张承青电镜实验室环境约稿[7]：谈谈电子显微镜的接地

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本期将分享张承青老师为大家整理的关于电镜实验室环境对电镜的影响的系列约稿经验分享，以下为系列之七，以飨读者。（本文经授权发布,分享内容为作者个人观点, 仅供读者学习参考,不代表本网观点）

系列之七 谈谈电子显微镜的接地

众所周知电器设备都需要安全接地保护。各种设备的外壳或外露金属部分，都要与大地直接连接，以保证在万一短路漏电时，还能够使外壳或外露金属部分的电压保持在人体能够容忍的范围内（我国现行规定安全电压为不超过24V），以确保人身安全。

电子显微镜也不例外，同样需要安全接地保护，万一系统发生漏电时提供一个泄放回路，确保操作人员或维修人员的人身安全。不过另外还有一个特殊的地方就是，电子显微镜的地线同时还是电子显微镜内各个分系统（如探测器、信号处理放大、电子束控制等等）的共同“零电位”端，必须保持电压稳定在“零”。

理论上地线端是一个电压为零的参照点，但是实际上，当地线回路上存在电流时（这个电流通常称为漏电流或接地电流，由各用电设备分别产生，其大小为各漏电电流的矢量和），在这个地线回路上的任何一个接地端都有接地电压存在（因为任何地线的接地电阻R尽管很小但不可能为零，根据欧姆定律V=IR，接地电压V在漏电电流I不为零的情况下不会为0），尽管这个接地电压很小以至于我们时常忽略它。但在电子显微镜系统里，这个接地电压使得“零电位”端的电压不能稳定在“零”，这样就会使得电子显微镜不能保持在最好的工作状态下。

因为总漏电电流不可能为恒定值，所以接地电压的大小是无规则变化的。即便是一般认为小到微不足道的接地电压，对于经常需要把图像放大几万到一百多万倍的电子显微镜来说，所产生的影响也往往是不可忽视的。

接地电压的变化，直接致使SEM模式的图像垂直边缘产生类似磁场和振动干扰的毛刺，严重时还会使图像抖动。

解决这个问题的方法很简单，就是专门为电子显微镜设置一个单独的接地回路，我们称之为“独立地线（single earth loop）”。这样就排除了同一供电回路中其它用电设备的漏电流对电子显微镜的干扰。注意，必须从接地体到接地线到接地端子都是独立且不与任何导电体相连接的，这样才能保证该地线的完全独立。必须防止以下几种常见错误：1）没有埋设完全独立的接地体，只是单独布放一根地线联接到公共接地体；2）虽然有单独的接地体但是接地线或接地端子与公共地线或其它用电设备相联接；3）尽量不要接“等电位端子盒”，那玩意儿一般都是接公共地线或者与轻钢龙骨短接的；4）独立地线尽量不要两台或更多的电镜合用（有些有好几台电镜的用户，实在不情愿给每个电镜配一套独立地线啊）；5）注意不可以利用现成地下金属导体做独立地线的接地体，像是大楼底梁阀板里的钢筋什么的，那都是公用的；也不要借用弱电系统的接地体，那些都不可靠；6）与电镜信号系统连接的设备（如波谱能谱计算机显示器等，它们的地线必须与公共地线分离，这点实践中经常被疏忽）。

电子显微镜对独立地线的接地电阻要求实际不高，前些年某品牌要求是100欧姆以下即可。目前一般各家厂商都只是要求在1～10欧姆即可（小于0.1欧姆的地线成本急剧上升，并且有些土质环境很难做到）。

地线制作一般有“深井式”和“浅坑式”两种（参见图一和图二）。注意无论那种方法，都要与地下任何金属物保持四米以上直线距离以防干扰。

深井式制作说明（供参考）：

1．钻深孔：直径约50～100毫米，深度约为3～20米，达到到潮湿土层即可。

2．接地体：铜管壁厚2毫米（铜棒亦可，多花些银子就是）直径约30毫米、长约0.5米，由接地线焊牢（三点以上）引出到电子显微镜附近。

3．接地线：4～10平方毫米橡胶或塑料多股铜芯线。

4．降阻剂：盐、小块木炭各约2～3公斤。

5．施工工艺：将接地体吊放到孔的底部，准备一细长工具（钢筋、水管等），将逐渐放入的降阻剂由下而上地捣实，然后继续回填捣紧，特别注意在接地体周围一定要捣实捣紧，同时注意不要把接地线碰断。

图一  深井式示意图

浅坑式制作说明（供参考）：

1．挖浅坑：深度约为0.5～2米，达到潮湿土层即可。

2．接地体：铜板约0.5×0.5米，厚度2～3毫米，由接地线焊牢（三点以上）引出到电子显微镜附近。

3．接地线：4～10平方毫米橡胶或塑料多股铜芯线。

4．降阻剂：盐、小块木炭各约2.5～5公斤。

5．施工工艺：将铜板垂直放到坑的底部，周围先以降阻剂覆盖，并捣实捣紧，然后继续回填捣紧，注意不要把接地线碰断。

 图二  浅坑式示意图

 “深井式”适合地面难以开挖或地下水位很深的某些地方。比较而言，“浅坑式”是更为常见的做法。无论是“深井式”或是“浅坑式”，按照此工艺施工，接地电阻都可以达到4～10欧姆（单接地体）。

接地线与接地体的连接如果不便焊接的话，也可以钻孔用螺栓连接。注意必须用铜螺栓铜垫圈铜螺母，不要用哪怕是不锈钢的来代替。这不仅是防锈，还是防止产生化学电势、防止产生电腐蚀。

特别需要注意，板型接地体或者条带型接地体必须垂直埋下及回填捣实，这很重要的哦!

在土壤电阻很大的地方，为降低接地阻抗，还可以将两个以上的接地体连接起来构成一个小型接地系统，此时各接地体间距0.3～0.5米即可（深井式可以使用同一钻孔）。

经实测，一般一个接地体接地电阻可达4欧姆左右，两个个接地体接地电阻可达3欧姆左右，三个接地体接地电阻可达2欧姆左右，六到十个接地体接地电阻可达1欧姆以下（视土壤电阻率而定）。

因为不会有“跨步电压”的危险,所以不需要参照防雷电格栅式地线网的做法。同时为减少附近地下其它导体的影响，这个小型接地系统也应尽量少占用地下面积。

为防止意外短路，接地线进入室内后应直接与电子显微镜的接地线（或电子显微镜内部的地线汇流排）连接，而不要配置一般常见的地线盒或地线端子箱等，不要进入其它等电位端子箱或开关箱，不要与其它汇流排相连。

道理很简单，说穿不值钱。不过因为地线属于地下隐蔽工程，做好后很难判断它的独立性究竟好不好。曾经多次碰到磁场好，振动噪声都没问题，电镜本身也是正常的，就是偏偏图像有毛刺，最后临时断开所有接地线毛刺就大为改善，问题所在很清楚了吧。

还有市售UPS的接地制式，基本都是不符合单独接地要求的。UPS主机一般共有八个桩头、进出八根线，除两个接电池组外，另有相零地三进三出。要知道：进来的地线桩头在UPS主机内部是与输出的地线桩头完全相通的！UPS厂商工程师按照标准作业规范，把八个头八根线一个一个接好，开机、正常、走人。可是说好的独立地线呢？没啦，在UPS的鼎力相助下，和公共地线网连起来了。呜呜！

怎么办？断开就是，两个都断开？显然不对。好，再问，（卖个关子）应该断开哪一个？

临时断开地线时必须注意是断开所有的接地线，包括附属设备如能谱波谱拉伸台等等，还包括插在墙上电源插座的显示器，扒拉扒拉一堆呢。

包括三个爪子的电源插头，可以拔的都拔掉。如果疏忽漏掉一个没有断开，后面都是做无用功。噢，不，算上误导，就是做负功，不如不做。

还有一点需要注意，有时电镜会有循环冷却水箱、空压机、UPS等一大堆附属设备，这些设备也需要接地，但必须和电镜的独立地线分开（有些电镜厂商有明确说明，有些没有），可以使用另一个独立地线，也可以接入公共地线。

真空泵由于是从电镜取电（其开启和停止由电镜端控制），一般出厂配置就是用三芯电缆（相、零、地）与电镜相连，曾有人画蛇添足，再给它外壳接个地（说是保险一些），这个地线很自然就接到等电位端子箱、接到公共地线去了。哦噢，独立地线又没有啦！

有时图像不好，排查电镜自身原因后,地线就是最可疑的（磁场振动都可以测出来，地线的独立性没法测）。所以，提高对地线的认识，事先与用户（可能还有用户单位电务管理人员）有明确沟通，是很重要的。不幸也是最容易被疏忽的一个方面，唉。

2020.11

张承青

作者简介

作者张承青，退休前在某电镜公司工作多年，曾经做过约两千个（次）电镜环境调查、测试，参与多个电镜实验室设计及改造设计规划，在低频电磁环境改善和低频振动改善等方面有些体会，迄今仍在这些方面继续探索。

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附2：张承青系列约稿发布回顾

附3：相关专家系列约稿

安徽大学林中清扫描电镜系列约稿