CN114038285A

CN114038285A - 一种电子显微及能谱原理实验教学装置

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Publication number: CN114038285A
Application number: CN202111445424.5A
Authority: CN
Inventors: 艾峥嵘; 于凯; 杨波
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114038285B

Abstract

本发明提供一种电子显微及能谱原理实验教学装置，属于实验教学领域，包括电子光路演示模块、可变真空操作演示模块、电子束通道开关操作演示模块、电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块；通过演示电子显微镜镜筒内电子信号的产生及汇聚过程，使学生了解电子光源的产生机理、电子束汇聚方法及汇聚过程电子束斑直径的变化，可进行电镜操作步骤的演示，方便进行物镜的种类及应用特点、能谱、电子束内容的教学理、物镜的种类、电子与样品相互关系及能谱内容进行教学，利用本发明的装置可以对扫描电子显微过程的原理进行直观、简单且全面地讲解与演示，经长期使用验证，该装置是一种高效的教学装置。

Description

一种电子显微及能谱原理实验教学装置

技术领域

本发明涉及实验教学领域，具体涉及一种电子显微及能谱原理实验教学装置。

背景技术

随着对物质微纳米结构科学研究的深入，通过电子光学显微分析已成为重要研究方法。同时，伴随能谱技术的日益进步与成熟，配合电子显微仪器使用，使其由单一的显微功能丰富为集微区观察和成分分析一体，极大地扩展了应用范围，已经成为冶金、材料、机械、采矿、化学等学科最常用的表征手段之一，在相关科学研究领域发挥重要作用。所以，培养各相关学科领域学生尤为重要。因此，电子显微原理及能谱原理实验教学必不可少。

目前，电子显微及能谱原理实验教学主要依托电子显微镜进行，并未提供一种高效的实验教学装置，且存在以下缺点：

1.仪器机时紧张。电子显微及能谱实验耗时长，且仪器利用率高，机时预约多都处于饱和状态，无法提供足够的教学演示时间。

2.场地空间有限。电子显微镜安放要求较高，对振动、噪声、卫生、环境电磁场都有很高的要求，无法提供大规模的教学演示空间。

3.教学效果不佳。电子显微镜作为精密仪器，不允许非授权人员随意使用，学生很难通过动手使用获得直观的理解。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种电子显微及能谱原理实验教学装置，包括电子光路演示模块、可变真空操作演示模块、电子束通道开关操作演示模块、电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块；

电子光路演示模块用于通过不同直径的LED灯演示电子显微镜中电子束汇聚过程中电子束斑尺寸变化规律；

可变真空操作演示模块用于通过开关控制不同指示灯的点亮、熄灭及指示灯颜色变化演示电子显微镜样品仓抽真空、卸真空操作过程真空状态变化；

电子束通道开关操作演示模块用于通过开关控制LED灯带和光纤的点亮、熄灭演示电子显微镜中电子束通道开关控制方式；

电子束聚焦过程演示模块用于通过控制不同位置的LED点亮演示电子显微镜聚焦过程电子束斑位置变化；

电子束扫描成像过程演示模块用于通过控制点阵点亮方式演示电子显微镜成像原理和过程。

所述电子光路演示模块包括3个不同直径的LED指示灯；使用直径26mm的LED指示灯模拟直径30微米的出射光源，使用直径16mm的LED指示灯模拟经第一聚光镜汇聚后形成直径3微米的汇聚束斑，使用直径11mm的LED指示灯模拟经第二聚光镜汇聚后形成直径0.3微米的汇聚束斑，使用直径5mm的LED指示灯模拟经末级物镜汇聚后形成直径1纳米的入射电子束斑。

所述可变真空操作演示模块包括1个双色指示灯和一个单色指示灯，所述双色指示灯代表电子显微镜样品仓抽真空过程的状态变化，当样品仓为高真空状态时打开电子束通道。

所述电子束通道开关操作演示模块包括LED灯带、光纤，LED灯带分别安装于镜筒部分、样品仓部分，光纤安装于通道控制部分，装置供电后，镜筒部分的LED灯带点亮、通道控制部分的光纤点亮、样品仓部分的LED灯带不亮，代表电子束产生后，通道未被打开，电子束无法经过通道进入样品仓；当打开电子束通道，镜筒部分LED灯带亮，通道控制部分的光纤熄灭，样品仓部分的LED灯带点亮，代表电子束经由通道照亮样品仓。

所述电子束聚焦过程演示模块包括ON-ON-ON型自复位扭子开关和三个LED指示灯，其中仅有一个LED指示灯安装于样品位置，通过点亮不同位置的LED指示灯演示电子束在合焦、过焦、欠焦状态下的图像清晰度变化。

所述电子束扫描成像过程演示模块通过单片机控制16X16 LED点阵模拟电子显微镜电子扫描成像过程。

所述通道控制部分的光纤额定电压为12V，光纤嵌套在石英管中，石英管的长度为750mm、内径为6mm、外径为10mm，光纤的长度为750mm、直径为5mm。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种电子显微及能谱原理实验教学装置，通过演示电子显微镜镜筒内电子信号的产生及汇聚过程，使学生了解电子光源的产生机理、电子束汇聚方法及汇聚过程电子束斑直径的变化，同时可进行电镜操作步骤的演示，方便进行物镜的种类及应用特点、能谱、电子束内容的教学，此外，利用本发明的装置可以对扫描电子显微过程的原理进行直观、简单且全面地讲解与演示，经长期使用验证，该装置是一种高效的教学装置。

附图说明

图1为本发明中电子显微及能谱原理实验教学装置的结构示意图；

图2为本发明中所述装置的外观示意图；

图3为本发明中所述装置的显示面板示意图；

图4为本发明中电子光路演示模块效果图；

图5为本发明中电磁透镜原理图，其中(a)为电磁透镜原理，(b)为物镜分类；

图6为本发明中电镜操作步骤演示模块效果图；

图7为本发明中电子束聚焦过程演示模块效果图，其中，(a)为合焦状态，(b)为过焦状态，(c)为欠焦状态；

图8为本发明中电子束扫描成像过程演示模块效果图；

图9为本发明中利用所述装置实现的电子显微镜成像原理的效果图；

图10为本发明中能谱原理图，其中(a)为特征X射线信号产生原理，(b)为铁元素的特征X射线能量值；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。本发明将电子显微镜及能谱配件工作原理、使用过程模块化，使用可见光模拟复杂的电子显微过程，通过“演示+讲解”的方式来完成各模块功能及原理的教学。

如图1所示，一种电子显微及能谱原理实验教学装置，包括电子光路演示模块、可变真空操作演示模块、电子束通道开关操作演示模块、电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块；

如图4所示，根据电子显微镜工作原理，完整电子光路由镜筒中产生并汇聚，经由通道在样品仓部分与样品进行相互作用。该模块由LED指示灯和图形、连线组成。其中，使用直径26mm的红色LED指示灯模拟直径30微米的出射光源；经过第一聚光镜汇聚后，形成直径3微米的汇聚束斑，使用直径16mm的红色LED指示灯模拟；经过第二聚光镜汇聚后，形成直径0.3微米的汇聚束斑，使用直径11mm的红色LED指示灯模拟；经过末级物镜汇聚后，形成直径1纳米的入射电子束斑，使用直径5mm的红色LED指示灯模拟，模块中光路、聚光镜、光阑等由连线和图形表示。通过该模块的演示与讲解，使学生了解电子显微镜成像的基本原理和过程。该模块样品仓部分设置了3个直径5mm等间距的红色LED指示灯，默认中间LED常亮，可通过控制面板上开关控制，在电子束聚焦过程演示模块中使用。

电磁透镜的基本原理，如图5(a)所示，电子显微镜电磁透镜一般设置3级，分别为第1、2级聚光镜和物镜，物镜位于镜筒的最下端，根据其磁场闭合位置不同，物镜主要可分为2种，如图5(b)所示，磁浸没式(左)和无磁浸没式(右)。通过对电磁透镜基本原理的讲解，使学生了解电磁透镜汇聚电子束过程实现方式，以及物镜的种类和应用特点。

本实施方式中的可变真空操作演示模块，如图6所示，使用直径16mm双色(红色和绿色)指示灯代表电子显微镜样品仓抽真空过程，使用直径16mm黄色指示灯代表电子显微镜样品仓卸真空过程。抽、放真空过程使用控制面板上的ON-OFF-ON型扭子开关控制，当开关处于中间位时，代表未进行真空操作，所有指示灯均不亮；当开关处于左侧位时，代表装置抽真空过程开始，双色指示灯红色亮，其他指示灯不亮，代表抽真空操作，通过时间继电器，5秒钟后，双色指示灯绿色亮，其他指示灯不亮，代表装置真空条件满足使用要求，可进行电子束通道开关操作，当开关处于右侧位时，代表装置卸真空过程，黄色指示灯亮，其他指示灯不亮。通过该模块的演示和讲解，使学生了解抽、放真空过程的逻辑顺序，即抽、卸真空不能同时操作，抽真空过程到满足使用真空条件需要一定时间。

本实施方式中的电子束通道开关操作演示模块，如图3所示，使用镜筒部分、样品仓部分灯带与通道控制部分光纤，演示电子显微镜使用过程的电子束通道开关操作过程；装置供电后，镜筒部分LED灯带点亮，通道控制部分光纤点亮，样品仓部分LED灯带不亮，代表电子束产生后，通道未被打开，电子束无法经过通道进入样品仓；通过控制面板船型开关打开电子束通道，镜筒部分LED灯带亮，通道控制部分光纤熄灭，样品仓部分LED灯带点亮，代表电子束经由通道照亮样品仓。通过该模块的演示和讲解，使学生了解电子束通道开关的作用与工作原理。

本实施方式中的电子束聚焦过程演示模块，如图7所示，通过控制点亮电子光路演示模块样品仓部分设置的直径5mm红色LED指示灯，演示电子显微镜中电子束聚焦过程。默认样品位于(1)处，当控制面板上的ON-ON-ON型自复位扭子开关处于复位(默认)状态时，中间位红色LED灯常亮，如图7(a)所示，代表合焦状态；开关左拨后，左侧位红色LED灯点亮，如图7(b)所示，代表过焦状态，此时相当于样品位于(2)处，松手后扭子开关复位；开关右拨后，右侧位红色LED灯点亮，如图7(c)所示，代表欠焦状态，此时相当于样品位于(3)处，松手后扭子开关复位。通过该模块的演示和讲解，使学生了解只有当电子束聚焦于样品时，才可以获得清晰的图像，而过焦和欠焦状态均不能获得，合焦就是通过调整电子束汇聚位置，获得清晰图像的过程。

本实施方式中的电子束扫描成像过程演示模块，如图8所示，使用16X16红色LED点阵模拟电子显微镜电子扫描成像过程；当控制面板上的无灯船型开关打开后，80C51单片机开始运行，控制跑马灯程序按照从左到右，从上到下的顺序依次点亮点阵中LED，所有LED均点亮后，稳定5秒钟，重复扫描过程；使用一端为RS232接口另一端为USB接口数据线，RS232接口端连接单片机，USB接口端安装在装置右侧控制面板上，方便进行单片机芯片程序烧录。通过该模块的演示和讲解，使学生了解电子束扫描成像过程。

按照装置结构，如图2所示，可分为显示面板、控制面板和框架，显示面板用于安装和显示各模块使用的各类指示灯组合及图形、连线等内容，控制面板用于安装各模块控制使用的开关、按钮等，框架用于为组装面板及零件提供载体。

框架，使用30mm*30mm铝合金型材，尺寸为长1280mm*宽230mm*高1750mm，框架底部带轮，可方便移动。

控制面板，尺寸为长150mm*高820mm。安装带灯船型开关1个、无灯船型开关3个、ON-OFF-ON型3档6脚钮子开关1个、ON-ON-ON型3档6脚自复位钮子开关1个、USB接口1个；分别为装置总电源开关、电子束通道开关操作演示模块控制开关、电子束聚焦过程演示模块控制开关、电子束扫描成像过程演示模块控制开关、可变真空操作演示模块控制开关、电子束聚焦过程演示模块控制开关及单片机编程接口。

显示面板，如图3所示，按结构分为罩板、主面板和背板，尺寸均为长1200mm*高820mm。其中，罩板使用3mm厚透明亚克力板，四周喷白色颜料，左上角喷蓝色校徽及装置全称，右下角喷黄色校训，主要作用为主面板提供保护。主面板使用3mm厚白色亚克力板，正面为显示部分，按照电子显微镜结构和功能主要划分为三个区域：镜筒部分、通道控制部分和样品仓部分，各部分区域对应电子显微镜结构并安装演示模块并配备有教学使用的相关原理图，背面用于进行电路布线及单片机安装，主面板是显示面板的核心部分。背板使用3mm白色亚克力板，外覆磁性软白板，主要作用为主面板背面内容模块提供保护，并可以使用白板笔书写使用。罩板与主面板中间夹层，分别在镜筒部分、样品仓部分对应区域的顶端、底端安装长度55cm、30cm，宽度1cm的白色LED灯带；在通道控制部分安装石英管(长度750mm，内径6mm，外径10mm)，石英管内穿入长度750mm、直径5mm的绿色光纤(额定电压12V)，灯带与光纤用于实现电子束通道开关操作演示模块功能。

镜筒部分区域位于显示面板左侧，面积长800mm*高820mm，包含电子光路演示模块、可变真空操作演示模块。该部分主要用于演示及讲解电子显微镜镜筒内电子信号的产生及汇聚过程，使学生了解电子光源的产生机理、电子束汇聚方法及汇聚过程电子束斑直径的变化，同时可进行电镜操作步骤演示，辅助教师教学。

通道控制部分区域位于显示面板中间，面积长30mm*高820mm，包含电子束通道开关操作演示模块。在电子显微镜中，电子束通道为连接镜筒与样品仓的重要结构。该部分主要用于演示及讲解电子显微镜使用过程中电子束通道开关的作用与工作原理。

样品仓部分区域位于装置显示面板右侧，面积长370mm*高820mm，包含电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块。该部分主要用于演示及讲解电子显微镜成像过程中电子束经汇聚入射进样品仓后与样品相互作用关系，使学生了解该过程样品发生的变化、信号产生的差别，同时进行能谱内容教学。

通过装置对应模块区域内安装的各类指示灯组合控制和图形、连线进行演示和讲解；当控制电源开关给装置供电后，电子光路演示模块自动运行，通过不同直径的LED灯演示电子显微镜镜中电子束汇聚过程中电子束斑尺寸变化规律；可变真空操作演示模块通过开关控制不同指示灯的点亮、熄灭及指示灯颜色变化演示电子显微镜样品仓抽真空、卸真空操作过程真空状态变化；电子束通道开关操作演示模块通过开关控制LED灯带和光纤的点亮、熄灭演示电子显微镜中电子束通道开关控制方式；电子束聚焦过程演示模块通过控制电子光路演示模块样品仓部分中LED点亮的位置，演示电子显微镜聚焦过程电子束斑位置变化；电子束扫描成像过程演示模块通过单片机控制16X16 LED点阵点亮方式，演示电子显微镜成像原理和过程。可变真空操作演示模块、电子束通道开关操作演示模块、电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块具有使用顺序和逻辑关系，使用电镜操作步骤演示模块进行电子显微镜操作步骤演示。

本发明装置可以辅助教学：结合电子光路演示模块可以进行电子显微镜电子汇聚过程工作原理讲解；结合电子束扫描成像过程演示模块可以进行电子显微镜成像过程工作原理讲解；还可以进行电子显微镜能谱配件的工作原理讲解。

如图6所示，使用LED指示灯和图形、连线演示电子显微镜操作步骤。其中，步骤I为可变真空操作演示模块内容，通过改变样品仓真空状态进行取换样品操作；通过电控设计，步骤II中电子束通道开关模块演示需要抽真空过程指示灯为绿色时方可进行，电子束聚焦模块演示需要电子束通道开关指示灯为红色时方可进行，电子束扫描成像模块演示需要电子束聚焦指示灯为红色时方可进行。通过电子显微镜操作步骤的演示和讲解，使学生了解电子显微镜使用的步骤和逻辑关系。

显微镜的成像原理图如图9所示，电子显微镜能谱配件作为其功能应用不可或缺的部分，使用的信号为特征X射线，信号产生过程如图10(a)所示，由于不同线系产生的能量不同，以铁元素为例详细解释说明，如图10(b)所示。通过能谱原理的讲解，使学生了解X射线信号产生的过程、特征和能谱的工作原理。实践证明，本发明的装置可以对扫描电子显微过程的原理进行直观、简单且全面地讲解与演示，经长期使用验证，该装置是一种高效的教学装置。

Claims

1.一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，包括电子光路演示模块、可变真空操作演示模块、电子束通道开关操作演示模块、电子束聚焦过程演示模块、电子束扫描成像过程演示模块；

2.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述电子光路演示模块包括3个不同直径的LED指示灯；使用直径d₁的LED指示灯模拟直径30微米的出射光源，使用直径d₂的LED指示灯模拟经第一聚光镜汇聚后形成直径3微米的汇聚束斑，使用直径d₃的LED指示灯模拟经第二聚光镜汇聚后形成直径0.3微米的汇聚束斑，使用直径d₄的LED指示灯模拟经末级物镜汇聚后形成直径1纳米的入射电子束斑。

3.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述可变真空操作演示模块包括1个双色指示灯和一个单色指示灯，所述双色指示灯代表电子显微镜样品仓抽真空过程的状态变化，当样品仓为高真空状态时打开电子束通道。

4.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述电子束通道开关操作演示模块包括LED灯带、光纤，LED灯带分别安装于镜筒部分、样品仓部分，光纤安装于通道控制部分，装置供电后，镜筒部分的LED灯带点亮、通道控制部分的光纤点亮、样品仓部分的LED灯带不亮，代表电子束产生后，通道未被打开，电子束无法经过通道进入样品仓；当打开电子束通道，镜筒部分LED灯带亮，通道控制部分的光纤熄灭，样品仓部分的LED灯带点亮，代表电子束经由通道照亮样品仓。

5.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述电子束聚焦过程演示模块包括ON-ON-ON型自复位扭子开关和三个LED指示灯，其中仅有一个LED指示灯安装于样品位置，通过点亮不同位置的LED指示灯演示电子束在合焦、过焦、欠焦状态下的图像清晰度变化。

6.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述电子束扫描成像过程演示模块通过单片机控制16X16 LED点阵模拟电子显微镜电子扫描成像过程。

7.根据权利要求1所述的一种电子显微及能谱原理实验教学装置，其特征在于，所述通道控制部分的光纤额定电压为12V，光纤嵌套在石英管中，石英管的长度为750mm、内径为6mm、外径为10mm，光纤的长度为750mm、直径为5mm。