透射电子显微镜透镜稳流电源的研究

　　透射电子显微镜是应用最广泛的一种电子显微镜, 它是以电子束透过样品经过聚焦与放大后投射到荧光屏上进行成像的。透射电镜放大倍数可达几十万倍, 使用透射电镜观察样品能获得高分辨率的超微结构图像, 因此它是材料学和细胞学研究的重要仪器, 在纳米技术的研究及开发中同样为首选的科学仪器。透射电镜是当今受普遍关注的显微技术,具有十分广阔的应用前景。

　　1 透射电子显微镜电源系统

　　透射电子显微镜的电子光学系统由电子枪、聚光磁透镜、样品台、物镜磁透镜、多级中间放大磁透镜、投射磁透镜、图像观察荧光屏组成。透射电子显微镜包含多个磁透镜, 这些透镜均需要独立的稳流电源, 驱动电流范围 1～14A, 而且需要非常高的电流稳定度, 具体指标见表 1, 因此在设计透镜稳流电源时要充分考虑参数的稳定度, 并且留有足够的功率余量。透射电子显微镜透镜稳流电源由数字信号处理器(DSP) 作控制单元, 控制物镜、聚光镜、多级中间透镜、电对中、像散、偏转稳流电压以及各级前置稳压电源, 并对输出电流进行检测。透射电子显微镜电源系统总体框图如图1 所示。

　　DSP 控制单元是透射电子显微镜电源系统的控制中心, 它既可以通过预设参数控制电镜独立工作, 也可以通过以太网与上位机通讯, 读取上位机发来的指令, 控制电镜运行, 同时将透镜电源系统的状态反馈给上位机, 并对电源系统的运行状态进行判断和处理。

　　2 透镜稳流电源电路结构

　　各级透镜的稳流电源结构相差不大, 现以功率最大的物镜稳流电源为例来说明其结构形式。透镜稳流电源由高精度数模转换器、低漂移电压比较放大器、高精度恒温基准源、电流输出前置驱动、电流输出功率模块、基准电阻、输出电流检测模块等组成。透镜稳流电源电路方框图如图2 所示。

　　透镜稳流电源的详细原理图如图3 所示, 其工作原理如下: 设备启动后, 根据电子光学的需求, 计算机将各透镜的电流参数发送给 DSP 控制单元, DSP 控制单元依次选通各级透镜稳流单元, 将对应的电流参数经光电隔离器传送给透镜稳流单元的高精度数模转换器 AD669, 经数模转换后, 模拟电压加到低漂移运算放大器 OP07 上, 再经电流输出前置驱动来调节功率管 2SD555 输出电流的强度, 采用多个功率管并联的办法, 可获得所需的大电流强度, 并使每个功率管的负荷较轻, 减少其热效应, 最终输出的电流加到电磁透镜线圈和基准电阻上。由于基准电阻串联在负载回路中, 当温度等其它因素引起负载电流变化时, 必使基准电阻两端的电压发生变化, 这个变化量反馈给低漂移电压比较放大器并与模数转换器送出的模拟电压进行比较, 然后调节电流输出功率模块使得电流达到稳定。每个功率管发射极都串联一个小阻值电阻, 当外界因素使功率管发射极电流增加时, 小阻值电阻两端的压降会上升, 使功率管集电极与发射极间的压降降低, 致使发射极电流减小, 进而在并联的功率管之间起到均流的作用。