北京，一列地鐵4號(hào)線列車在13.5米深的地下呼嘯而過，而100米開外北京大學(xué)某學(xué)院的大樓里，一臺(tái)電子顯微鏡內(nèi)“仿佛刮起了一陣颶風(fēng)”。

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用肉眼看，似乎這臺(tái)電子顯微鏡的金屬鏡筒安安穩(wěn)穩(wěn)地靜立在桌子上，但在鏡筒內(nèi)由于地鐵開過產(chǎn)生的震動(dòng)和磁場(chǎng)影響，樣品相對(duì)電子束的位置已經(jīng)悄然發(fā)生了變化。觀察顯示屏上的圖像，發(fā)現(xiàn)似乎長(zhǎng)出了“毛刺”，原來纖毫畢現(xiàn)的納米級(jí)分辨率圖像已變得模糊不清。

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據(jù)了解，在北大校園內(nèi)，因地鐵運(yùn)行受到影響的精密儀器，遠(yuǎn)不止這臺(tái)價(jià)值數(shù)百萬元的電子顯微鏡。4號(hào)線開通時(shí)，北大有價(jià)值11億元的精密儀器，其中4億元的儀器受到了影響。除了北大，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、首都醫(yī)科大學(xué)等也都面臨過類似問題。

未受振動(dòng)（左）和受到振動(dòng)（右）影響的掃描電鏡圖像對(duì)比

現(xiàn)如今，大量的科學(xué)研究和高端工業(yè)分析都離不開精密儀器和設(shè)備，精密儀器被稱為是“科學(xué)研究的先行官、工業(yè)生產(chǎn)的倍增器”。

但越精密的儀器對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的要求越嚴(yán)格，儀器在不符合要求的場(chǎng)地下運(yùn)行導(dǎo)致無法獲得有用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)甚至出現(xiàn)運(yùn)行異常，這已經(jīng)不是新鮮事了。精密儀器在合格的場(chǎng)地環(huán)境下運(yùn)行才能真正體現(xiàn)其價(jià)值，為科研工作提供助力。

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電子顯微鏡是最重要的微觀觀測(cè)工具，分辨率可達(dá)零點(diǎn)幾個(gè)納米，是非常精密的科學(xué)儀器設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛。而電子顯微鏡對(duì)于場(chǎng)地環(huán)境的要求主要是在震動(dòng)、磁場(chǎng)和噪音等方面，這些指標(biāo)在設(shè)備安裝前，都需要由廠家的工程師攜帶專業(yè)的場(chǎng)地量測(cè)工具前往客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，判斷場(chǎng)地是否合格并給出測(cè)量報(bào)告。如果不合格，則必須更換場(chǎng)地或是對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整改。

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一臺(tái)超高分辨的掃描電子顯微鏡

此外，電子顯微鏡對(duì)于場(chǎng)地環(huán)境還有一些分析儀器通用的要求，例如實(shí)驗(yàn)室的溫度和濕度（溫度過高、過低，或波動(dòng)劇烈都會(huì)導(dǎo)致儀器運(yùn)行異常）、獨(dú)立電源和獨(dú)立地線（這兩個(gè)是電干擾的主要來源）等。

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下面我們就把場(chǎng)地環(huán)境對(duì)電鏡可能產(chǎn)生的主要影響一一進(jìn)行詳細(xì)說明，希望能夠幫助大家更好地理解并有效防范。

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震動(dòng)的影響

對(duì)于電鏡來說，外界震動(dòng)會(huì)造成在電子束下落過程中，樣品相對(duì)電子束發(fā)生位移，從而使得電子束轟擊位置出現(xiàn)錯(cuò)位，電鏡圖像上會(huì)出現(xiàn)鋸齒或抖動(dòng)。由于電子顯微鏡觀測(cè)倍率高，微小的震動(dòng)也會(huì)影響使用。

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由于震動(dòng)影響，電鏡圖像上出現(xiàn)鋸齒

因此，電鏡都內(nèi)置了減振裝置，使得鏡筒、樣品室不與地面硬性相連。根據(jù)減振方式的不同，減振裝置可以分為被動(dòng)式減振和主動(dòng)式減振兩種。主動(dòng)式減振對(duì)于常見的低頻震動(dòng)減除效果優(yōu)于被動(dòng)式減振，所以高端電子顯微鏡一般會(huì)配置主動(dòng)減振。

如果外界震動(dòng)過強(qiáng)，即使配置了減振裝置，也無法完全消除環(huán)境震動(dòng)對(duì)于電鏡的影響。因此，在通常情況下，需要盡量符合以下條件以保證振動(dòng)環(huán)境滿足安裝要求：

1. 實(shí)驗(yàn)室設(shè)在沒有地下室或地下車庫的一樓；

2. 場(chǎng)地不靠近車流頻繁的馬路；

3. 附近沒有安裝類似拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備。

磁干擾的影響

磁干擾是指由電場(chǎng)、磁場(chǎng)及射頻等產(chǎn)生的輻射信號(hào)源，對(duì)儀器設(shè)備尤其是精度較高的儀器設(shè)備而言，會(huì)產(chǎn)生不利影響。

磁場(chǎng)產(chǎn)生的原因很多，手機(jī)的基站、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)布線不合理的電線、不合適的照明燈、附近其它的大型設(shè)備，甚至運(yùn)行中的電梯都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，而這些都是我們要盡力避免的。

如果電子顯微鏡安裝在有強(qiáng)雜散磁場(chǎng)的環(huán)境中，電子束將被該磁場(chǎng)強(qiáng)制抖動(dòng)，引起成像時(shí)異常的放大、收縮、扭曲、飄移或針狀噪聲。

因此，在電鏡設(shè)計(jì)中，為避免電源的干擾，捕捉圖像的掃描模式與電源頻率同步，盡可能減小了同步磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾。當(dāng)有與電源頻率同步的雜散磁場(chǎng)（交流磁場(chǎng)）超標(biāo)時(shí)，引起的干擾通常表現(xiàn)為圖像的扭曲、膨脹或者收縮，如圖1。

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圖1：圖像異常放大、收縮（左）圖像扭曲失真（右） ? ??

當(dāng)有與電源頻率不同步的雜散磁場(chǎng)（例如直流磁場(chǎng)）存在時(shí)，引起的干擾通常表現(xiàn)為圖像的漂移或?yàn)獒槧钤肼暎鐖D2。

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圖2：干擾的圖像（左）直流磁場(chǎng)的變化（右） ? ??

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磁場(chǎng)超標(biāo)情況下拍攝的SEM圖像

地線的影響

精密的分析儀器基本都要求獨(dú)立地線，如果不接地線或者沒有獨(dú)立地線都有可能導(dǎo)致電干擾，使得分析結(jié)果異常。對(duì)于電鏡而言，一般表現(xiàn)為圖像上出現(xiàn)毛刺。

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未接地線對(duì)SEM圖像的影響

這里有一個(gè)判斷干擾類型的小竅門：

電干擾和振動(dòng)干擾對(duì)圖像的影響極為相似，通常無法直觀分辨。但可以通過改變工作距離（WD）的方式來進(jìn)行判斷，如果干擾幅度跟隨工作距離變化而變化，則是振動(dòng)干擾，如果未發(fā)生不變化，則是電干擾。

噪音的影響

超出儀器允許強(qiáng)度的噪音，無論是低頻或是高頻，聲波（空氣的擾動(dòng)）都會(huì)對(duì)電子顯微鏡的電子鏡筒產(chǎn)生擾動(dòng)，從而改變電子束位置，導(dǎo)致圖像的異常，影響設(shè)備使用。因此，如果測(cè)試環(huán)境附近有任何可能的聲源干擾，均需要使用專門的設(shè)備測(cè)試噪音。如果噪音超標(biāo)，則需要通過隔離或者降噪設(shè)備來消除噪音。

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對(duì)于如電子顯微鏡類的高端精密儀器，場(chǎng)地環(huán)境造成的影響尤如“蝴蝶效應(yīng)”。有學(xué)者認(rèn)為，由于環(huán)境影響造成的巨大浪費(fèi)，“花100萬美元買回來的儀器，只能當(dāng)10萬美元的用”。

許多儀器的使用者并不知曉，場(chǎng)地環(huán)境會(huì)對(duì)儀器的使用和性能產(chǎn)生這么大的影響。但是電子顯微鏡等精密儀器對(duì)于環(huán)境的敏感度是人體的成百上千倍，我們看不到、感受不到的事物也許正在影響、改變著我們，我們必須加以重視。