日本電子1400-Plus透射電鏡的軟件操作及日常維護

(首都醫科大學中心實驗室，北京 100069)

透射式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，簡稱TEM)，是根據電子光學原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡，使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像的儀器。透射電子顯微鏡分辨率高、放大倍數大，廣泛應用于材料科學與生命科學領域。目前日本電子1400-Plus透射電鏡自帶安裝了Radius軟件，它是一款性能強大的應用軟件，可采集樣品的高分辨率圖像，并可以對高分辨率圖像進行處理分析，最后可以自動生成圖像和報表。透射電鏡因結構復雜，價格昂貴，對軟件操作有嚴格的要求，平時還需要正確恰當的日常維護保養以保證儀器的正常運轉，并延長其使用壽命。本文介紹了日本電子1400-Plus透射電鏡的Radius軟件基本操作和日常維護[1-3]。

1 Radius軟件介紹

Radius軟件是德國EMSIS公司研發并且應用于透射電子顯微鏡上的專用軟件。該軟件直接控制顯微鏡，可采集處理和保存樣品的高分辨率圖像，可以更改放大倍率和控制測向儀，以及降低和升高熒光屏幕。圖像采集期間，軟件會讀出顯微鏡上安裝的攝像頭的數據，并實時成像將其顯示在計算機顯示屏上，還可以對攝像頭進行不同設置，如陰影矯正、攝像頭分辨率、曝光時間等。圖像處理期間，可采集處理和保存樣品的高分辨率圖像，例如測量線條長度或角的度數等，測量對象將顯示在圖像的繪圖層中，測量結果將會顯示在表格中，可將測量結果導出為XLS 格式。此軟件可以對圖像執行傅里葉分析和多種濾鏡可逆地優化圖像質量，優化亮度對比度，使得圖像變得更加光滑和清晰。除此之外，還有自動聚焦、像散矯正、翻轉圖像，以及以任意角度旋轉圖像等功能。圖像保存期間，可以生成 MS-Word 報表或TIF 文件格式保存圖像。如果以 TIF 格式保存采集的圖像，則會隨圖像一起自動保存大量重要的圖像信息，例如所用攝像頭、曝光時間、分辨率、創建時間等。

2 Radius軟件操作界面簡介(圖1)

軟件為圖像的拍照采集處理設計的，操作界面簡潔方便，此外有很大的配置靈活度，可方便地對其進行調整，以滿足各種任務的具體需求。分為5個功能分區，每個分區都有不同的功能。

2.1 菜單欄

可以通過使用對應菜單調用多個命令，可添加、修改或刪除菜單，從而滿足各種需求。

2.2 文檔組

文檔組包含所有已載入的文檔如圖表等。啟動本軟件時，文檔組為空，此時放入樣品采集圖像或執行各種圖像處理操作，更改源圖像和創建新圖像時，文檔組中會填入相關內容。

2.3 工具欄

將經常使用的命令鏈接到某個按鈕，從而可以快速便捷地訪問這些功能。有很多功能只能通過工具欄訪問，如為圖像添加批注所需的繪圖功能等。

2.4 工具窗口

將各種功能合并到不同的組中。例如：在屬性工具窗口中，可以找到用于活動文檔的所有信息。與對話框不同的是，工具窗口只要開啟就會始終在用戶界面上可見，這樣可隨時訪問工具窗口中的設置。

2.5 狀態欄

包含大量信息，例如每個功能的簡要描述，只需將鼠標指針移到各命令或按鈕上就可以查看此信息。

圖1 Radius軟件操作界面

3 Radius軟件的基本操作

3.1 Radius軟件拍照步驟

3.1.1尋找樣品

將裝有銅網的樣品桿插入樣品室，打開預抽開關進行樣品隔離室預抽，約2～3分鐘后綠燈亮，然后順時針轉→推→轉樣品桿，最后緩慢送入觀察位置，打開高壓，待束流數值穩定，打開燈絲電流開關，燈絲電流自動達到飽和，熒光屏上出現圖像。用軌跡球或按鈕移動樣品，在電鏡熒光屏上找到樣品的位置。

3.1.2動態觀察

插入相機，按Live按鈕(圖2)，用控制面板上的放大倍率旋鈕選擇放大倍數，聚焦旋鈕聚焦圖像，亮度旋鈕調節亮度，觀察到樣品的畫面。

3.1.3拍攝圖像

微調焦距，得到清晰的圖像，按Snapshot按鈕(圖2)，采集圖像。

3.1.4漂移矯正

如果樣品漂移，可以在Snapshot drift correction前打勾，啟動漂移矯正功能。此功能無需事先校準，但會使拍圖像所花時間延長1倍以上。

圖2 相機控制

3.2 Radius軟件保存圖片步驟

Radius軟件里可以自動保存拍到的圖像。點擊Camera Control里面的Acquisition Settings圖標(圖2中方框)，進入設置界面(如圖3)，在Saving下的Snapshot里設置自動保存圖像的路徑，在Movie里設置自動保存視頻的路徑。在Create Subdirectory前打勾，會將圖像自動保存在以當天日期為名的子文件夾里，在這個界面里也可以設置保存圖像的格式。按Options按鈕后彈出的設置TIF格式的界面(如圖4)，這是EMSIS公司推薦采用的原始數據+縮略圖的TIF格式，圖像會包含兩層，第一層是8位的圖像，里面印入了標尺、圖像信息以及對圖像做的任何標記(比如測量的結果)，可以在任何圖像軟件中打開。第二層是16位的原始數據，也包含了相關信息，可以后續進一步處理或者修改，但是只能在Radius軟件中打開。如果用Radius軟件打開，會直接打開第二層，用其他軟件打開時，會優先打開第一層。

圖3 文件設置

圖4 圖片格式

3.3 Radius軟件陰影矯正步驟

陰影矯正是刪除來源于成像系統但不屬于實際圖像信息的噪聲。如果不進行陰影矯正，成像系統會導致實際圖像信息上疊加噪聲，使得實際圖像失真。采用陰影矯正后，圖像中的這些噪聲會被測定并立刻在實時圖像中矯正。TEM圖像的背景噪音分為兩種，對這兩種噪音的矯正在Radius軟件中分別稱為dark current correction(矯正暗背底)和flatfield correction(矯正亮背底)。dark current correction采集的是圖像信號傳輸中的噪音，比如CCD/CMOS芯片、圖像采集卡或者電腦造成的噪音。flatfield correction采集的是有電子束照射下產生的噪音，比如閃爍體上的斑點、光纖的輪廓等。一般情況下，更換燈絲和很長一段時間未用電鏡，需要矯正暗背底和亮背底，當發現圖像中總是在固定位置出現黑斑、白斑、塊狀噪音的時候，就需要重新采集參照圖像并矯正亮背底即可。

3.3.1矯正準備

采集陰影矯正圖像期間，光路中不應有樣品，或在樣品中找到大小足夠的孔。設置加速電壓100kV，然后將TEM的電子束亮度調整到常用的大小，放大到常用的倍率。如果高倍和低倍都很常用，可選擇中間值比如100K。

3.3.2調節束流

調節電子束流，看成像是否正常。多數情況下current density 取30～40pA/cm2時效果最佳。確保熒光屏幕受到均勻照明，將電子束展寬，使得整個熒光屏幕受到均勻照明。展寬電子束，直至其比熒光屏幕大至少 10%。

3.3.3軟件操作

按軟件界面最上面的Acquire進入Calibration界面(如圖5)，按Shading Correction，然后按Calibrate，進入Shading correction界面，確認Use existing dark current correction images前面打了勾，然后按Next。

進入Step 4/6頁面，如果之前已經設置好電子束，可以直接按下一步。總共需要耗時5到10分鐘左右。如果采集到一半時彈出對話框顯示太暗或者太亮，請在TEM上調整亮度后重新開始。

全部結束后，軟件會自動再拍一張照片，得到的應該是灰色的亮度均勻的圖像，如果滿意，陰影矯正完成。

圖5 陰影矯正

3.4 Radius軟件圖像測量步驟

3.4.1選擇工具

3.4.2測量方法

測量時，可以在圖像里起始點用鼠標左鍵點擊，然后移動到結束點再點擊一次確認線段，結果會立即顯示在圖像上和圖6所示的列表里。

3.4.3數據保存

雖然拍到的圖像能自動保存，但測量結果不會自動保存，需要按Save按鈕保存。如果圖像按照默認的TIF疊加縮略圖的格式保存，測量結果會同時保存在第一層的縮略圖和第二層的原始圖像中。縮略圖中已經印入，無法修改，原始圖像中的測量結果可以修改。

圖6 測量工具

4 日常維護

4.1 電鏡室環境要求

電鏡機房需要潔凈的環境，進入電鏡機房前要有緩沖間，機房墻壁需要刷漆，門窗平時密閉，每天用吸塵器徹底清潔機房，保持電鏡、桌面、地面的潔凈。實驗人員進入室內需要換拖鞋或戴鞋套，無關人員不得隨意進入主機室，盡量減少人員流動，以防止灰塵落在樣品和儀器上而影響機器的正常運行和像片質量。電鏡對于外界的磁場是很敏感的，對于交變磁場則提出了嚴格的要求，一般要求小于3毫高斯，如果不能滿足條件，需要采取屏蔽措施例如用鐵網或銅網做成包裹電鏡室的封鎖體。電源應遠離振動源和噪聲。為防止其他用電設備的干擾，最好專線為電鏡供電，需要電壓穩流器，由于電鏡需要使用三相電源，必須裝有斷電保護開關，電鏡的配電盤應安裝在離鏡體2米以外的地方，電鏡要有單獨良好的地線，接地電阻小于4Ω。電鏡在工作時是一個熱源，冷卻水雖然能夠帶走一部分熱量，也只有1/2至1/3左右，大量的熱量仍然散發在室內，需要室溫控制在20±5℃，如外界溫度不滿足條件，需要使用空調。此外，為保證室溫的恒定，電鏡室最好是密閉空間并采用隔熱門窗。為防止電子元器件受潮漏電及真空系統快速抽真空，電鏡室內的濕度控制在50%～70%[4，5]。

4.2 電鏡真空系統維護

4.2.1空氣壓縮機的定期維護

空氣壓縮機是將大氣壓縮成壓強較大的氣體以推動電鏡內氣體閥門的運動，由于大氣中含有水分，故在壓縮機底部會有存水，當存水不能及時排放時就會腐蝕儀器，引起鐵管生銹導致出水管堵塞，排水不暢易引發空壓機故障等。空壓放水周期可根據不同區域和季節進行調整，最好每月檢查一次，定期放水并記錄，放水時要關閉燈絲和高壓，放水地點在空氣壓縮機下方。此外，空壓機的吸氣過濾網需及時除塵[6]。

4.2.2機械泵的定期維護

注意觀察機械泵油量及油的顏色，油量應在檢查玻璃窗口超過2/3處，油的顏色應為透明或黃色。觀察機械泵有無漏油，如果漏油，需要更換油封。注意機械泵有無噪音，主要是皮帶運行的時間長，表面污損產生摩擦聲音，若有噪音，可將皮帶吸塵清潔，或者更換皮帶[7]。

4.2.2樣品桿和測角臺的定期維護

為保證真空度，注意檢查樣品桿的O型圈，定期清潔和涂抹真空脂。暫時不用的樣品桿，放在樣品室中預抽，這樣可以有效縮短樣品桿在電鏡中的預抽時間，還可以延長樣品桿的使用壽命。如果樣品桿帶入雜質污染阻塞測角臺氣路，可以導致測角臺處漏氣，所以需要平時經常擦拭樣品桿，定期將測角臺內部各個部件拆下仔細擦拭清洗[8]。

4.3 電鏡高壓系統維護

在高壓控制窗口中設置目標電壓(如100kV)，點擊HT Voltage-ON，等待暗電流穩定后，才可以加燈絲電壓電流。暗電流是加上高壓但未打開燈絲加熱電流時的電流，一定程度反映出高壓的穩定度，不同的高壓對應不同的暗電流。暗電流過高或過低都是不正常的，可以直接反應出電子束的狀態。電鏡長時間不用，第一次開機時加高壓的速度不能過快，否則高壓不能加上，會自動停止，所以需要逐步慢慢升高壓(要求：0～60kV，0.2kV/sec，約5分鐘；60～90kV，0.1kV/4sec，約20 分鐘；90～100kV，0.1kV/6sec，約10 分鐘)。確認暗電流穩定后，觀察暗電流數值，暗電流數值<電壓值/2+2。在100kV 時，暗電流約為50.9～51.1μA，隨著時間推移該值會有所變動，但不能超過51.3μA。按下Filament ON 按鈕，等電子束發射穩定，最終的束流比不加燈絲電流時上升不超過3μA(束流=暗電流+發射電流)。若亮度不滿足要求，可以通過調節偏壓調節燈絲發射量，偏壓是指在燈絲的柵極上加上一定的電壓以阻止電子過度逸出，偏壓的指示值越大，其偏壓絕對值越小，抑制能力越差，電子束發射量越大。在使用一段時間后才調節偏壓，一般先調高Fine，再調高Coarse[5]。

4.4 電鏡循環水維護

循環水用來帶走透射電鏡運轉過程中線圈及擴散泵所產生的熱量，透射電鏡內的各級磁透鏡需通過循環水冷卻。一般循環水的水溫設置在18～20℃，循環水的溫度既不能太低也不能太高，溫度太低時電鏡無法啟動，溫度太高時會導致電鏡熱保護從而掉高壓甚至電鏡停機保護。當lens打開時電鏡會產生大量的熱量，因此循環水室必須配備空調，而且最好為柜式空從而防止夏季熱量無法及時散出。冬天可根據實際情況選擇是否關閉空調，必須注意循環水室內的溫度可以適當高一些，但是絕對不能太低，溫度太低時會導致結晶水落到電路板上從而燒毀電路板。開機前一般先查看循環水屋的空調是否正常工作，循環水的溫度是否正常。定期檢查循環水狀況，每月檢查一次水位，半年到一年徹底更換一次，若循環水混濁變質，應馬上更換循環水，防止循環系統堵塞和結垢，保證正常的運轉。換水時除了將水箱的水徹底放空，還應該用濕布將水箱內壁的雜質污物擦洗干凈，防止滋生絮狀微生物然后堵塞管路。放水時水位上限低于水箱出水口1cm，水位下限為水箱中白色浮漂，低于白色浮漂循環水將不能啟動，要保證循環水的水位達到要求，水位低于禁戒線時要及時添加純凈水。水箱吸氣過濾網要定期除塵[9-11]。