电子显微镜稳流电源研究

袁水平

（中国人民解放军91245部队，辽宁 葫芦岛 125001）

0 引 言

电子显微镜使用电子束作为成像光束，克服可见光的衍射极限，能放大原子级别的微观物质结构，可以观察到物质原子尺寸的排列结构。因此，透射电子显微镜在国民生产、科学研究中作用巨大，是材料、生物等领域必不可少的工具。电子显微镜成像原理与光学显微镜类似，如光学透镜对光束的折射作用一样，对电子束产生折射作用的是磁透镜。磁透镜就是螺旋线圈再加某些形状的软铁壳包裹，当线圈通电流后，形成一定空间分布磁场，磁场对电子束的折射作用，也就是磁透镜。若需要高质量、高放大倍数的显微图片，其励磁电流的性能要求非常高。

线圈激磁稳流电源的特性是电流大，如物镜线圈电流达到10A以上；稳定度要优于10ppm／min。目前在日本和美国的新型电镜中，透镜励磁线圈的电流稳定度最高已达到1ppm／min。我国在20世纪90年代生产的电子显微镜其物镜线圈电流稳定度能达到数10ppm／min量级。目前中科院电工所为北航透射电子显微镜项目生产的线圈电源，其电流稳定度通过测试最高已达到5ppm／min，这与高放大倍数的透射电子显微镜电流稳定度的2ppm／min的要求还有很大差距。

本课题通过研究国内外线圈稳流电源的结构和组成，改进电路结构，使用市场上能购买的有关器件，通过测试数据显示，设计出稳定度达到2ppm／min的线圈稳流电路。

1 透镜线圈电源的组成

整个电源系统主要由稳压电路和稳流电路，光电隔离电路、PLC模块与计算机组成。各部分的结构关系如图1所示。

图1 线圈稳流电源组成框图

市电通过变压整流滤波输入给各稳压电路，然后输出100V，±15V，＋5V与＋24V等几种电压源，其中100V给线圈供电，其余给稳流电路板与光电隔离电路供电。各路稳压电路都采用线性稳压电路，其电压调整率小于1%，纹波Urms小于10mV。

在前置稳压电路的供电下，通过计算机输入某一电流值，经过PLC与光电隔离电路，输入到稳流电路的D／A芯片上，稳流电路根据输入的数据输出一定的电流值给线圈。A／D采样电路输出采样的电流值给计算机以供监视线圈电流。本系统使用计算机与PLC模块组合的控制方式具有高可靠、易操作等特点。由于PLC输入、输出数据都是通过光电隔离输入到稳流电路的，因此该系统具有很强的抗干扰能力。

2 稳流电路的组成

通过有关资料可知:在闭环负反馈稳定控制电路中，对稳定性影响最大的因素有:输入的稳定性，反馈参数的稳定性，初级比较放大器的噪声特性及开环的放大倍数。由于高的开环放大倍数，必须使用多级放大电路串联，而在闭环中使用多级放大，容易引起振荡，电路的稳定性不好等问题。针对这些问题，结合现有电子元器件的实际，根据有关资料，进行相关电路改进，设计出如图2所示的稳流电路。

该稳流电路主要由基准电压芯片AD588，D／A芯片AD7846，两级运放电路，功率放大电路，以及相关的电阻电容组成。它们的组成关系如图2所示。稳流电路采用深度负反馈稳定控制原理，具体的工作原理是:在前置稳压电源的供电下，输入的数字电压通过D／A转变成模拟电压值，然后给比较放大的正相输入端；取样电阻与线圈串联，它们的电流相同，取样电阻一端接地，一端电压给比较放大的反相输入端；因此在电路稳定时，可根据输入的电压控制取样电阻的电流，从而得到线圈的电流值。其中电流放大电路起着功率放大的作用，能给线圈提供数安培大小的电流。采样电压还可以通过模数转换输出给操控面板显示。

图2 稳流电路简图

3 线圈电源电流稳定度分析

线圈稳流电路采用的是闭环负反馈稳定控制的原理，此结构可以大大提高输出电流的稳定度、灵敏度与准确度，可以有效地抑制线性电源的波动、线圈等元件因发热而产生的参数漂移和环境中的噪声干扰。

3.1 稳流电路的传递函数分析

通过对稳流电路中各组成部件进行分析，可以建立如图3所示的稳流电路传递函数系统框图。其中UIN为输入电压，A1、A2分别为第一级、第二级运放OP07的电压放大倍数，A3为多级三极管的电压放大倍数，1／（sRC＋1）为电路中电阻电容的传递函数，1／（sL＋RL）为线圈的传递函数，RF为采样电阻值。

图3 稳流电路传递函数系统框图

则有输出电流的公式:

设开环放大倍数为:

由于在电路中A1＝A2＝100，A3≈10，K≈105，则

这是由于开环放大倍数足够大，电路为深度负反馈，输出电流等于输入电压与反馈电阻的比值。在前置稳压电源的功率驱动范围内，只要输入电压和反馈电阻大小确定，不管线圈负载的电阻为多少，线圈输出电流的大小是一定的，因此这是典型的稳流电源。

根据JB／T 9352－1999《透射电子显微镜试验方法》，使用下面的公式计算线圈电源分钟电流稳定度。

式中，SL为透镜线圈电流稳定度；ΔUSL为首先得到取样电压每分钟的变化量，然后把10分钟内10个变化量取平均值；USL为取样电压的平均值。

根据式（1）与式（4），可以得到线圈电流的分钟稳定度:

由式（5）可以知道线圈电流稳定度主要由输入电压的稳定性和反馈电阻的稳定性两个因素决定。其中输入电压与采样反馈电压分别输入初级比较放大器正相、负相输入端。由于OP07的输入失调电压与失调电流的温度系数都比较小，因此若要提高稳流电源的稳定性，就必须提高输入电压与反馈电阻的稳定性。

3.2 影响线圈电流稳定度因素的分析

在稳流电路中，输入电压的组成是由基准电压芯片AD588与D／A芯片AD7846组成，它们的输出电压的温度漂移最大值分别为1.5ppm／℃，1ppm／℃。使用计算机采集Agilent公司的八位半3458A数字多用表的电压测试系统，在办公室环境下测试得到两个芯片组合的电压输出的稳定度数据。如图4所示，该电压稳定度已小于1ppm／min。假如稍加保温措施，则可以得到更高稳定度的输出电压。

图4 输入电压稳定度曲线

由于电阻的温度系数一般比较大，且在电镜中要使用数安培的电流，采样电阻发热功率很大，因此这是一个很棘手的问题。通过参考相关资料，使用温度系数低（约10－5／℃）的锰铜材料电阻，采用多个电阻并联连接作为一个采样电阻，且其电阻功率冗余5～8倍，把采样电阻置于油箱中，通以恒温水冷却，这样可以使采样电阻的温度漂移很小。因此可以得到非常真实反映电流大小的采样电压。通过实际测试，此结构的采样电阻可以达到指标要求，具体数据见第4节结论。

在前向通路中，由于高达105的开环放大倍数，电路有关参数的小变化基本不影响输出电流的稳定度。如A1、A2、A3都是由电阻值决定的，因此变化很小。线圈也采用水冷结构，线圈的电阻RL因发热而产生的变化有限。前置电压采用线性稳压电源，也给线圈提供稳定的电流以一定的支持。

4 线圈稳流电源实验数据

线圈稳流电源实验搭建的系统实物如图5所示，测试数据结果如图6所示。根据上面的电流稳定度计算方法，所得结果是电流稳定度优于2ppm／min。该电压数据先高后低，是由于刚开始没有使用风扇，后面使用了风扇所导致的。且采取风冷后电源稳定度有所提高。

图5 稳流电源系统实物图

图6 稳流电路采集数据

5 结 论

在200kV场发射枪透射电子显微镜项目的研制中，多路大功率线圈电源的研制是其中的一个关键部分。为了达到2ppm／min的线圈电流稳定度，几经波折，在课题组的共同努力下，实现了这一指标。使用自身开发的高精度电压测试系统，方便地调试电源，并得到满意的结果。

［1］姚骏恩.电子显微镜的现状与展望［J］.电子显微学报，1998，6:767－776.

［2］朱祖福，沈锦德，许志义，等.电子显微镜［M］.北京:机械工业出版社，1980.

［3］JB／T 9352—1999，透射电子显微镜试验方法 ［S］.北京:国家机械工业局，2000.

［4］袁水平，董全林.透射电子显微镜磁透镜线圈电源测试系统设计［J］.电子显微学报，2011，6:767－776.

［5］马迎建，曹 洁， 宋彭.基于LabVIEW的3458A数据采集系统设计［J］.电子测量技术，2009，1:131－133.

［6］Agilent Technologies 3458AMultimeter User’s Guide［Z］.2008.