引言

一台球差校正透射电镜的场地要求文件里，通常同时写着几项指标：温度漂移不超过 0.2℃/h、地面振动速度不超过 3.1 μm/s、交直流磁场不超过 50nT。同一栋楼里的一台常规扫描电镜，条件要宽松得多。

两类设备都叫电子显微镜，都用电子束成像，为什么场地条件差这么多。采购和基建环节常把这个问题简化成「电镜都娇贵」，于是按场地条件要求高的那一台给整层楼定标准，结果是没有必要的部分也一并做贵了；反过来，按扫描电镜的条件给透射电镜准备场地，设备到场调试时才发现不达标，返工的成本又高得多。

差异的来源不是单一因素。成像机制、分辨率量级、机械结构，以及振动之外的四项环境指标，各自贡献了一部分。本文把这几条逐项拆开，说明每一处差异落在哪个具体数值上。

一、成像机制的差别决定了位移的表现方式

1.1 扫描电镜：逐点扫描、逐行拼合

扫描电镜的图像不是一次形成的。电子束在样品表面逐点扫描，逐行收集二次电子或背散射电子信号，再按行拼合成一幅图像。一帧的采集时间取决于扫描速度和像素数量，从零点几秒到几十秒不等。

这个过程中，同一帧图像的不同行，是在不同时刻采集的。如果样品与镜筒之间存在相对位移，各行的采样位置就会发生偏移。

1.2 透射电镜：平行束照射、多级放大整幅成像

透射电镜走的是另一条路径。电子束经聚光镜形成平行束，照射整个视场，穿过薄样品后携带结构信息，再由物镜、中间镜、投影镜组成的光学系统逐级放大，在荧光屏或探测器上形成整幅图像。

以最常见的常规成像模式为例，各级透镜把物镜后焦面与像平面的信息逐级放大，最终图像的总放大倍率是各级倍率的乘积。位移在这里经历的不是一次放大，而是每一级都放大一次。

1.3 同一处位移，在两类图像上的不同后果

同样一处几纳米量级的位移，在扫描电镜的图像上可能表现为边缘毛刺，仍能看出样品的轮廓；在透射电镜的图像上，表现为整幅图像的衬度退化，原子尺度的信息可能直接消失。

二、分辨率量级决定了允许位移的量级

2.1 两类电镜的分辨率对比

来源：各厂商公开的产品技术资料。具体数值随型号、加速电压与工作模式变化，引用时以该型号的技术规格书为准。

差距大致在一个数量级左右。这个差距直接决定了允许位移的量级：成像系统要想分辨某个尺度的细节，采集期间样品与镜筒之间的相对位移就必须控制在同一个量级以下。

2.2 位移容限为什么按分辨率来定

这条关系可以这样理解。图像的像素阵列是对样品区域的离散采样，如果采集期间样品相对镜筒移动了超过一个像素对应的实际尺寸，那么同一幅图像的不同部分就对应样品上不同的位置，结构信息被抹平。

所以要求的严格程度不是由「振动大不大」单独决定的，而是由「允许的位移尺度」决定的。要求分辨 0.1nm 的设备，与要求分辨 1nm 的设备，对同一份地面振动的容忍度相差约一个数量级。

三、结构差异放大同一份地面振动

3.1 镜筒高度与重心

透射电镜的镜筒总高度通常在 3 米以上，扫描电镜和聚焦离子束系统的镜筒要短得多。这一条差异在振动上会带来两个后果。

一是重心高。同样的地面水平激励，作用在高重心结构上产生的顶部摆动幅度更大。二是力臂长。地面与镜筒顶部之间存在数米的距离，中间经过底座、镜筒各段法兰与支撑结构，任何一段的连接刚度不足或存在结构共振，都会在顶部被放大。

因此测振动时，只测地面不足以说明问题。地面、设备安装点、镜筒顶部三个位置的差异，才是判断传递路径放大比例的依据。

3.2 样品杆与悬臂结构

透射电镜的样品固定在样品杆上，样品杆从镜筒侧面插入，样品位于杆的末端，处于悬空状态。这个结构本身是一根悬臂。

悬臂结构的固有频率较低，对低频激励的响应也更明显。样品杆的倾转、移动机构还要求高精度定位，任何外部振动都会直接反映为样品位置的偏移，而样品位置的稳定性又直接决定成像质量。

扫描电镜的样品放在样品台上，由台面直接支撑，结构上的悬臂效应小得多。

四、振动之外，另外四项指标同样更严

振动只是场地条件的一项。透射电镜在磁场、声学、温度、气流这四项上，要求同样高于扫描电镜。

4.1 磁场

透射电镜的物镜是磁透镜，环境磁场的变化会直接改变电子束的偏转量，表现为图像漂移、畸变或分辨率下降。

教育行业标准 JY/T 0581-2020《透射电子显微镜分析方法通则》给出的要求是：周围杂散磁场强度不应超过 3.5×10⁻⁶ T，即 3.5 μT（约 35mG）；带扫描透射附件的机型不超过 3×10⁻⁷ T，即 0.3 μT（约 3mG）。

对照来看，美国国立卫生研究院（NIH）发布的电镜设施设计要求中提出，电磁场宜控制在 0.1mG RMS 以下，高分辨谱仪与电镜常要求交流场在三个方向上不超过约 0.2mG（20nT）峰峰值。

磁场来源中，直流与准直流成分屏蔽难度更高。有高校在建设透射电镜实验室时，按距电梯 10 米以外、距地铁 200 米以外选址，最终位置与两条地铁线的直线距离分别在 250 米和 150 米以上。

4.2 声学噪声与气流

声波在空气中传播时会引起压力波动，压力波动作用在镜筒壁与样品区域，会转化为微小的机械位移。对扫描电镜，这种影响在常规观察下不突出；对透射电镜，在原子尺度成像时会被放大出来。

因此透射电镜室的声学处理要求更严。有资料提出球差校正机型的环境噪声宜控制在 50 至 60dB 以下，室内气流速度不超过 100mm/s，压力变化不超过 1Pa。带风扇的计算机、机柜等应移出镜筒所在房间，避免风扇持续产生噪声与热扰动。

4.3 温度稳定性

JY/T 0581-2020 规定环境温度 20℃±5℃，温度变化率不超过 3℃/h；拍摄高分辨像时，温度变化率不超过 1℃/h。

对球差校正机型，有资料给出的指标更严：温度漂移不超过 0.2℃/h，短时波动不超过 0.05℃/min。温度变化会引起镜筒材料的热胀冷缩，各段结构的热变形量不同，结果是样品与透镜之间的相对位置发生改变。这个过程缓慢，但在一帧的采集时间里同样会累积。

4.4 四项指标对比

来源：《透射电子显微镜分析方法通则》JY/T 0581-2020、NIH 电镜设施设计要点，以及厂商与高校公开的电镜室建设资料。表格中的数值为常见要求区间，具体项目以该型号设备厂家给出的安装条件文件为准。

五、差异落到场地准备上

5.1 VC 等级按哪一档定

按 IEST-RP-CC012.2 的设备对应表，常规扫描电镜与透射电镜同属 VC-D 一档，对应速度限值 6.25 μm/s，判读频段 1 至 80Hz。

这张表给的是类别覆盖范围。实际项目中，透射电镜的场地条件通常要留更多余量，原因就是前几节列出的差异。有资料对球差校正机型给出的地面振动速度要求为不超过 3.1 μm/s，接近 VC-E 一档的限值。

因此工程上的常见做法是：常规扫描电镜按 VC-D 准备，高分辨场发射扫描电镜按 VC-D 至 VC-E 之间定，透射电镜按 VC-D 至 VC-E 定，球差校正机型按 VC-E 或更严准备。最终依据仍是设备厂家给出的场地振动要求文件。

5.2 测点与频段怎么选

透射电镜的测点比扫描电镜多一处。

频段上，透射电镜更关注 1 至 10Hz 这一段。它与建筑结构、人员活动、地面交通的低频成分对应，也是高重心结构响应最明显的区间。

5.3 隔振方案的低频覆盖

判定超限频带落在 1 至 10Hz 时，方案需要覆盖低频。被动隔振方案的固有频率标称值在 1.5 至 3Hz 之间，按传递率关系推算，其有效隔振起点约在固有频率的 1.41 倍处，即 2 至 4Hz。低于这一频段，被动方案不衰减振动，在固有频率附近还会放大。

主动隔振方案由传感器、执行器与控制器构成闭环，厂商标称的隔振起始频率可以做到 1Hz 甚至 0.5Hz。以 HERZ AVI 系列为例，AVI-400 的隔振起始频率为 0.5Hz，系统负载能力 0 至 800kg，整体高度升高小于 13cm；AVI-600 标准配置为 1Hz，选配 LFS 前馈系统后为 0.5Hz，负载能力 0 至 1200kg，可扩展至 1680kg。透射电镜的镜筒与配套部件总重通常较大，选型时按实际重量分档并预留余量。

10Hz 以上的中高频与承载，由气浮平台一类被动方案承担。两类方案按频段分工组合，是应对全频段要求的常规做法。

六、常见误区

七、常见问题

问：透射电镜和扫描电镜的振动要求具体差多少？

答：按 IEST-RP-CC012.2 的设备对应表，两者同属 VC-D 一档。差异体现在实际项目的余量上：常规扫描电镜按 VC-D 准备，透射电镜通常按 VC-D 至 VC-E 之间定，球差校正机型按 VC-E 或更严准备。差别不是表格给的，而是工艺与分辨率决定的。

问：为什么透射电镜要测镜筒顶部，扫描电镜不用？

答：透射电镜的镜筒总高度通常在 3 米以上，扫描电镜要短得多。高重心结构在同样的地面激励下，顶部的摆动幅度更大，且要经过数米的传递路径，中间可能遇到结构共振。只测地面会低估设备实际承受的振动。扫描电镜重心低、传递路径短，顶部与安装点的差异相对小。

问：磁场要求为什么比振动更难处理？

答：振动可以通过隔振措施在设备端处理，磁场主要靠屏蔽与预控源头。直流与准直流磁场屏蔽难度更高，所以工程上多采用拉开距离的办法，比如与电梯保持 10 米以上、与地铁保持 200 米以上。这也说明磁场问题要在选址阶段解决，事后补救的余地小。

问：已经装了气浮平台，透射电镜高分辨成像还是不稳，可能是什么原因？

答：气浮平台的固有频率标称值在 1.5 至 3Hz 之间，有效隔振起点约在 2 至 4Hz，1 至 10Hz 低频段的超限不在它的处理范围内。此外还应检查真空管、水管、线缆是否形成刚性旁路，以及磁场、声学、温度等其他指标是否也有超标项。

问：场地条件能按要求高的那一台统一给整层楼定吗？

答：可以但不经济。把整层楼都按球差校正透射电镜的条件建设，土建、隔振与屏蔽的成本会明显上升，而多数区域并不需要这个标准。更常见的做法是按房间分级：把要求高的设备集中布置在同一间条件较好的房间，其余设备按各自要求分区布置。

八、结语

透射电镜的场地条件比扫描电镜严，来源不是单一因素。成像机制决定了位移的作用方式，分辨率量级决定了允许位移的大小，镜筒高度与样品杆结构放大了同一份地面振动，磁场、声学、温度、气流四项指标又各自提出了更高的要求。

这几条落到实际工作上，就是三件事：按设备厂家的文件确定目标等级，按地面、安装点、镜筒顶部三个位置分别测量，再按超限频带选择隔振方案。目标、测量与方案三者对上，场地准备才算做完整了。

网站的产品页里有各系列隔振模块的参数与负载分档，案例页里有不同设备的现场交付记录，可以按频段与设备类型对照查看。

参考文献

1. JY/T 0581-2020《透射电子显微镜分析方法通则》，中华人民共和国教育行业标准。（环境温度、湿度、杂散磁场、地基振动等条款）

2. IEST-RP-CC012.2, Considerations in Cleanroom Design. Institute of Environmental Sciences and Technology.（VC 曲线限值与设备对应表）

3. National Institutes of Health, Facility Design Criteria for Electron Microscopes.（电镜设施的电磁场、声学与振动设计要求）

4. Practical Electron Microscopy and Database.（SEM、FIB 与 TEM 环境要求差异，TEM 镜筒高度）

5. 高校透射电镜实验室建设公开资料。（选址与电磁干扰控制实践）