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长期以来，电子显微镜被视为精密仪器皇冠上的明珠，但其庞大的体积、高昂的造价以及复杂的维护体系，使其成为一个令普通实验室望而却步的“黑盒”。然而随着开源硬件运动的兴起以及微纳制造技术的进步，一场关于电镜的“桌面革命”正在悄然发生。本文将以开源电镜项目NanoMi为技术蓝本，深度解析电子光学的模块化设计哲学，探讨静电透镜与磁透镜的技术路线之争。

引言：走出“象牙塔”的电子束

在大多数人的印象中，透射电子显微镜或扫描电子显微镜往往需要独占一间恒温、恒湿、防震的专用实验室。液氮罐的嘶嘶声、复杂的真空管路以及操作面板上密密麻麻的旋钮，构成了人们对“高端显微学”的刻板印象。

不过对于广大工程类学生和材料研发工程师而言，他们需要的往往不是原子级的分辨率，而是一个能够快速反馈微观数据的工具。是否存在一种可能，将电镜拆解、重组，使其像搭建乐高积木一样灵活，且能放置在普通的办公桌上？

2022年，发表在《Micron》期刊上的一篇题为《NanoMi: An open source electron microscope hardware and software platform》的论文为我们揭开了这个可能性的面纱。NanoMi项目由加拿大国家研究委员会（NRC）主导，旨在开发一款成本低于10万美元、基于CERN开源硬件许可证（OHL）的通用电镜平台。它不仅是一个设备，更是一种宣言：电子显微镜的“黑盒”时代即将结束，模块化与小型化的时代已经到来。

NanoMi的核心架构：像搭积木一样造电镜

NanoMi的设计初衷是为了教育和原理验证，其设计哲学对于理解现代台式电镜的架构具有高参考价值。它打破了传统电镜“镜筒即真空腔”的一体化设计，采用了创新性的“真空内面包板”（In-vacuum Breadboard）结构。

图 NanoMi镜筒外观、内部半圆管结构、以及成像示例

1、物理架构：半管与积木

NanoMi的核心是一个直径127mm的半圆管（Half-pipe），它被悬挂在一个标准的DN160 CF真空法兰内。所有的电子光学元件——包括电子枪、透镜、偏转器、消像散器——都像积木一样安装在这个半圆管上。

这种设计的精妙之处在于实现了“真空包络与电子光学的解耦”。 

传统电镜：镜筒壁不仅要维持真空，还要作为磁透镜的磁路回路（铁铠），对机械加工精度和材料磁导率要求高。

模块化设计：真空腔体只是一个容器，内部的光学对中完全依赖于精密加工的安装板。这意味着，工程师可以随时更换其中的某一级透镜，或者插入一个新的探测器，而无需重新设计整个真空系统。

2、光学选择：静电透镜的复兴

在NanoMi的设计中，一个最引人注目的技术细节是其采用了静电透镜（Electrostatic Lens）而非传统的高性能磁透镜。

对于电子光学工程师而言，这是一个充满权衡的选择：

磁透镜：利用洛伦兹力聚焦，像差系数较小，尤其在高压下性能优异，但体积大、重，且需要精密的水冷系统来带走线圈热量，存在磁滞效应。

静电透镜：利用电场对电子进行加速或减速聚焦（通常为Einzel透镜结构）。优势是结构极其简单（仅需三个同心电极），无磁滞，无热耗散，不需要水冷机，这就为“台式化”扫清了障碍。而挑战则是像差较大，且对高压电源的纹波敏感。

图 静电透镜的结构细节与光学特性

NanoMi选择了静电透镜，主要就是为了极致的轻量化和低成本。其使用的Einzel透镜由铝或不锈钢加工而成，通过PEEK材料绝缘，能承受高达50kV的电压。虽然其分辨率被限制在10nm左右，但这足以证明：只要设计得当，桌面级的紧凑空间内完全可以容纳一套完整的电子光学系统。

进阶之路：从“能用”到“好用”的工程跨越

NanoMi展示了台式电镜的“下限”——即用最基础的元件构建一套可运行的系统。然而在实际的工业检测、半导体失效分析或前沿材料科研中，用户无法接受需要每天手动校准光轴、忍受高压电源漂移带来的图像抖动。

这正是商业化台式电镜存在的意义。以泽攸科技为例，其ZEM系列台式扫描电镜，实际上是在NanoMi所代表的“小型化、模块化”理念之上，完成了向“高稳定性、高分辨率、多功能化”的工业级跨越。

图 模块化的静电电子光学元件机械设计

1、电子源的进化：从钨灯丝到场发射的质变

NanoMi主要使用钨发夹灯丝或六硼化镧灯丝。钨灯丝成本低，但亮度低、寿命短（几十小时），且能量色散大，导致色差严重，限制了低电压下的分辨率。

泽攸科技ZEM Ultra直接引入了肖特基场发射电子枪。利用强电场降低势垒，使电子发生量子遂穿效应。亮度是钨灯丝的1000倍以上，能量散布极窄，这使得ZEM Ultra能够在15kV下实现优于2.5nm的分辨率。

场发射需要极高的真空度，泽攸科技通过独特的三级独立真空设计和离子泵技术，在台式机的体积内实现了超高真空环境，这是对NanoMi基础真空架构的重大升级。

图 泽攸科技ZEM Ultra扫描电镜

2、光学系统的稳定性重构

NanoMi的论文中坦承，其分辨率受限于高压电源的纹波、和机械振动。

在泽攸科技的ZEM扫描电镜系列中，我们看到了工业级解决方案的严谨性：

镜筒设计：采用了模块化的镜筒设计，但并非简单的积木堆叠，而是集成了高精度的电磁屏蔽与防震设计。

光路控制：不同于NanoMi需要手动调节电位器，ZEM系列实现了全自动化的电子束控制。通过算法自动进行消像散和对焦，将原本需要专业飞秒级操作的步骤，简化为鼠标的一次点击。

探测器集成：标配高灵敏度的二次电子（SE）和四分割背散射（BSE）探测器。特别是四分割BSE，不仅能提供成分衬度，还能通过信号加减运算提供形貌信息，这是模块化探测器布局带来的直接红利。 

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜

模块化的终极形态：原位表征

NanoMi项目的一大愿景是“根据实验需求定制电镜”。这一点在泽攸科技的产品线中得到了更成熟的体现。对于材料科学家来说，静态的微观形貌只是冰山一角，他们更想知道材料在受力、受热、通电时会发生什么。

传统的大型电镜改装原位台极其复杂，而台式电镜由于腔体小、光路短，反而具备了独特的优势。泽攸科技利用其在MEMS微纳操纵领域的深厚积累，将ZEM系列打造成了一个“微观实验室”。

力学模块：ZEM系列可选配原位拉伸台，在电镜内对金属、纤维进行拉伸、压缩，实时观察裂纹的萌生与扩展。

热学模块：集成TEC冷台或加热台，观察材料在-25℃至高温环境下的相变过程。这对于电池隔膜、生物样品或高分子材料的研究至关重要。

图 TEC冷台应用案例

图 原位拉伸台应用案例

这种将样品台作为独立模块进行扩展的设计思路，与NanoMi的开源精神不谋而合，但泽攸科技将其标准化、产品化，使得用户无需自己编写驱动代码，即可实现复杂的原位实验。

从NanoMi的开源探索，到泽攸科技ZEM系列的成熟应用，我们清晰地看到了一条电子显微镜技术的发展脉络：从神秘走向开放，从庞大走向紧凑，从单一观测走向多维分析。

NanoMi向工程界证明了，电子显微镜的物理原理并不需要庞大的身躯来支撑；而泽攸科技则向产业界展示了，通过精密的工程设计和制造工艺，台式电镜完全可以拥有媲美传统大型电镜的分辨率和稳定性。

对于今天的科研人员和工程师来说，电镜不再是那个需要预约、排队、小心翼翼操作的“黑盒”。泽攸科技ZEM系列扫描电镜，正是这一技术革新的集成者。它不仅是一台观测仪器，更是一个放在您手边的模块化微观分析平台。无论是基础的形貌表征，还是复杂的能谱分析与原位测试，它都能以高效率和低门槛，为您打开通往微观世界的大门。

在这个打破黑盒的时代，微观世界，已触手可及。

参考资料

1、Marek Malac . “NanoMi: An open source electron microscope hardware and software platform.” Micron 163 (2022): Article 103362.

2、Williams, David B. and C. B. Carter. “Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science.”

3、Egerton, R. “Physical Principles of Electron Microscopy: An Introduction to TEM, SEM, and AEM.”

4、T. Everhart,  R. Thornley. “Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents.” Journal of Scientific Instruments 31 5 (1960): 246–248.