高性能透射电镜CCD图像采集系统的开发

2013-04-09  来源:

立项年度:2010    负责人:况勋

完成年度:2012    完成单位:中国科学院化学研究所

一、项目说明

配置于分析测试中心电镜室透射电镜Jem-1011的CCD图像采集系统,自启用以来一直高负荷运转,为科研工作提供了有力支撑,但随着测试要求的提高,原系统显现了一些缺陷如分辨率不足、视野窄等。通过对采集芯片和耦合光纤等进行升级,使新系统在提高分辨率的同时具有宽广的视野、高灵敏度、高图像对比度和快的响应速度等优异性能,可配合透射电镜为材料制备、化学反应及生物化学等领域的研究提供更为精细、可靠的数据支持。

对于系统的功能开发主要包括:升级CCD芯片,使分辨率提高到11 Megapixel(4088x 2664),是原来的11倍;将原来1:1的耦合光纤升级为2:1的耦合光纤,可使视野面积扩大到72 mm x 48 mm,是原来的40倍;优化电子系统和循环水系统,降低噪音,提高成像速度和灵敏度。

新旧系统主要指标对比

技术指标

旧系统

新系统

视野范围

10.2mm×8.3mm

72 mm x 48 mm

最大像素数目

1392×1040

4088x 2664

像素分辨率

1376×1032

4088x 2664

CCD像素面积(μm2)

6.45×6.45

18×18

数字动态范围(bit)

12

14

曝光时间

100μs-160s

1ms-100s

触发功能

输出

局部读出

读出饱和容量(e-)

18000

90000

暗电流(e-/s)

n/a

<0.6

读出噪音(e-)

<10

-8

 

二、在科研工作中发挥的作用

   CCD图像采集系统性能的提高解决了科研工作中的许多实际问题:首先,大的视野范围,不仅可获取更多的信息量(由图1中升级前后所拍摄的电镜照片可明显看出视野范围大大增加),而且可拍摄大晶面指数的衍射花样,为晶体结构的研究提供了便利,同时在较快的响应速度下,可实现在电脑屏幕上直接寻找样品并进行聚焦,无需在电镜观察屏和CCD采集系统之间切换,极大地提高了使用效率,配置于透射电镜JEM-1011上,可更好地满足快速筛选样品的要求;分辨率的提高可得到样品更为精细的微观结构,可为新型功能材料和高效催化剂的制备、材料微观结构与性能关系研究、化学反应过程研究及生命科学中的化学问题研究等提供可靠的数据支撑(由图2可看出升级后可更为清晰地观察样品的形貌);灵敏度和图像反差的提高,可使不耐电子束照射的样品(如生物材料、高分子材料)在低电子束辐照条件下也能得到理想的图像,对于利用透射电镜对此类材料进行结构研究具有重要意义。总之,升级改造后的CCD图像采集系统可更好地满足化学所有机固体、分子纳米、胶体界面、高分子材料、新技术材料、光化学、生命分析等研究领域的需求,为国家自然基金、院重大项目、“863”“973”及国防军工项目等重要课题的研究提供更好的分析测试支撑。

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