電子顯微鏡穩(wěn)流電源研究

袁水平

（中國(guó)人民解放軍91245部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引 言

電子顯微鏡使用電子束作為成像光束，克服可見(jiàn)光的衍射極限，能放大原子級(jí)別的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以觀察到物質(zhì)原子尺寸的排列結(jié)構(gòu)。因此，透射電子顯微鏡在國(guó)民生產(chǎn)、科學(xué)研究中作用巨大，是材料、生物等領(lǐng)域必不可少的工具。電子顯微鏡成像原理與光學(xué)顯微鏡類(lèi)似，如光學(xué)透鏡對(duì)光束的折射作用一樣，對(duì)電子束產(chǎn)生折射作用的是磁透鏡。磁透鏡就是螺旋線圈再加某些形狀的軟鐵殼包裹，當(dāng)線圈通電流后，形成一定空間分布磁場(chǎng)，磁場(chǎng)對(duì)電子束的折射作用，也就是磁透鏡。若需要高質(zhì)量、高放大倍數(shù)的顯微圖片，其勵(lì)磁電流的性能要求非常高。

線圈激磁穩(wěn)流電源的特性是電流大，如物鏡線圈電流達(dá)到10A以上；穩(wěn)定度要優(yōu)于10ppm／min。目前在日本和美國(guó)的新型電鏡中，透鏡勵(lì)磁線圈的電流穩(wěn)定度最高已達(dá)到1ppm／min。我國(guó)在20世紀(jì)90年代生產(chǎn)的電子顯微鏡其物鏡線圈電流穩(wěn)定度能達(dá)到數(shù)10ppm／min量級(jí)。目前中科院電工所為北航透射電子顯微鏡項(xiàng)目生產(chǎn)的線圈電源，其電流穩(wěn)定度通過(guò)測(cè)試最高已達(dá)到5ppm／min，這與高放大倍數(shù)的透射電子顯微鏡電流穩(wěn)定度的2ppm／min的要求還有很大差距。

本課題通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外線圈穩(wěn)流電源的結(jié)構(gòu)和組成，改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，使用市場(chǎng)上能購(gòu)買(mǎi)的有關(guān)器件，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定度達(dá)到2ppm／min的線圈穩(wěn)流電路。

1 透鏡線圈電源的組成

整個(gè)電源系統(tǒng)主要由穩(wěn)壓電路和穩(wěn)流電路，光電隔離電路、PLC模塊與計(jì)算機(jī)組成。各部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 線圈穩(wěn)流電源組成框圖

市電通過(guò)變壓整流濾波輸入給各穩(wěn)壓電路，然后輸出100V，±15V，＋5V與＋24V等幾種電壓源，其中100V給線圈供電，其余給穩(wěn)流電路板與光電隔離電路供電。各路穩(wěn)壓電路都采用線性穩(wěn)壓電路，其電壓調(diào)整率小于1%，紋波Urms小于10mV。

在前置穩(wěn)壓電路的供電下，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入某一電流值，經(jīng)過(guò)PLC與光電隔離電路，輸入到穩(wěn)流電路的D／A芯片上，穩(wěn)流電路根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)輸出一定的電流值給線圈。A／D采樣電路輸出采樣的電流值給計(jì)算機(jī)以供監(jiān)視線圈電流。本系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)與PLC模塊組合的控制方式具有高可靠、易操作等特點(diǎn)。由于PLC輸入、輸出數(shù)據(jù)都是通過(guò)光電隔離輸入到穩(wěn)流電路的，因此該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 穩(wěn)流電路的組成

通過(guò)有關(guān)資料可知:在閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)定控制電路中，對(duì)穩(wěn)定性影響最大的因素有:輸入的穩(wěn)定性，反饋參數(shù)的穩(wěn)定性，初級(jí)比較放大器的噪聲特性及開(kāi)環(huán)的放大倍數(shù)。由于高的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，必須使用多級(jí)放大電路串聯(lián)，而在閉環(huán)中使用多級(jí)放大，容易引起振蕩，電路的穩(wěn)定性不好等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有電子元器件的實(shí)際，根據(jù)有關(guān)資料，進(jìn)行相關(guān)電路改進(jìn)，設(shè)計(jì)出如圖2所示的穩(wěn)流電路。

該穩(wěn)流電路主要由基準(zhǔn)電壓芯片AD588，D／A芯片AD7846，兩級(jí)運(yùn)放電路，功率放大電路，以及相關(guān)的電阻電容組成。它們的組成關(guān)系如圖2所示。穩(wěn)流電路采用深度負(fù)反饋穩(wěn)定控制原理，具體的工作原理是:在前置穩(wěn)壓電源的供電下，輸入的數(shù)字電壓通過(guò)D／A轉(zhuǎn)變成模擬電壓值，然后給比較放大的正相輸入端；取樣電阻與線圈串聯(lián)，它們的電流相同，取樣電阻一端接地，一端電壓給比較放大的反相輸入端；因此在電路穩(wěn)定時(shí)，可根據(jù)輸入的電壓控制取樣電阻的電流，從而得到線圈的電流值。其中電流放大電路起著功率放大的作用，能給線圈提供數(shù)安培大小的電流。采樣電壓還可以通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出給操控面板顯示。

圖2 穩(wěn)流電路簡(jiǎn)圖

3 線圈電源電流穩(wěn)定度分析

線圈穩(wěn)流電路采用的是閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)定控制的原理，此結(jié)構(gòu)可以大大提高輸出電流的穩(wěn)定度、靈敏度與準(zhǔn)確度，可以有效地抑制線性電源的波動(dòng)、線圈等元件因發(fā)熱而產(chǎn)生的參數(shù)漂移和環(huán)境中的噪聲干擾。

3.1 穩(wěn)流電路的傳遞函數(shù)分析

通過(guò)對(duì)穩(wěn)流電路中各組成部件進(jìn)行分析，可以建立如圖3所示的穩(wěn)流電路傳遞函數(shù)系統(tǒng)框圖。其中UIN為輸入電壓，A1、A2分別為第一級(jí)、第二級(jí)運(yùn)放OP07的電壓放大倍數(shù)，A3為多級(jí)三極管的電壓放大倍數(shù)，1／（sRC＋1）為電路中電阻電容的傳遞函數(shù)，1／（sL＋RL）為線圈的傳遞函數(shù)，RF為采樣電阻值。

圖3 穩(wěn)流電路傳遞函數(shù)系統(tǒng)框圖

則有輸出電流的公式:

設(shè)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為:

由于在電路中A1＝A2＝100，A3≈10，K≈105，則

這是由于開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)足夠大，電路為深度負(fù)反饋，輸出電流等于輸入電壓與反饋電阻的比值。在前置穩(wěn)壓電源的功率驅(qū)動(dòng)范圍內(nèi)，只要輸入電壓和反饋電阻大小確定，不管線圈負(fù)載的電阻為多少，線圈輸出電流的大小是一定的，因此這是典型的穩(wěn)流電源。

根據(jù)JB／T 9352－1999《透射電子顯微鏡試驗(yàn)方法》，使用下面的公式計(jì)算線圈電源分鐘電流穩(wěn)定度。

式中，SL為透鏡線圈電流穩(wěn)定度；ΔUSL為首先得到取樣電壓每分鐘的變化量，然后把10分鐘內(nèi)10個(gè)變化量取平均值；USL為取樣電壓的平均值。

根據(jù)式（1）與式（4），可以得到線圈電流的分鐘穩(wěn)定度:

由式（5）可以知道線圈電流穩(wěn)定度主要由輸入電壓的穩(wěn)定性和反饋電阻的穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)因素決定。其中輸入電壓與采樣反饋電壓分別輸入初級(jí)比較放大器正相、負(fù)相輸入端。由于OP07的輸入失調(diào)電壓與失調(diào)電流的溫度系數(shù)都比較小，因此若要提高穩(wěn)流電源的穩(wěn)定性，就必須提高輸入電壓與反饋電阻的穩(wěn)定性。

3.2 影響線圈電流穩(wěn)定度因素的分析

在穩(wěn)流電路中，輸入電壓的組成是由基準(zhǔn)電壓芯片AD588與D／A芯片AD7846組成，它們的輸出電壓的溫度漂移最大值分別為1.5ppm／℃，1ppm／℃。使用計(jì)算機(jī)采集Agilent公司的八位半3458A數(shù)字多用表的電壓測(cè)試系統(tǒng)，在辦公室環(huán)境下測(cè)試得到兩個(gè)芯片組合的電壓輸出的穩(wěn)定度數(shù)據(jù)。如圖4所示，該電壓穩(wěn)定度已小于1ppm／min。假如稍加保溫措施，則可以得到更高穩(wěn)定度的輸出電壓。

圖4 輸入電壓穩(wěn)定度曲線

由于電阻的溫度系數(shù)一般比較大，且在電鏡中要使用數(shù)安培的電流，采樣電阻發(fā)熱功率很大，因此這是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。通過(guò)參考相關(guān)資料，使用溫度系數(shù)低（約10－5／℃）的錳銅材料電阻，采用多個(gè)電阻并聯(lián)連接作為一個(gè)采樣電阻，且其電阻功率冗余5～8倍，把采樣電阻置于油箱中，通以恒溫水冷卻，這樣可以使采樣電阻的溫度漂移很小。因此可以得到非常真實(shí)反映電流大小的采樣電壓。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，此結(jié)構(gòu)的采樣電阻可以達(dá)到指標(biāo)要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)第4節(jié)結(jié)論。

在前向通路中，由于高達(dá)105的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，電路有關(guān)參數(shù)的小變化基本不影響輸出電流的穩(wěn)定度。如A1、A2、A3都是由電阻值決定的，因此變化很小。線圈也采用水冷結(jié)構(gòu)，線圈的電阻RL因發(fā)熱而產(chǎn)生的變化有限。前置電壓采用線性穩(wěn)壓電源，也給線圈提供穩(wěn)定的電流以一定的支持。

4 線圈穩(wěn)流電源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

線圈穩(wěn)流電源實(shí)驗(yàn)搭建的系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。根據(jù)上面的電流穩(wěn)定度計(jì)算方法，所得結(jié)果是電流穩(wěn)定度優(yōu)于2ppm／min。該電壓數(shù)據(jù)先高后低，是由于剛開(kāi)始沒(méi)有使用風(fēng)扇，后面使用了風(fēng)扇所導(dǎo)致的。且采取風(fēng)冷后電源穩(wěn)定度有所提高。

圖5 穩(wěn)流電源系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6 穩(wěn)流電路采集數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

在200kV場(chǎng)發(fā)射槍透射電子顯微鏡項(xiàng)目的研制中，多路大功率線圈電源的研制是其中的一個(gè)關(guān)鍵部分。為了達(dá)到2ppm／min的線圈電流穩(wěn)定度，幾經(jīng)波折，在課題組的共同努力下，實(shí)現(xiàn)了這一指標(biāo)。使用自身開(kāi)發(fā)的高精度電壓測(cè)試系統(tǒng)，方便地調(diào)試電源，并得到滿(mǎn)意的結(jié)果。

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