为了扩大原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）使用范围,研制了一套大范围高速AFM系统。针对大范围高速扫描时Z方向控制问题,提出了前馈反馈混合控制方法。前馈控制包括自动调平前馈和基于前一行扫描前馈,前者通过多线扫描确定样品倾斜位置,将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,然后将其换算为Z向驱动电压后驱动下扫描器运动;后者利用前一行扫描高度数据作为当前行Z向扫描器驱动的参考输入。反馈控制为在普通比例-积分（PI）控制基础上改进的动态P参数PI控制,P参数设置与误差大小有关。实验结果表明：采用本控制方法最大控制误差由40.17nm减小为6.01nm,误差均方根值由22.85nm减小为2.01nm,明显抑制了误差信号,提高了Z向控制效果,获得了更精确的高度图像。

针对目前高速扫描型原子力显微镜（AFM）主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。

针对传统比例-积分-微分（PID）控制器参数整定困难的问题,提出一种新型比例-积分（PI）参数自动寻优控制器（SPO）.先确定PI参数的取值范围,按一定取值间距建立PI参数的查找表;针对反馈跟踪控制的3个性能指标,包括上升时间、超调量和稳态误差,分别根据查找表的参数进行轮询式测试,建立3个独立的性能评价数据库;根据满意度函数映射和自动规则产生算法,将3个评价数据库分别用函数表示;为了综合考虑3个性能指标,使系统控制的整体性能达到最佳,引入了价格函数;最后通过基于层截面颗粒度分析的图形算法,寻找出最优的PI参数.在原子力显微镜（AFM）上的实验证明,本控制器能自动寻找出适合当前系统状态的最优PI参数,可避免由于人为经验因素对扫描成像造成的影响,从而取得更好的扫描图像.

为了进一步扩大原子力显微镜（AFM）的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统。该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制。针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术。首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入。实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响。

本文以物镜磁透镜稳流电源为例,介绍了透射电子显微镜透镜稳流电源的结构和工作原理。透镜稳流电源由前置高精度稳压电源模块、数模转换器、低漂移电压比较放大器、高精度恒温基准电压源、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。通过检测基准电阻两端的电压并将其反馈到电压比较放大器形成对输出电流的闭环控制,达到对电流稳定度的要求。透镜稳流电源受计算机的控制,能接收稳流电流参数,并将电源的工作状态发送给计算机。实验结果表明该透镜稳流电源完全达到了设计指标,可以满足透射电子显微镜各级磁透镜的要求。

X射线显微分析技术利用X射线的穿透能力,结合精密定位和数据反演技术,可以在微米甚至亚微米尺度上展现被测样品的内部结构、密度和缺陷等特征信息。该技术已然成为一种重要的物理分析方式,且被广泛应用于生命科学、材料学和先进制造等领域。微焦点X射线源是X射线显微分析系统的核心部件之一,其性能直接影响着系统的测试分辨率和效率。针对微焦点X射线源使用中安全防护升级、工作效率提升、控制精度提高的需求,设计一套基于PLC的微焦点X射线源控制系统,并介绍该系统具体的实现过程。采用JIMA分辨测试卡进行分辨率成像实验,实现了3μm线对的分辨率,证实了该控制系统性能良好,能够满足使用需求。