日立S-450扫描电镜真空系统分析及故障处理

2016-06-03庞海龙

甘肃科技纵横 2016年5期

关键词：扫描电镜故障处理

庞海龙

（西北师范大学生命科学学院，甘肃　兰州　730070）

日立S-450扫描电镜真空系统分析及故障处理

庞海龙

（西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州730070）

摘要：在对日立S- 450型扫描电镜真空系统的组成结构、工作流程、控制原理及电路特点认真研究的基础上，对真空系统放气流程中发生的故障进行了详细描述分析。从控制电路的电源入手，将故障范围缩小到了电磁阀驱动电路，通过对此电路组成的特点分析、电路关键点参数的测量及其相关电子元器件技术参数的查阅，采用国产元器件成功修复了扫描电镜不能执行放气流程的故障，并从加强学习、注意收集资料、处理故障的方法、积极的日常维护等方面浅谈了扫描电镜维护与故障处理的几点体会，希望对还在继续使用同类电镜的同仁有所参考，使这类老型号的大型精密仪器能够继续发挥作用。

关键词：扫描电镜；真空系统分析；故障处理

DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.05.010

西北师范大学使用的日立S-450型扫描电镜是上世纪80年代从日本购进的，2000年对其照相系统进行了升级改造，至今仍然为学校的教学科研发挥着作用。电镜是一种结构复杂、造价昂贵的精密仪器，需要精心维护、科学管理、严格执行操作规程。即使如此，在工作过程中发生各种故障也是不可避免的。出现故障后能够及时处理是保证电镜正常发挥作用的前提，由于电镜本身的复杂性以及很强的专业性，再加上产品的更新，使得故障维修十分困难，尤其对于老型号的电镜面临的情况更加严峻。前段时间，笔者就经历了自电镜安装以来真空系统最严重的一次故障，最后经过努力成功修复的案例。关于日立S-450型扫描电镜故障处理案例有文献报道过，但关于真空系统出现大面积故障报道没有见诸于文献，因此笔者将处理过程整理报道，希望对还在继续使用同类电镜的同仁有所参考，使这类老型号的大型精密仪器能够继续发挥作用。

1　真空系统结构及工作流程

真空系统是扫描电镜的重要组成部分，其正常工作并维持镜筒中的高真空度是扫描电镜正常运行的前提，因此了解扫描电镜的真空系统的组成结构及工作流程，对于扫描电镜的日常维护及正确处理真空系统故障极其重要。

1.1真空系统结构

扫描电镜（SEM）的真空系统由镜筒、抽气管道、电磁阀、真空计、扩散泵、机械泵及冷却水系统组成，见图1所示。

图1　扫描真空系统

1.2真空系统工作流程

扫描电镜真空系统的工作流程主要分为开机流程、放气流程、再抽气流程和关机流程。正常情况下，电镜对操作人员的具体操作会进行响应，按照预先设计的工作流程分别完成这四种流程中的任何一种。

1.2.1开机流程

开启冷却水阀门，合上电源总开关等稳压电源输出稳定后，合上扫描电镜主机电源开关，此时电磁阀LV2关闭，同时机械泵开始运转，紧接着电磁阀V3打开，30 s后电磁阀V3关闭，当真空计（Pirani）检测镜筒真空度小于0.1 mmHg时，电磁阀V2关闭，10 s后电磁阀V1打开，直到真空度小于0.01 mmHg时，面板高真空指示灯亮起，表示扫描电镜真空度达到工作要求。

1.2.2放气流程

当更换样品、清洗镜筒或检修等需要打开镜筒时，就需要启动放气流程。按下主机面板上的放气按钮“AIR”，电磁阀V1、V2同时关闭，大约1 s后电磁阀LV1打开，约15 s后电磁阀V3打开空气进入镜筒，至此完成放气流程。

1.2.3再抽气流程

当更换样品、清洗镜筒或检修等操作完成后，要启动再抽气流程，使电镜恢复到原来的真空状态。启动再抽气流程时，按下主机面板上的抽气按键“EVAC”，约1 s后，电磁阀V3、LV1同时关闭，直到镜筒中的真空度小于0.1 mmHg后，电磁阀V2关闭，10 s后电磁阀V1打开，直到真空度小于0.01 mmHg时，面板高真空指示灯亮起达到工作条件。

1.2.4关机流程

当完成工作任务，需要关机时，启动关机流程。扳下主机面板上的“OFF”开关键后，电磁阀V1、V2、V3、LV1同时关闭，紧接着电磁阀LV2打开，此时机械泵和扩散泵同时停止转运。

2　真空系统的控制电路

要实现扫描电镜真空系统的工作流程，必须依靠相应控制电路。日立S-450扫描电镜真空系统电路图2包括供电电路、传感器电路、逻辑控制电路、安全保护电路、电磁阀驱动电路及电磁阀。

电镜开机后，正常情况下会自动进入程序运行，由逻辑控制电路按照预先设计的程序向电磁阀驱动电路发电平信号，驱动不同的电磁阀动作，由机械泵和扩散泵完成抽真空程序。

图2　真空系统控制电路

3　真空系统故障实例分析与处理

3.1故障现象

该故障发生于电镜正常工作期间更换样品时，不能执行放气流程，无法更换样品。即按下“AIR”按钮，电镜没有任何响应。

3.2故障分析与处理

根据放气流程可知，当按下“AIR”按钮后，电磁阀V1、V2应同时关闭，会听到电磁阀的吸合声，但什么反应都没有。电磁阀V1、V2出故障时，电磁阀LV1也不会动作，放气流程就无法继续，当然也就无法更换样品。

此故障有可能发生在传感器电路、逻辑控制电路、继电器、电磁阀驱动电路、电磁阀本身及电源系统等。首先检查真空系统的电源电路。通过检测5 V、8 V、±15 V 及24 V电源输出都正常，但测量电容C1两端的电压却只有16.7 V，明显太低，说明100 V电源发生故障，应重点检查，见图3所示。

图3　LV1驱动电路

用数字万用表检测100 V电源整流桥堆SR1输出端，有105.3 V的电压，电容C1两端的电压只有16.7 V，此时检测电阻R1两端电压高达87.3 V，而且还比较烫，说明通过R1的电流比较大，后级负载可能有部分短路，为避免故障扩大立即关机。断掉主机电源，拔下插头CN1401，分别测量插座CN1401的电极3、4、8、14、17脚的对地电阻，发现17脚的对地电阻约0.5 Ω，其对应的电路正好是电磁阀V1的驱动部分，见图4所示。进一步检查发现三极管Q8、Q9、Q18均已击穿。这三种管子均为NPN型硅管，且原型号管子已经很难找到，Q8为2SC627选用2SC2611替换，Q9为2SD159选用能够找到的2SC2913替换，Q18为2SC1707选用2SC1815替换。

图4　电磁阀V1驱动电路

更换完成后，恢复电路原状并仔细检查接线无误后接通电源，此时测量电容C1两端的电压为154.7 V，电阻R1两端电压为158.0 V，再检查Q9集电极对地电压为98.3 V都已基本正常，但此时电磁阀V1、V2仍然不能动作，电镜仍不能执行放气流程。

继续测量Q19、Q20、Q21集电极对地电压均为10 mV左右，表明此三极管有故障，停机后将Q19、Q20、Q21用2SC1815更换。再次开机后电镜能够执行正常抽气流程，并且也能够执行放气流程且顺利更换样品，正常关机。

第二日开机后发现漏气声音，根据上面的开机流程可知，漏气很可能是电磁阀LV2不能正常关闭所致。经检查LV2的驱动电路（图3），发现Q4、Q6已经击穿，同时还发现稳压二极管ZD3也击穿，电容C12有变形现象，将型号为2SC627的Q2、Q4、Q6、Q7用2SC2611更换，将型号为RD7A的稳压二极管ZD3用1N4735A的稳压管代换，为了不留隐患将电容C12由10 μF/16 V更换为10 μF/50 V后，恢复电路开机试运行，至此电镜真空系统运行一切都恢复正常。

边观察边工作一周后，电磁阀V1的动作时而正常时而不正常。当不正常时，也就不能执行放气流程更换样品。仔细观察后发现控制电磁阀V1的继电器动作时，有时能听到电磁阀V1动作声，有时只能听到继电器的动作，却听不到电磁阀的动作。停机后认真仔细检查后发现继电器RL1的其中一个触点有烧蚀痕迹，从电路板上拔下继电器RL1，拿掉继电器的有机玻璃保护罩，在放大镜下检查并用很细的砂纸轻轻磨平磨光被烧蚀的触点，然后用无水乙醇清洗，等彻底干燥后重新组装并恢复电路。仔细检查电路一切都恢复原位后，开始试机，电镜恢复到正常状态。连续观察运行至今一年多时间了，电镜仍然工作正常。这表明这次故障处理是成功的。

4　几点体会

4.1加强学习并注意收集资料

由于电镜专业性太强，这方面的资料较少，各厂家的设计不尽相同，提供的技术资料和线路图不细不全，设备也在电子技术的进步下不断更新。因此，作为电镜管理维护人员，在平时工作中一定要对自己管理使用的电镜组成结构、各单元控制电路的特点、工作原理等进行深入研究，并注意收集积累相关电路的技术资料、重要元器件的技术参数资料。只有这样，才能做到小故障不出实验室，大故障心中有数。

4.2处理故障从重点电路入手

在分析故障时，首先应从每个单元电路的供电电源入手，这样往往可以做到事半功倍的效果。例如，本例故障中通过对电源的检测，就将故障部位缩小到电磁阀驱动电路。

4.3使用国产元件替换某些进口元件是可能的

随着我国微电子行业的不断发展，国产零配件在使用过程中，可靠性越来越高，用国产配件修复的多台大型仪器使用至今，更换的国产零配件一直正常工作。这也表明使用国产零配件的方法是切实可行的。

4.4严格管理，积极维护

电镜的维护与维修是密切相关的，平时注意维护，故障出现的机率就会明显减少，维修的次数也会下降，电镜的使用寿命就延长。因此日常工作中，严格执行设备的操作规程，对需要定期维护的项目认真进行。

5　结束语

随着技术的进步和产品的更新换代，电镜维修工作难度很大，且大多都是从国外购进，厂家维修服务几乎延伸不到，国内能够维修电镜的技术人员数量又严重不足、维修费用昂贵等因素，致使电镜一旦发生故障，维修就变得十分困难，很多电镜出现故障都要等待好长时间。尤其对于一些早期生产的老型号电镜，由于配件缺乏等原因，对电镜工作者提出了更加严峻的挑战。

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作者简介：庞海龙（1965-）男，汉族，甘肃灵台人，硕士，实验师，主要从事生物显微技术实验教学及大型精密设备管理工作。