日立S-450掃描電鏡真空系統(tǒng)分析及故障處理

龐海龍

（西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州　730070）

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日立S-450掃描電鏡真空系統(tǒng)分析及故障處理

龐海龍

（西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

摘要：在對日立S- 450型掃描電鏡真空系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作流程、控制原理及電路特點認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，對真空系統(tǒng)放氣流程中發(fā)生的故障進(jìn)行了詳細(xì)描述分析。從控制電路的電源入手，將故障范圍縮小到了電磁閥驅(qū)動電路，通過對此電路組成的特點分析、電路關(guān)鍵點參數(shù)的測量及其相關(guān)電子元器件技術(shù)參數(shù)的查閱，采用國產(chǎn)元器件成功修復(fù)了掃描電鏡不能執(zhí)行放氣流程的故障，并從加強(qiáng)學(xué)習(xí)、注意收集資料、處理故障的方法、積極的日常維護(hù)等方面淺談了掃描電鏡維護(hù)與故障處理的幾點體會，希望對還在繼續(xù)使用同類電鏡的同仁有所參考，使這類老型號的大型精密儀器能夠繼續(xù)發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：掃描電鏡；真空系統(tǒng)分析；故障處理

DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.05.010

西北師范大學(xué)使用的日立S-450型掃描電鏡是上世紀(jì)80年代從日本購進(jìn)的，2000年對其照相系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，至今仍然為學(xué)校的教學(xué)科研發(fā)揮著作用。電鏡是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴的精密儀器，需要精心維護(hù)、科學(xué)管理、嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程。即使如此，在工作過程中發(fā)生各種故障也是不可避免的。出現(xiàn)故障后能夠及時處理是保證電鏡正常發(fā)揮作用的前提，由于電鏡本身的復(fù)雜性以及很強(qiáng)的專業(yè)性，再加上產(chǎn)品的更新，使得故障維修十分困難，尤其對于老型號的電鏡面臨的情況更加嚴(yán)峻。前段時間，筆者就經(jīng)歷了自電鏡安裝以來真空系統(tǒng)最嚴(yán)重的一次故障，最后經(jīng)過努力成功修復(fù)的案例。關(guān)于日立S-450型掃描電鏡故障處理案例有文獻(xiàn)報道過，但關(guān)于真空系統(tǒng)出現(xiàn)大面積故障報道沒有見諸于文獻(xiàn)，因此筆者將處理過程整理報道，希望對還在繼續(xù)使用同類電鏡的同仁有所參考，使這類老型號的大型精密儀器能夠繼續(xù)發(fā)揮作用。

1　真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

真空系統(tǒng)是掃描電鏡的重要組成部分，其正常工作并維持鏡筒中的高真空度是掃描電鏡正常運(yùn)行的前提，因此了解掃描電鏡的真空系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作流程，對于掃描電鏡的日常維護(hù)及正確處理真空系統(tǒng)故障極其重要。

1.1真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

掃描電鏡（SEM）的真空系統(tǒng)由鏡筒、抽氣管道、電磁閥、真空計、擴(kuò)散泵、機(jī)械泵及冷卻水系統(tǒng)組成，見圖1所示。

圖1　掃描真空系統(tǒng)

1.2真空系統(tǒng)工作流程

掃描電鏡真空系統(tǒng)的工作流程主要分為開機(jī)流程、放氣流程、再抽氣流程和關(guān)機(jī)流程。正常情況下，電鏡對操作人員的具體操作會進(jìn)行響應(yīng)，按照預(yù)先設(shè)計的工作流程分別完成這四種流程中的任何一種。

1.2.1開機(jī)流程

開啟冷卻水閥門，合上電源總開關(guān)等穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定后，合上掃描電鏡主機(jī)電源開關(guān)，此時電磁閥LV2關(guān)閉，同時機(jī)械泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，緊接著電磁閥V3打開，30 s后電磁閥V3關(guān)閉，當(dāng)真空計（Pirani）檢測鏡筒真空度小于0.1 mmHg時，電磁閥V2關(guān)閉，10 s后電磁閥V1打開，直到真空度小于0.01 mmHg時，面板高真空指示燈亮起，表示掃描電鏡真空度達(dá)到工作要求。

1.2.2放氣流程

當(dāng)更換樣品、清洗鏡筒或檢修等需要打開鏡筒時，就需要啟動放氣流程。按下主機(jī)面板上的放氣按鈕“AIR”，電磁閥V1、V2同時關(guān)閉，大約1 s后電磁閥LV1打開，約15 s后電磁閥V3打開空氣進(jìn)入鏡筒，至此完成放氣流程。

1.2.3再抽氣流程

當(dāng)更換樣品、清洗鏡筒或檢修等操作完成后，要啟動再抽氣流程，使電鏡恢復(fù)到原來的真空狀態(tài)。啟動再抽氣流程時，按下主機(jī)面板上的抽氣按鍵“EVAC”，約1 s后，電磁閥V3、LV1同時關(guān)閉，直到鏡筒中的真空度小于0.1 mmHg后，電磁閥V2關(guān)閉，10 s后電磁閥V1打開，直到真空度小于0.01 mmHg時，面板高真空指示燈亮起達(dá)到工作條件。

1.2.4關(guān)機(jī)流程

當(dāng)完成工作任務(wù)，需要關(guān)機(jī)時，啟動關(guān)機(jī)流程。扳下主機(jī)面板上的“OFF”開關(guān)鍵后，電磁閥V1、V2、V3、LV1同時關(guān)閉，緊接著電磁閥LV2打開，此時機(jī)械泵和擴(kuò)散泵同時停止轉(zhuǎn)運(yùn)。

2　真空系統(tǒng)的控制電路

要實現(xiàn)掃描電鏡真空系統(tǒng)的工作流程，必須依靠相應(yīng)控制電路。日立S-450掃描電鏡真空系統(tǒng)電路圖2包括供電電路、傳感器電路、邏輯控制電路、安全保護(hù)電路、電磁閥驅(qū)動電路及電磁閥。

電鏡開機(jī)后，正常情況下會自動進(jìn)入程序運(yùn)行，由邏輯控制電路按照預(yù)先設(shè)計的程序向電磁閥驅(qū)動電路發(fā)電平信號，驅(qū)動不同的電磁閥動作，由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵完成抽真空程序。

圖2　真空系統(tǒng)控制電路

3　真空系統(tǒng)故障實例分析與處理

3.1故障現(xiàn)象

該故障發(fā)生于電鏡正常工作期間更換樣品時，不能執(zhí)行放氣流程，無法更換樣品。即按下“AIR”按鈕，電鏡沒有任何響應(yīng)。

3.2故障分析與處理

根據(jù)放氣流程可知，當(dāng)按下“AIR”按鈕后，電磁閥V1、V2應(yīng)同時關(guān)閉，會聽到電磁閥的吸合聲，但什么反應(yīng)都沒有。電磁閥V1、V2出故障時，電磁閥LV1也不會動作，放氣流程就無法繼續(xù)，當(dāng)然也就無法更換樣品。

此故障有可能發(fā)生在傳感器電路、邏輯控制電路、繼電器、電磁閥驅(qū)動電路、電磁閥本身及電源系統(tǒng)等。首先檢查真空系統(tǒng)的電源電路。通過檢測5 V、8 V、±15 V 及24 V電源輸出都正常，但測量電容C1兩端的電壓卻只有16.7 V，明顯太低，說明100 V電源發(fā)生故障，應(yīng)重點檢查，見圖3所示。

圖3　LV1驅(qū)動電路

用數(shù)字萬用表檢測100 V電源整流橋堆SR1輸出端，有105.3 V的電壓，電容C1兩端的電壓只有16.7 V，此時檢測電阻R1兩端電壓高達(dá)87.3 V，而且還比較燙，說明通過R1的電流比較大，后級負(fù)載可能有部分短路，為避免故障擴(kuò)大立即關(guān)機(jī)。斷掉主機(jī)電源，拔下插頭CN1401，分別測量插座CN1401的電極3、4、8、14、17腳的對地電阻，發(fā)現(xiàn)17腳的對地電阻約0.5 Ω，其對應(yīng)的電路正好是電磁閥V1的驅(qū)動部分，見圖4所示。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)三極管Q8、Q9、Q18均已擊穿。這三種管子均為NPN型硅管，且原型號管子已經(jīng)很難找到，Q8為2SC627選用2SC2611替換，Q9為2SD159選用能夠找到的2SC2913替換，Q18為2SC1707選用2SC1815替換。

圖4　電磁閥V1驅(qū)動電路

更換完成后，恢復(fù)電路原狀并仔細(xì)檢查接線無誤后接通電源，此時測量電容C1兩端的電壓為154.7 V，電阻R1兩端電壓為158.0 V，再檢查Q9集電極對地電壓為98.3 V都已基本正常，但此時電磁閥V1、V2仍然不能動作，電鏡仍不能執(zhí)行放氣流程。

繼續(xù)測量Q19、Q20、Q21集電極對地電壓均為10 mV左右，表明此三極管有故障，停機(jī)后將Q19、Q20、Q21用2SC1815更換。再次開機(jī)后電鏡能夠執(zhí)行正常抽氣流程，并且也能夠執(zhí)行放氣流程且順利更換樣品，正常關(guān)機(jī)。

第二日開機(jī)后發(fā)現(xiàn)漏氣聲音，根據(jù)上面的開機(jī)流程可知，漏氣很可能是電磁閥LV2不能正常關(guān)閉所致。經(jīng)檢查LV2的驅(qū)動電路（圖3），發(fā)現(xiàn)Q4、Q6已經(jīng)擊穿，同時還發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓二極管ZD3也擊穿，電容C12有變形現(xiàn)象，將型號為2SC627的Q2、Q4、Q6、Q7用2SC2611更換，將型號為RD7A的穩(wěn)壓二極管ZD3用1N4735A的穩(wěn)壓管代換，為了不留隱患將電容C12由10 μF/16 V更換為10 μF/50 V后，恢復(fù)電路開機(jī)試運(yùn)行，至此電鏡真空系統(tǒng)運(yùn)行一切都恢復(fù)正常。

邊觀察邊工作一周后，電磁閥V1的動作時而正常時而不正常。當(dāng)不正常時，也就不能執(zhí)行放氣流程更換樣品。仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)控制電磁閥V1的繼電器動作時，有時能聽到電磁閥V1動作聲，有時只能聽到繼電器的動作，卻聽不到電磁閥的動作。停機(jī)后認(rèn)真仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)繼電器RL1的其中一個觸點有燒蝕痕跡，從電路板上拔下繼電器RL1，拿掉繼電器的有機(jī)玻璃保護(hù)罩，在放大鏡下檢查并用很細(xì)的砂紙輕輕磨平磨光被燒蝕的觸點，然后用無水乙醇清洗，等徹底干燥后重新組裝并恢復(fù)電路。仔細(xì)檢查電路一切都恢復(fù)原位后，開始試機(jī)，電鏡恢復(fù)到正常狀態(tài)。連續(xù)觀察運(yùn)行至今一年多時間了，電鏡仍然工作正常。這表明這次故障處理是成功的。

4　幾點體會

4.1加強(qiáng)學(xué)習(xí)并注意收集資料

由于電鏡專業(yè)性太強(qiáng)，這方面的資料較少，各廠家的設(shè)計不盡相同，提供的技術(shù)資料和線路圖不細(xì)不全，設(shè)備也在電子技術(shù)的進(jìn)步下不斷更新。因此，作為電鏡管理維護(hù)人員，在平時工作中一定要對自己管理使用的電鏡組成結(jié)構(gòu)、各單元控制電路的特點、工作原理等進(jìn)行深入研究，并注意收集積累相關(guān)電路的技術(shù)資料、重要元器件的技術(shù)參數(shù)資料。只有這樣，才能做到小故障不出實驗室，大故障心中有數(shù)。

4.2處理故障從重點電路入手

在分析故障時，首先應(yīng)從每個單元電路的供電電源入手，這樣往往可以做到事半功倍的效果。例如，本例故障中通過對電源的檢測，就將故障部位縮小到電磁閥驅(qū)動電路。

4.3使用國產(chǎn)元件替換某些進(jìn)口元件是可能的

隨著我國微電子行業(yè)的不斷發(fā)展，國產(chǎn)零配件在使用過程中，可靠性越來越高，用國產(chǎn)配件修復(fù)的多臺大型儀器使用至今，更換的國產(chǎn)零配件一直正常工作。這也表明使用國產(chǎn)零配件的方法是切實可行的。

4.4嚴(yán)格管理，積極維護(hù)

電鏡的維護(hù)與維修是密切相關(guān)的，平時注意維護(hù)，故障出現(xiàn)的機(jī)率就會明顯減少，維修的次數(shù)也會下降，電鏡的使用壽命就延長。因此日常工作中，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備的操作規(guī)程，對需要定期維護(hù)的項目認(rèn)真進(jìn)行。

5　結(jié)束語

隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，電鏡維修工作難度很大，且大多都是從國外購進(jìn)，廠家維修服務(wù)幾乎延伸不到，國內(nèi)能夠維修電鏡的技術(shù)人員數(shù)量又嚴(yán)重不足、維修費(fèi)用昂貴等因素，致使電鏡一旦發(fā)生故障，維修就變得十分困難，很多電鏡出現(xiàn)故障都要等待好長時間。尤其對于一些早期生產(chǎn)的老型號電鏡，由于配件缺乏等原因，對電鏡工作者提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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作者簡介：龐海龍（1965-）男，漢族，甘肅靈臺人，碩士，實驗師，主要從事生物顯微技術(shù)實驗教學(xué)及大型精密設(shè)備管理工作。

收稿日期：2016- 2- 29

中圖分類號：TN16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A