《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于高精度采樣和控制系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡高壓高穩(wěn)定電源
電子技術(shù)應(yīng)用
顧立波1，2，梁昊1，2
1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系
摘要： 針對(duì)掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）高分辨率和全天候工作的嚴(yán)格要求，提出并研制了具備高穩(wěn)定度以及絕緣性能優(yōu)良的200 kV高穩(wěn)定性高壓直流電源。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能達(dá)到3.42‰的開(kāi)關(guān)紋波和2.45‰的工頻紋波，每小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)到0.093‰~0.158‰，能夠滿足SEM對(duì)紋波和穩(wěn)定性的要求。
中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234521
中文引用格式： 顧立波，梁昊. 基于高精度采樣和控制系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡高壓高穩(wěn)定電源[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(4)：102-108.
英文引用格式： Gu Libo，Liang Hao. High-voltage and high-stable power supply for scanning electron microscope based on high-precision sampling and control system[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(4)：102-108.
High-voltage and high-stable power supply for scanning electron microscope based on high-precision sampling and control system
Gu Libo1，2，Liang Hao1，2
1.State Key Laboratory of Nuclear Detection and Nuclear Electronics， University of Science and Technology of China；2.Department of Modern Physics， University of Science and Technology of China
Abstract： Aiming at the strict requirements of scanning electron microscope (SEM) high-resolution and all-weather work, a 200 kV high-stability high-voltage DC power supply with high stability and excellent insulation performance was proposed and developed. Experiments show that the system can achieve a switching ripple of 3.42‰ and a power frequency ripple of 2.45‰, and the long-term stability per hour can reach 0.093‰~0.158‰, which can meet the requirements of SEM for ripple and stability.
Key words : high-voltage DC power supply；sigma-delta ADC；high-precision voltage divider

引言

掃描電子顯微鏡（Scanning Elecron Microscopy，SEM）作為目前世界上在納米尺度下觀察材料結(jié)構(gòu)的重要工具，自其問(wèn)世以來(lái)，在眾多科學(xué)領(lǐng)域取得了顯著的突破[1]。這一先進(jìn)儀器的運(yùn)用已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其強(qiáng)大的觀測(cè)能力和分析潛力。最為引人注目的成果之一是對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究，為材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。隨著對(duì)微觀世界的進(jìn)一步探索，科學(xué)界對(duì)掃描電子顯微鏡的各項(xiàng)指標(biāo)提出了更高的要求[2]。為了能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，同時(shí)獲得更高質(zhì)量的圖片和數(shù)據(jù)，其高壓電源的紋波和穩(wěn)定性需求也進(jìn)一步提高。

海外SEM高壓電源領(lǐng)域在其早期已經(jīng)積累了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品迭代。現(xiàn)今，多家公司已能夠提供適用于SEM的低紋波、高穩(wěn)定性的高壓直流電源。Advanced Energy的EG353系列產(chǎn)品[3]為SEM提供35 kV的直流高壓，具有紋波小于1.6×10-6、穩(wěn)定性小于10×10-6、溫度系數(shù)小于0.000 025 ℃的優(yōu)異性能。Spellman High Voltage Electronics Corporation專(zhuān)注于高壓電源和X射線發(fā)生器的制造，其EBM-TEG高壓電源適用于熱離子掃描電鏡的三極電源，擁有2×10-5的紋波和8×10-6/3 min的穩(wěn)定性，輸出電壓能達(dá)到30 kV。

中國(guó)在精密測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，如掃描電子顯微鏡高穩(wěn)定性高壓直流電源，起步較晚，導(dǎo)致該領(lǐng)域的研發(fā)水平仍處于初級(jí)階段。北京中科信電子設(shè)備有限公司和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所聯(lián)合研制的用于離子注入機(jī)的380 kV直流高壓電源顯示出0.05%的紋波和0.07%的穩(wěn)定度[4]。然而，兩者的官網(wǎng)上并未公布相關(guān)的產(chǎn)品信息，說(shuō)明該設(shè)計(jì)可能尚未具備大規(guī)模量產(chǎn)的條件。中科院研究生院和中科院電工研究所合作研發(fā)的25 kV負(fù)高壓電源[5]顯示出小于0.3%的輸出電壓紋波和0.5%的穩(wěn)定度，但并未在官網(wǎng)上找到更多的實(shí)驗(yàn)和論文跟進(jìn)。


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作者信息：

顧立波1，2，梁昊1，2

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026；

2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026）


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