CN108172491A - 一种三维重构所用的透射电镜样品杆 - Google Patents

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Abstract

三维重构所用的透射电镜样品杆，样品杆上连接有样品夹，样品装夹于样品夹上；该样品杆包括中空的外壳和安装于外壳内的转轴，转轴和外壳之间设置一对轴承，转轴上设有驱动转轴自转的旋转驱动机构，样品夹与转轴一端固定。本发明具有无需改变现有透射电镜的结构，即可实现样品的360°旋转的优点。

Description

一种三维重构所用的透射电镜样品杆
技术领域
本发明涉及一种透射电子显微镜（透射电镜）的样品杆。
背景技术
透射电镜是一种能在亚纳米尺度下观察材料微观结构的重要仪器设备，深入观察研究材料的微结构对于设计新型高性能材料，构建材料组织和性能关系等方面具有至关重要的作用。发展透射显微表征技术，全面剖析材料的形貌、结构、位向、成分等信息是现代透射显微技术的主要发展方向。在材料形貌表征方面，从原理上，如果在观察样品时能360°旋转样品，获得样品在每个观察角度下的形貌，就能构建样品的三维模型。样品的三维模型重构的实现，必须以样品的大角度旋转为前提，旋转角度越大，获得的三维重构模型越精确，通常希望样品能够实现360°旋转。
样品360°旋转有两种实现途径。第一种是样品杆不动，而样品杆内部的旋转机构带动样品实行360°旋转；第二种是夹持样品杆的样品台（亦称为透射电镜测角台）实行360°旋转。发表在《Journal of Electron Microscopy》第50卷第3期第235-241页的文章《Three-dimensional STEM for observing nanostructures》公开了一种透射电镜测角台。该测角台含有旋转装置，能夹持着样品杆共同旋转；同时该测角台还含有y、z轴调整装置，以操作样品杆作微小的平移，使观察目标区域落在旋转轴上，避免在旋转过程中观察区域移出视野或失焦。通过上述两种装置，该测角台能够带动样品作360°旋转实现全圆周观察样品的目的。该测角台实现360°旋转属于上述所言第二种途径，必须使用专门的透射电镜，或者对现有的透射电镜（主要是测角台部位）作出较大的改造，具有很大的限制性。
若能够采用第一种途径开发一种能够360°旋转的样品杆。考虑到同一个透射电镜公司所生产的各类型号透射电镜均采用同一规格的样品杆，则此方法将具有极大的灵活性和通用性。目前已存在一些商业销售的大倾转样品杆，配合大倾转测角台，能够实现正负70°的旋转。但是这些大倾转样品杆需要以透射电镜本身装配有大倾转测角台为前提。对于本身未转配有大倾转测角台的透射电镜而言，即使购买了大倾转样品杆也无法实现样品正负70°的旋转。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需改变现有透射电镜的结构，即可实现样品的360°旋转的样品杆。
一种三维重构所用的透射电镜样品杆，样品杆上连接有样品夹，样品装夹于样品夹上；其特征在于：该样品杆包括中空的外壳和安装于外壳内的转轴，转轴和外壳之间设置一对轴承，转轴上设有驱动转轴自转的旋转驱动机构；样品夹与转轴一端固定。将样品杆设置为由外壳与转轴组装而成，旋转动作由转轴来完成，将旋转装置安装在杆身和转轴之间，而无需改变样品杆的形状和尺寸，因此无需改变电镜的结构。轴承外圈与外壳固定，轴承内圈与转轴固定，轴承使转轴能周向转动而不能轴向平移。
转轴与外壳共同组成样品杆，旋转驱动机构使转轴自转，转轴自转时、样品夹带着样品绕转轴的中轴线自转，实现样品的360°旋转。
进一步，旋转驱动机构具有支架和摩擦驱动组件，支架具有凹形腔体，支架与外壳固定，摩擦驱动组件固定在腔体内；摩擦驱动组件由一对基板、弹簧、螺钉和压电片组成，每个基板上固定一个压电片，螺钉依次穿过两个基板，转轴穿过腔体位于两个基板之间，压电片分别贴紧转轴。
样品杆的外壳由两部分组装而成，例如，外壳的两个部分通过螺纹连接。组装时，先将摩擦驱动组件固定在支架的腔体内，支架上具有供转轴穿过的通孔，摩擦驱动组件中两个压电片之间的间隔与通孔对位。使转轴穿过通孔和压电片之间的间隔，然后调节螺钉的松紧，使两个压电片压紧转轴。对压电片通电，两个压电片沿同一时针方向缓慢搓动转轴，转轴旋转。压电片失电时，迅速恢复形变，转轴静止。如此，通过多次对压电片通电、失电，使转轴步进式累积旋转，从而实现转轴的360°旋转。转轴旋转时，带动硬质小球旋转，使柔性丝爪和样品-样品夹转动，达到360°转动效果。
进一步，转轴的刚性杆的端头设有角度传感器，角度传感器为霍尔传感器。转轴的后端固定有径向磁化的磁铁，在转轴转动时磁铁随之转动，并引起周围磁场方向的变化。磁场方向传感器安装在电路板上，并与杆身固定。磁场方向传感器感应磁场方向的变化，并通过电信号发送到外部的数据读取系统，由此获得转轴转动角度的信息。
本发明具有的有益效果：
1、样品杆由外壳和转轴组装而成，旋转动作由转轴来完成，将旋转装置安装在杆身和转轴之间，而无需改变样品杆的形状和尺寸，因此无需改变电镜的结构，可以应用于一般商用透射电镜，具有高度通用性。
2、本发明设有角度传感器，能够随时读取角度，并通过角度传感控制技术，能够随时旋转到指定角度。
附图说明
图1是本发明透射电镜样品杆的结构图。
具体实施方式
一种三维重构所用的透射电镜样品杆，样品杆上连接有样品夹61，样品62装夹于样品夹61上；该样品杆包括中空的外壳1和安装于外壳1内的转轴2，转轴2和外壳1之间设置一对轴承3，转轴2上设有驱动转轴2自转的旋转驱动机构；样品夹61与转轴2的一端固定。将样品杆设置为由外壳1与转轴2组装而成，旋转动作由转轴2来完成，将旋转装置安装在杆身和转轴2之间，而无需改变样品杆的形状和尺寸，因此无需改变电镜的结构。轴承外圈与外壳1固定，轴承内圈与转轴2固定，轴承3使转轴2能周向转动而不能轴向平移。轴承3用无磁性材料制成，或者将轴承3安排在离样品较远、透射电镜内部磁场屏蔽层以外。
转轴2与外壳1共同组成样品杆，转轴2为一刚性杆。旋转驱动机构使转轴2自转，转轴2自转时、样品夹61带着样品62绕转轴2的中轴线自转，实现样品62的360°旋转。旋转驱动机构具有支架45和摩擦驱动组件，支架45具有凹形腔体，支架45与外壳1固定，摩擦驱动组件固定在腔体内；摩擦驱动组件由一对基板41、弹簧、螺钉43和压电片42组成，每个基板41上固定一个压电片42，螺钉43依次穿过两个基板41，转轴2穿过腔体位于两个基板41之间，压电片42分别贴紧转轴2。
样品杆的外壳1由两部分组装而成，例如，外壳1的两个部分通过螺纹连接。
组装时，先将摩擦驱动组件固定在支架45的腔体内，支架45上具有供转轴2穿过的通孔，摩擦驱动组件中两个压电片42之间的间隔与通孔对位。使转轴2穿过通孔和压电片42之间的间隔，然后调节螺钉43的松紧，使两个压电片42压紧转轴2。支架45与外壳1的固定方式可以是粘接固定，也可以是从外壳1向内拧螺钉43以实现支架45与外壳1的固定。
驱动转轴2转动时，对压电片42通电，两个压电片42沿同一时针方向缓慢搓动转轴2，转轴2旋转。压电片42失电时，迅速恢复形变，转轴2静止。如此，通过多次对压电片42通电、失电，使转轴2步进式累积旋转，从而实现转轴2的360°旋转。转轴2旋转时，带动样品夹61和样品62旋转，通过累积转动达到360°转动效果。
转轴2的刚性杆的端头设有角度传感器5，角度传感器5为霍尔传感器。转轴2的后端固定有径向磁化的磁铁51，在转轴2转动时磁铁51随之转动，并引起周围磁场方向的变化。磁场方向传感器52安装在电路板53上，并与杆身1固定。磁场方向传感器52感应磁场方向的变化，并通过电信号发送到外部的数据读取系统，由此获得转轴2转动角度的信息。
本发明具有的有益效果：
1、样品杆由外壳和转轴组装而成，旋转动作由转轴来完成，将旋转装置安装在杆身和转轴之间，而无需改变样品杆的形状和尺寸，因此无需改变电镜的结构，可以应用于一般商用透射电镜，具有高度通用性。
2、本发明设有角度传感器，能够随时读取角度，并通过角度传感控制技术，能够随时旋转到指定角度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种三维重构所用的透射电镜样品杆，样品杆上连接有样品夹，样品装夹于样品夹上；其特征在于：该样品杆包括中空的外壳和安装于外壳内的转轴，转轴和外壳之间设置一对轴承，转轴上设有驱动转轴自转的旋转驱动机构，样品夹与转轴一端固定。
2.如权利要求1所述的三维重构所用的透射电镜样品杆，其特征在于：旋转驱动机构具有支架和摩擦驱动组件，支架具有凹形腔体，支架与外壳固定，摩擦驱动组件固定在腔体内；摩擦驱动组件由一对基板、弹簧、螺钉和压电片组成，每个基板上固定一个压电片，螺钉依次穿过两个基板，转轴穿过腔体位于两个基板之间，压电片分别贴紧转轴。
3.如权利要求2所述的三维重构所用的透射电镜样品杆，其特征在于：样品杆的外壳由两部分组装而成。
4.如权利要求3所述的三维重构所用的透射电镜样品杆，其特征在于：转轴的刚性杆的端头设有角度传感器，角度传感器为霍尔传感器。
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