日本电子1400-Plus透射电镜的软件操作及日常维护

(首都医科大学中心实验室，北京 100069)

透射式电子显微镜(Transmission Electron Microscope，简称TEM)，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。透射电子显微镜分辨率高、放大倍数大，广泛应用于材料科学与生命科学领域。目前日本电子1400-Plus透射电镜自带安装了Radius软件，它是一款性能强大的应用软件，可采集样品的高分辨率图像，并可以对高分辨率图像进行处理分析，最后可以自动生成图像和报表。透射电镜因结构复杂，价格昂贵，对软件操作有严格的要求，平时还需要正确恰当的日常维护保养以保证仪器的正常运转，并延长其使用寿命。本文介绍了日本电子1400-Plus透射电镜的Radius软件基本操作和日常维护[1-3]。

1 Radius软件介绍

Radius软件是德国EMSIS公司研发并且应用于透射电子显微镜上的专用软件。该软件直接控制显微镜，可采集处理和保存样品的高分辨率图像，可以更改放大倍率和控制测向仪，以及降低和升高荧光屏幕。图像采集期间，软件会读出显微镜上安装的摄像头的数据，并实时成像将其显示在计算机显示屏上，还可以对摄像头进行不同设置，如阴影矫正、摄像头分辨率、曝光时间等。图像处理期间，可采集处理和保存样品的高分辨率图像，例如测量线条长度或角的度数等，测量对象将显示在图像的绘图层中，测量结果将会显示在表格中，可将测量结果导出为XLS 格式。此软件可以对图像执行傅里叶分析和多种滤镜可逆地优化图像质量，优化亮度对比度，使得图像变得更加光滑和清晰。除此之外，还有自动聚焦、像散矫正、翻转图像，以及以任意角度旋转图像等功能。图像保存期间，可以生成 MS-Word 报表或TIF 文件格式保存图像。如果以 TIF 格式保存采集的图像，则会随图像一起自动保存大量重要的图像信息，例如所用摄像头、曝光时间、分辨率、创建时间等。

2 Radius软件操作界面简介(图1)

软件为图像的拍照采集处理设计的，操作界面简洁方便，此外有很大的配置灵活度，可方便地对其进行调整，以满足各种任务的具体需求。分为5个功能分区，每个分区都有不同的功能。

2.1 菜单栏

可以通过使用对应菜单调用多个命令，可添加、修改或删除菜单，从而满足各种需求。

2.2 文档组

文档组包含所有已载入的文档如图表等。启动本软件时，文档组为空，此时放入样品采集图像或执行各种图像处理操作，更改源图像和创建新图像时，文档组中会填入相关内容。

2.3 工具栏

将经常使用的命令链接到某个按钮，从而可以快速便捷地访问这些功能。有很多功能只能通过工具栏访问，如为图像添加批注所需的绘图功能等。

2.4 工具窗口

将各种功能合并到不同的组中。例如：在属性工具窗口中，可以找到用于活动文档的所有信息。与对话框不同的是，工具窗口只要开启就会始终在用户界面上可见，这样可随时访问工具窗口中的设置。

2.5 状态栏

包含大量信息，例如每个功能的简要描述，只需将鼠标指针移到各命令或按钮上就可以查看此信息。

图1 Radius软件操作界面

3 Radius软件的基本操作

3.1 Radius软件拍照步骤

3.1.1寻找样品

将装有铜网的样品杆插入样品室，打开预抽开关进行样品隔离室预抽，约2～3分钟后绿灯亮，然后顺时针转→推→转样品杆，最后缓慢送入观察位置，打开高压，待束流数值稳定，打开灯丝电流开关，灯丝电流自动达到饱和，荧光屏上出现图像。用轨迹球或按钮移动样品，在电镜荧光屏上找到样品的位置。

3.1.2动态观察

插入相机，按Live按钮(图2)，用控制面板上的放大倍率旋钮选择放大倍数，聚焦旋钮聚焦图像，亮度旋钮调节亮度，观察到样品的画面。

3.1.3拍摄图像

微调焦距，得到清晰的图像，按Snapshot按钮(图2)，采集图像。

3.1.4漂移矫正

如果样品漂移，可以在Snapshot drift correction前打勾，启动漂移矫正功能。此功能无需事先校准，但会使拍图像所花时间延长1倍以上。

图2 相机控制

3.2 Radius软件保存图片步骤

Radius软件里可以自动保存拍到的图像。点击Camera Control里面的Acquisition Settings图标(图2中方框)，进入设置界面(如图3)，在Saving下的Snapshot里设置自动保存图像的路径，在Movie里设置自动保存视频的路径。在Create Subdirectory前打勾，会将图像自动保存在以当天日期为名的子文件夹里，在这个界面里也可以设置保存图像的格式。按Options按钮后弹出的设置TIF格式的界面(如图4)，这是EMSIS公司推荐采用的原始数据+缩略图的TIF格式，图像会包含两层，第一层是8位的图像，里面印入了标尺、图像信息以及对图像做的任何标记(比如测量的结果)，可以在任何图像软件中打开。第二层是16位的原始数据，也包含了相关信息，可以后续进一步处理或者修改，但是只能在Radius软件中打开。如果用Radius软件打开，会直接打开第二层，用其他软件打开时，会优先打开第一层。

图3 文件设置

图4 图片格式

3.3 Radius软件阴影矫正步骤

阴影矫正是删除来源于成像系统但不属于实际图像信息的噪声。如果不进行阴影矫正，成像系统会导致实际图像信息上叠加噪声，使得实际图像失真。采用阴影矫正后，图像中的这些噪声会被测定并立刻在实时图像中矫正。TEM图像的背景噪音分为两种，对这两种噪音的矫正在Radius软件中分别称为dark current correction(矫正暗背底)和flatfield correction(矫正亮背底)。dark current correction采集的是图像信号传输中的噪音，比如CCD/CMOS芯片、图像采集卡或者电脑造成的噪音。flatfield correction采集的是有电子束照射下产生的噪音，比如闪烁体上的斑点、光纤的轮廓等。一般情况下，更换灯丝和很长一段时间未用电镜，需要矫正暗背底和亮背底，当发现图像中总是在固定位置出现黑斑、白斑、块状噪音的时候，就需要重新采集参照图像并矫正亮背底即可。

3.3.1矫正准备

采集阴影矫正图像期间，光路中不应有样品，或在样品中找到大小足够的孔。设置加速电压100kV，然后将TEM的电子束亮度调整到常用的大小，放大到常用的倍率。如果高倍和低倍都很常用，可选择中间值比如100K。

3.3.2调节束流

调节电子束流，看成像是否正常。多数情况下current density 取30～40pA/cm2时效果最佳。确保荧光屏幕受到均匀照明，将电子束展宽，使得整个荧光屏幕受到均匀照明。展宽电子束，直至其比荧光屏幕大至少 10%。

3.3.3软件操作

按软件界面最上面的Acquire进入Calibration界面(如图5)，按Shading Correction，然后按Calibrate，进入Shading correction界面，确认Use existing dark current correction images前面打了勾，然后按Next。

进入Step 4/6页面，如果之前已经设置好电子束，可以直接按下一步。总共需要耗时5到10分钟左右。如果采集到一半时弹出对话框显示太暗或者太亮，请在TEM上调整亮度后重新开始。

全部结束后，软件会自动再拍一张照片，得到的应该是灰色的亮度均匀的图像，如果满意，阴影矫正完成。

图5 阴影矫正

3.4 Radius软件图像测量步骤

3.4.1选择工具

3.4.2测量方法

测量时，可以在图像里起始点用鼠标左键点击，然后移动到结束点再点击一次确认线段，结果会立即显示在图像上和图6所示的列表里。

3.4.3数据保存

虽然拍到的图像能自动保存，但测量结果不会自动保存，需要按Save按钮保存。如果图像按照默认的TIF叠加缩略图的格式保存，测量结果会同时保存在第一层的缩略图和第二层的原始图像中。缩略图中已经印入，无法修改，原始图像中的测量结果可以修改。

图6 测量工具

4 日常维护

4.1 电镜室环境要求

电镜机房需要洁净的环境，进入电镜机房前要有缓冲间，机房墙壁需要刷漆，门窗平时密闭，每天用吸尘器彻底清洁机房，保持电镜、桌面、地面的洁净。实验人员进入室内需要换拖鞋或戴鞋套，无关人员不得随意进入主机室，尽量减少人员流动，以防止灰尘落在样品和仪器上而影响机器的正常运行和像片质量。电镜对于外界的磁场是很敏感的，对于交变磁场则提出了严格的要求，一般要求小于3毫高斯，如果不能满足条件，需要采取屏蔽措施例如用铁网或铜网做成包裹电镜室的封锁体。电源应远离振动源和噪声。为防止其他用电设备的干扰，最好专线为电镜供电，需要电压稳流器，由于电镜需要使用三相电源，必须装有断电保护开关，电镜的配电盘应安装在离镜体2米以外的地方，电镜要有单独良好的地线，接地电阻小于4Ω。电镜在工作时是一个热源，冷却水虽然能够带走一部分热量，也只有1/2至1/3左右，大量的热量仍然散发在室内，需要室温控制在20±5℃，如外界温度不满足条件，需要使用空调。此外，为保证室温的恒定，电镜室最好是密闭空间并采用隔热门窗。为防止电子元器件受潮漏电及真空系统快速抽真空，电镜室内的湿度控制在50%～70%[4，5]。

4.2 电镜真空系统维护

4.2.1空气压缩机的定期维护

空气压缩机是将大气压缩成压强较大的气体以推动电镜内气体阀门的运动，由于大气中含有水分，故在压缩机底部会有存水，当存水不能及时排放时就会腐蚀仪器，引起铁管生锈导致出水管堵塞，排水不畅易引发空压机故障等。空压放水周期可根据不同区域和季节进行调整，最好每月检查一次，定期放水并记录，放水时要关闭灯丝和高压，放水地点在空气压缩机下方。此外，空压机的吸气过滤网需及时除尘[6]。

4.2.2机械泵的定期维护

注意观察机械泵油量及油的颜色，油量应在检查玻璃窗口超过2/3处，油的颜色应为透明或黄色。观察机械泵有无漏油，如果漏油，需要更换油封。注意机械泵有无噪音，主要是皮带运行的时间长，表面污损产生摩擦声音，若有噪音，可将皮带吸尘清洁，或者更换皮带[7]。

4.2.2样品杆和测角台的定期维护

为保证真空度，注意检查样品杆的O型圈，定期清洁和涂抹真空脂。暂时不用的样品杆，放在样品室中预抽，这样可以有效缩短样品杆在电镜中的预抽时间，还可以延长样品杆的使用寿命。如果样品杆带入杂质污染阻塞测角台气路，可以导致测角台处漏气，所以需要平时经常擦拭样品杆，定期将测角台内部各个部件拆下仔细擦拭清洗[8]。

4.3 电镜高压系统维护

在高压控制窗口中设置目标电压(如100kV)，点击HT Voltage-ON，等待暗电流稳定后，才可以加灯丝电压电流。暗电流是加上高压但未打开灯丝加热电流时的电流，一定程度反映出高压的稳定度，不同的高压对应不同的暗电流。暗电流过高或过低都是不正常的，可以直接反应出电子束的状态。电镜长时间不用，第一次开机时加高压的速度不能过快，否则高压不能加上，会自动停止，所以需要逐步慢慢升高压(要求：0～60kV，0.2kV/sec，约5分钟；60～90kV，0.1kV/4sec，约20 分钟；90～100kV，0.1kV/6sec，约10 分钟)。确认暗电流稳定后，观察暗电流数值，暗电流数值<电压值/2+2。在100kV 时，暗电流约为50.9～51.1μA，随着时间推移该值会有所变动，但不能超过51.3μA。按下Filament ON 按钮，等电子束发射稳定，最终的束流比不加灯丝电流时上升不超过3μA(束流=暗电流+发射电流)。若亮度不满足要求，可以通过调节偏压调节灯丝发射量，偏压是指在灯丝的栅极上加上一定的电压以阻止电子过度逸出，偏压的指示值越大，其偏压绝对值越小，抑制能力越差，电子束发射量越大。在使用一段时间后才调节偏压，一般先调高Fine，再调高Coarse[5]。

4.4 电镜循环水维护

循环水用来带走透射电镜运转过程中线圈及扩散泵所产生的热量，透射电镜内的各级磁透镜需通过循环水冷却。一般循环水的水温设置在18～20℃，循环水的温度既不能太低也不能太高，温度太低时电镜无法启动，温度太高时会导致电镜热保护从而掉高压甚至电镜停机保护。当lens打开时电镜会产生大量的热量，因此循环水室必须配备空调，而且最好为柜式空从而防止夏季热量无法及时散出。冬天可根据实际情况选择是否关闭空调，必须注意循环水室内的温度可以适当高一些，但是绝对不能太低，温度太低时会导致结晶水落到电路板上从而烧毁电路板。开机前一般先查看循环水屋的空调是否正常工作，循环水的温度是否正常。定期检查循环水状况，每月检查一次水位，半年到一年彻底更换一次，若循环水混浊变质，应马上更换循环水，防止循环系统堵塞和结垢，保证正常的运转。换水时除了将水箱的水彻底放空，还应该用湿布将水箱内壁的杂质污物擦洗干净，防止滋生絮状微生物然后堵塞管路。放水时水位上限低于水箱出水口1cm，水位下限为水箱中白色浮漂，低于白色浮漂循环水将不能启动，要保证循环水的水位达到要求，水位低于禁戒线时要及时添加纯净水。水箱吸气过滤网要定期除尘[9-11]。