效保护，避免由于计算误差带来的碰撞风险，杜绝背散射探测器由于样品上升撞坏引起的损失，防撞系统响应迅速及时，空间位置定位精度高，对扫描电镜的检测分析、形貌观察不会产生干扰和影响，有输出光电报警信号提醒扫描电镜操作者及时停机检查样品高度进行调整。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，包括样品台、样品、样品室侧壁板、背散射探测器、二次电子探测器、电子枪镜筒，所述样品台、样品、背散射探测器、二次电子探测器、电子枪镜筒安装在样品室内，电子枪镜筒位于样品室的上部，背散射探测器安装在电子枪镜筒的下方，样品台位于样品室的下部，有样品放置在样品台上，二次电子探测器安装在电子枪镜筒的侧面，样品室通过安装样品室侧壁板构成真空密封空间，其特征在于：还包括激光发射器、透明铅玻璃、激光接收器、驱动放大电路、升降电机，所述激光发射器、激光接收器安装在样品室左右外侧，激光发射器发射激光束从样品室外侧透过镶嵌在样品室侧壁板上的透明铅玻璃射入再从对应的另一侧透明铅玻璃射出由激光接收器接收；所述升降电机与样品台相连，升降电机带动样品台升降运动；激光发射器发射出的激光束掠过扫描电镜的背散射探测器下方，激光束与背散射探测器设定空间距离，激光束为上方的探测器提供空间位置限位保护，当升降电机带动样品台上的样品上升时遮挡住激光束中任何一分光轴时，激光接收器就会输出遮挡信号给驱动放大电路，驱动放大电路使升降电机励磁脉冲通道处于高阻抗，无步进脉冲输入使升降电机停止运行，防止样品异常上升碰撞损坏背散射探测器。

2.按照权利要求1所述的一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，其特征在于：所述激光束的宽度大于背散射探测器的直径。

3.按照权利要求1所述的一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，其特征在于：所述透明铅玻璃安放在扫描电镜样品室左右侧壁板上，有真空密封圈衬垫在透明铅玻璃靠近样品室那一面，通过固定螺丝将挡板紧固压在透明铅玻璃上，真空密封圈也被压紧形成真空密封。

4.按照权利要求3所述的一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，其特征在于：有支架通过紧固螺丝固定在样品室侧壁板上，有平板通过紧固螺丝固定在支架上，所述激光发射器、激光接收器固定在平板上。

5.按照权利要求1所述的一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，其特征在于：所述驱动放大电路包括来自激光接收器输出的样品遮挡信号、光电隔离器IC1、限流电阻R1和R2、反相器IC2和IC4、逻辑与门IC3、复位开关K、报警指示灯LED、3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7、IC8、开关晶体管、升降电机的励磁绕组，所述激光接收器输出的样品遮挡信号经过光电隔离器IC1隔离后与限流电阻R1、反相器IC2输入端相连；所述反相器IC2输出端、复位开关K为逻辑与门IC3的两个输入端，逻辑与门IC3输出端、升降电机脉冲信号与3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8相连，3态总线驱动缓冲器IC5、IC6、IC7和IC8分别通过驱动开关晶体管驱动样品升降电机的励磁绕组；所述逻辑与门IC3输出端还与反相器IC4、报警指示灯LED、限流电阻R2依次相连。

6.按照权利要求1所述的一种用于扫描电镜样品台升降防撞装置，其特征在于：所述升降电机为升降步进电机。