蒋勇 马建勋
自贡硬质合金有限责任公司 四川 自贡 643011
摘要：本文通过对扫描电镜一特殊故障的处理，深入细致地介绍了故障现象分析、判断及修复的过程。
关键词：扫描电镜 紊乱 ANALOG 电路板 检测点
Abstract: Based on a special fault handling of scanning electron microscopy, the procedure of fault phenomena analysis, diagnosis and repair is introduced deeply and in detail in this paper.
前言
扫描电镜(SEM)是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器。广泛地应用于金属材料和非金属材料等检验和研究。在工业企业中，主要用于生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制和新产品的研发等。
日立公司生产的S-3000N扫描电子显微镜，属于大型精密仪器，集电子、计算机、光学、机械、真空等技术为一体，出现故障在所难免，但出现图像放大倍数紊乱，使得样品的扫描图像与其所标明的实际尺寸不符。即在进行放大倍数调整时，实际图像的尺寸与其不同步，出现不规则的变化，实属罕见。
一、扫描电镜的故障现象
扫描电镜成像后，虽然图像清晰,但是，调整放大倍数时，图像中影像的变化，却十分紊乱，如下图1：
二、工作原理
如图2，扫描电镜电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。
在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息，背SE探头获取并后期处理。
扫描电镜的放大缩小功能是通过控制扫描线圈上工作电流大小决定的。所以此次故障分析重点集中在对电镜缩放起到直接作用的扫描电路展开。
三、维修过程
首先我们通过各种渠道获得、收集扫描电镜的相关资料。在这一基础上，进行了深入细致的分析、研究。初步断定，扫描电镜放大倍数紊乱故障的可能性出在电气部分。通过对电路图的仔细分析，确认故障可能出在被称为ANALOG和DEF/LENS的两块印刷电路板上（两块电路板同时出故障的可能性基本不存在）。在初步确认故障的区域后，联系了一个与我们同型号扫描电镜用户，将ANALOG和DEF/LENS两块电路板装入该扫描电镜进行测试。通过试验，确认故障在ANALOG电路板上。
ANALOG板的功能包括：ABC检测、分析过程中的位置调节、图像处理及缩放调节等。根据仪器的故障现象，应该集中在ANALOG板的图像缩放功能模块上。
扫描电镜的放大缩小功能是通过控制扫描线圈上工作电流大小决定的。
图3 ANALOG缩放功能模块框图
所以此次故障分析重点集中在对电镜缩放起到直接作用的扫描电路上。简单讲可以理解为一个受控的锯齿波形发生器。仪器通过控制锯齿波的峰峰值和波形频率来控制扫描线圈上的电流大小和扫描频率，以此实现对扫描图像的缩放控制和分辨率控制。利用反向推理法，从扫描线圈着手，反向梳理，最终从整个电路板中清理出扫描控制部分的电气单元，并绘制缩放功能模块框图，如图3所示。控制过程张的检测点TP11为仪器扫描电镜行扫描波形发生器经过控制转换后的行扫描输出检测点。
通过对TP11波形及数据分析如下表，其变化与缩放比例间成不规则变化。而TP11检测值与图像实际变化一致，即图像大小变化遵循TP11点输出信号的变化。由此可见，仪器图像大小变化异常是因为TP11输出的信号异常所致。由此确定故障点在TP11输出点的前端。故障时，其峰峰值与缩放比例关系如表一所示。
表一 维修前TP11检测点峰峰值（TV模式）
由于故障的区域已确认，故障的范围大大地缩小。我们对ANALOG板上的相关元件在电路中的作用一一进行仔细分析。根据分析的结论，逐一进行对比试验，逐点进行故障排除。
1、二级DA转换缩放单元：其主要部件为一块12位双通道DA转换芯片AD7537，扫描信号发生器的行场信号就是通过该芯片的IOUTA 和IOUTB输出，经积分放大、比例放大、图像正交处理后输送给偏转线圈及其执行单元。
2、一级DA转换缩放单元：该单元接收来自“信号SG”单元的信号，并按总线控制信号的要求，将前级的锯齿波按比例缩放后，经比例、积分运算后，输入给二级DA转换缩放单元。
3、信号SG：该信号是标准锯齿波与模式控制信号叠加后形成的扫描控制信号。其波形幅度和频率受控于不同的检测模式。
4、锯齿波：该信号是由检测模式控制频率，波形幅度固定的标准锯齿波。其频率决定了扫描电镜的扫描频率。
通过检测，在ANALOG缩放功能模块内部未发现异样。但在一级、二级DA转换缩放单元，其输出信号还受控于来自总线的数字信号。所以怀疑来自总线的数据出现问题导致了TP11检测点信号混乱。最终电路中的ICA3集成电路进入我们的视线中。这是一块74LS645八总线收发器集成电路。在该电路板上的作用是数据传输。对该元件进一步检查，其一路输出杂波明显，怀疑该元件有问题。更换该元件后，扫描电镜恢复正常。修复后的TP11检测点峰峰值如表二。
四、维修结果
修复后的图像放大倍数恢复正常，如图4所示：
图4 维修后的效果图
五、结束语
通过本文的研究和总结，对扫描电子显微镜存在的故障进行了详细的分析和研究，找出了发生故障的原因，采取了行之有效的措施，较好的解决了问题。我们知道遇到扫描电子显微镜这类大型仪器的电路故障，一般都是直接采取更换电路板的方法，而采用元件级维修的方式，并成功修复的寥寥无几。
本文仅在为今后处理类似贵重进口分析仪器的疑难杂症和技术难题提供宝贵的经验，并探索一些进行维修、改造的途径和解决方案。
参考文献
[1]扫描电子显微镜使用手册及部分配套资料.
论文作者:蒋勇,马建勋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/4
标签：缩放论文; 故障论文; 电镜论文; 信号论文; 图像论文; 电子束论文; 波形论文; 《防护工程》2018年第25期论文;