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扫描电镜生产厂家——TESCAN背后70多年的电镜传奇

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发表时间:2024-04-10 10:48

  描述:通过TESCAN总部元老Bohumila Lencová在2021年首台电子显微镜生产70周年庆典上的回忆,我们可以了解TESCAN泰思肯扫描电镜的技术源流,领略到30多年的TESCAN泰思肯品牌背后70余年的技术积累,以及电镜先驱们从6人技术团队成长为如今世界级扫描电镜生产厂家的成长与经历,这是一段传奇的故事。

  2000年,EUREM在捷克布尔诺举办,2014年ICEM在捷克布拉格举办,曾有人称世界上大约30%的电镜在布尔诺生产,这使得布尔诺获得了“电镜谷”的称号。

  本文作者为捷克共和国Tescan Brno的Bohumila Lencová,摘译原文发布于2021年,为缅怀电子显微镜先驱——Delong、Drahoš和Zobač。

  今年,我们在布尔诺庆祝了捷克斯洛伐克首台电子显微镜生产70周年。Armin Delong描述的那些早些年间的事仿如昨日,如20世纪50年代末的一些往事、20世纪60年代年在布拉格举行的欧洲电子显微镜大会(EUREM)的情景,以及20世纪70年代的一系列论文的进展等。图1照片拍摄于1953年左右,照片上正是负责制造Brno电子显微镜的三个年轻人,当时他们三位仅28岁就被授予当时最高级别荣誉勋章之一的“工作荣誉勋章”。参与电镜制造的还包括另外两名技术人员,但由于相对年长并没有呈现。同时,三位年轻人毕业所在系的系主任Ales Bláha教授也不在其中。正如Ladislav Zobač在回忆录中所描述,“我们并不确定自己是否应该得到这份荣誉,但军事学院为了让这一成果更加受到关注所以推动了这次荣誉授予。”当时,他们在该学院从事教学工作,而Delong和Vladimir Drahoš则刚开始各自的研究生学习阶段。

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图1.png图1从左到右:Armin Delong,Vladimir Drahoš和Ladislav Zobač

  1951年,军事学院接管了布尔诺理工大学的部分工作,迫使Bláha教授离开了布尔诺理工大学,并取消了他的教授头衔。随后,Bláha搬到Bratislava,在那里继续从事其教学和研究。留在军事学院或攻读博士学位是避免服兵役的一种安全方式,至少对Zobač来说是这样。Armin Delong,Vladimir Drahoš和Ladislav Zobač主要在Bláha建立的Scientific Workshop工作,后来这里成为Tesla Elektronik的研发中心,随后成为捷克斯洛伐克科学院(CSAV)的研发中心,1957年又成为捷克斯洛伐克科学院科学仪器研究所(ISI)的一部分。在此要提一下Ferdinand Hercík院士,他从RCA获得了第一个商用显微镜。并向Armin Delong,Vladimir Drahoš和Ladislav Zobač三人展示了这台显微镜,因此他们成功地制作了一台质量与RCA显微镜相似的、最早的电子显微镜。除了仿造RCA设备之外,他们还设计了一个小型桌面显微镜。Hercík负责在Královopolská以及新建的Tesla工厂以南仅1公里的地方建造两所毗邻的学院,即生物物理学院和科学仪器研究所。他还积极参与了联合国和教科文组织的工作。

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prof.MUDr.,RNDr.Ferdinand Hercík生前留影(来自网络)

  在此也简要概述一下捷克斯洛伐克当时的时代背景。捷克斯洛伐克是1918年在一战后由前波希米亚、摩拉维亚、斯洛伐克(哈布斯堡君主制匈牙利部分的一部分)和后来被苏联吞并的喀尔巴阡乌克兰组成的,虽然只持续了20年,但在这期间经济实现飞速增长。1938年秋天,纳粹占领捷克和摩拉维亚之前,吞并了居住着近300万德国人的苏台德地区;战争结束后,他们被迫大量离开该国前往德国。1939年3月,第一个斯洛伐克分裂,建立了自己的法西斯国家,其余的波希米亚和摩拉维亚被占领。大屠杀使8万犹太人减少到只剩10%。这其中,很多教授是犹太裔,许多其他的捷克教授死于监狱和集中营。在整个战争期间,这些大学从1939年11月开始关闭。因为大部分国家是由苏联军队解放的,战争还迫使许多年轻人加入共产党。1947年,罕见的干旱开始蔓延,经济形势低迷,但是战后政府的共产党拒绝了马歇尔计划的帮助,并从苏联换取了极少的粮食;这导致了1948年2月的共产主义政变,使这个国家成为苏联的卫星国。同年晚些时候,由于被迫与社会民主统一,党员的人数有所增加。政府、工厂甚至大学大多由共产党候选人管理,并受到秘密警察和俄罗斯顾问的密切监督。1968年,随着经济的改善,人们期望国家会发生变化,向往“人性化的社会主义”,但最终被俄罗斯坦克所终结,后来就是大规模的移民。之后是“normalization”时期,许多改革派共产党人不仅被开除党籍,而且常被开除工作,这使他们的子女无法接受高等教育。

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(二战前捷克斯洛伐克民族分布,蓝色为日耳曼,黄色为乌克兰,两个粉色为捷克、斯洛伐克)

  在三位制造捷克斯洛伐克首台显微镜的人当中,Armin Delong教授最为突出。Armin Delong出生于1925年1月,在战后的第一年开始在布尔诺的理工大学(VTU)学习。在此之前,所有的大学都关闭了近六年。1957年,他(和Drahoš)获得了CSc(相当于博士学位);1969年,他获得了博士学位。他也是三人中最爱冒险的,也是唯一的党员。1961年,他成为该研究所的所长(此后该研究所的所有所长均来自该所电子光学系)。在下一次革命——天鹅绒革命之前,他一直担任所长。科学仪器研究所的其他部门包括核磁共振和冷冻核磁共振,以及用于测量的激光部门。1973年,他成为捷克斯洛伐克科学院的准会员,1981年成为捷克斯洛伐克科学院的正式成员。

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Experimental transmission electron microscope-100 kV(1960)

(图片来自网络)

  最大的电子光学系吸引了许多有才华的工程师和物理学家,包括一些博士生等,他们大多留在科学仪器研究所。他们继续进一步开发显微镜,并且与Tesla展开合作。唯一糟糕的决定是“tsar microscope”,由于机械和电气不稳定,以失败告终。而这个远大的目标是在距离有轨电车或无轨电车约50米的环境下,实现电镜分辨率尽可能接近1埃。20世纪60年代末,人们的兴趣转向了发射式电子显微镜(EEM),典型成果发表在《Nature》(1971年)和《Journal de Microscopie》上,并在电子显微学学术大会上多次提及。EEM包含超高压(UHV)样品室、两个磁性透镜和一个发射枪等。很多技术包含:离子轰击、样品加热、电子光谱等。超高压环境允许观察LEED模式,其尺寸与初始电子能量无关,相关成果在Nature、Optik中均有报道。

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Emission electron microscope(1968)

  Delong感兴趣的另一个方向是在超高压样品室中进行离子束注入和hemispherical LEED(和俄歇谱仪)。1969年,Delong成为自然科学学院固体物理系的外部负责人,任期三年。当Delong开始回归生活时,其对外的活动开始减少。他的大多数同事都是Delong的学生,其学生的大部分毕业论文主要关于EEM和表面物理。20世纪80年代末,Delong制作了一个5keV FEG微型TEM原型。Drahos的职业生涯持续得更顺利,他在电气工程学院以及BUT(现在的布尔诺理工大学)的仪器技术学院任教,用捷克语出版了两本书和几本学生读物。1964年,他被授予博士学位。1968年,他成为BUT的教授。在科学仪器研究所(ISI),Drahos任职电子光学部门的主管和ISI的副主任。他开发了由Tesla生产的X13系列高分辨率TEM,并开发了自己研制的BS500和540常规TEM。

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(Tesla解体后研发部经理成立TESCAN;

左:1991年TESCAN刚成立之初的办公楼;右:目前TESCAN总部大楼)

  Drahos合作密切的同事是JiříKomrska,其学生包括Michal Lenc和Josef Podbrdsky。Komrska成为“normalization”时期的受害者之一,因此无法指导学生。因此Komrska建议我在Delong的监督下取得毕业文凭。毕业后,我开始加入Drahoš的小组,Drahoš于1972年在曼彻斯特举行的欧洲显微镜大会上做了邀请报告并和Tom Mulvey和Eric Munro进行了对话。之后,他让我试着写一个有限元法程序,我在六个月内完成。我的第一个任务是改进BS500显微镜的性能,它没能和BS540一样运行。我很快发现,下极靴的畸形导致产生了一个附加场。我们也想开始设计一个新的TEM,但没能成功。

  Drahoš的工作是电子干涉、衍射、全息、反射衍射系统,他很讨人喜欢,关心同事。Drahoš和Delong都精通法语、英语、德语和俄语。1968年,因为研究所人数增长过快,增加到了260人,主楼扩建了一座楼。在苏联占领的头几天,布尔诺广播电台在这栋大楼里播放了几天,30年后才披露这件事,这一事件被称为兄弟会帮助,民主德国军队甚至错误地被纳入了计划,但他们在第一天的24小时内就撤出了。1974年,上级建议Tesla开始制造扫描电子显微镜。Tesla和科学仪器研究所同时在进行研发:Tesla搭建了一个带有热电子发射枪的系统;科学仪器研究所在Crewe的CwickScan的启发下,从冷场发射开始尝试。Delong曾经的学生Kolarik成为了首席设计师,他完成一个非常巧妙的设计,包含两个磁性透镜、浸入上部透镜中的FEG和配有Auger及EDAX光谱仪的超高真空样品室。传统的SE和BSE探测器的塑料材料不能用于超高真空,因此它被一种新型闪烁材料——掺YAG Ce单晶所取代,后来掺YAG Ce单晶也用于TEM屏幕。

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The BS 350 scanning electron microscope(1976)

  1978年冬天,Drahoš患了严重的流感,第二年春天,他被诊断出患有癌症,并于6月去世。Delong被逐出了布尔诺大学,之后开始在Olomouc举办讲座。后来在1978年,我们五个没有机会获得博士学位的人都被授予一个有趣的头衔——RNDr。不久之后,上级又提出了另一个要求,即东区需要改善半导体工业并使用电子束光刻技术。德意志民主共和国的耶拿开发了一个系统,该系统过大且超出了标准尺寸。1978年,Delong和Kolarik参加了多伦多举办的国际电子显微镜大会(ICEM),会上他们受到了更稳定的肖特基枪的启发。直到1982年,五人组第一次共同参加了汉堡举办的ICEM,在那里展出了FEG SEM。在此之前,我们与国外联系的唯一途径是通过Tom Mulvey的协助,他经常访问科学仪器研究所并与我们分享他的想法和会议记录。

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图2 Tesla公司生产的低温FEG SEM BS350,但由科学仪器研究所开发

  这些人中有两个人是例外。JiříKomrska在1968年在阿斯顿大学待了几个月,Podbrdsky在20世纪70年代末在坦佩的亚利桑那大学度过了几个月。由于20世纪80年代初英国皇家学会交换计划(Royal Society Exchange scheme)的出现,Podbrdsky在英国待了一个月,甚至我也能在1987年去英国访问。1984年,电子束光刻系统(EBL)完成,其中有几台运到了苏联。它在15ke V电子束时电流为1μA,拥有6×6mm的视场、高达6.4×6.4μm的整形光束和0.1μm的分辨率。Tesla还为之前生产EBL的部分建造了一个技术博物馆,现在变成了精心组织的Brno显微镜展览。图2中的SEM也包括在其中。Zobač也在该研究所工作,他致力于引进特殊技术,如电子束焊接和超高压钛轨道泵等。这些技术是Delong公司超高压设备所需要的。Zobač也对医疗设备和冷冻技术感兴趣。后来,Zobač娶了一位科学仪器研究所出身的女士,并生下了一个儿子。Zobač现在仍在科学仪器研究所工作。

  2017年,Delong去世,Ladislav Zobač在Delong去世一年后逝世。许多人因为天鹅绒革命对科学仪器研究所提出批评,甚至试图赶走Delong。然而,1990年初,Delong成为捷克斯洛伐克的科学副总理。Delong的职业生涯并没有持续太久,因为这个国家分裂为捷克和斯洛伐克(斯洛伐克只有在二战期间才有自己的法西斯国家,历史上他们是匈牙利的一部分)。此外,由于科研经费大大减少,研究所的人数(260人)几乎少了一半。很多人逐渐认识到他们对应产品技术的市场潜力,甚至试图接管科学仪器研究所,而Tesla失去了大部分市场,之后被私有化并解体。

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(Armin Delong教授生前,图片来自网络)

  我当时在国外的帝国理工学院待了三个月(1987年)。一年后,我被邀请到帝国理工学院学习半年,但只得到了三个月的支持。在TU Delft,我顺利得度过了三年,直到1991年秋天。1990年,在革命后的动乱中,JiříKomrska成为科学仪器研究所的所长,但他于秋季辞职并前往BUT。紧随其后的是核磁共振部门的Josef Jelínek,他选Michal Lenc担任副手,但不到六个月就得了重病。1992年,Lenc去了理论物理系。Autrata教授在担任一年中级主管之后,成为科学仪器研究所所长,直到2006年去世。Sklenar、Kasal、Komrska、Lenc等几位教授在离开科学仪器研究所后开始了学术生涯,人数与留在那的教授相同。

  1994年,我开始在BUT的机械工程学院与Komrska在同一系兼职任教,指导16个研究生。2006年,我晋升教授。在完成最后一个项目后,我离开科学仪器研究所并开始在Tescan工作。接下来的两任研究所负责人是Ludek Frank和Ilona Mullerová。即使是在Tesla公司倒闭、科学仪器研究所减员的情况下,布尔诺的电子显微镜时代也并未就此结束。1990年,市面上出现了三家公司,他们的员工来自Tesla和科学仪器研究所。最初,Tescan接管了Tesla的SEM部分,Tescan从最初的六个人成长到近百倍的规模。另一组约20人也成立了一家公司Delmi,并开始生产名为Morgagni的常规TEM,Delmi随后被飞利浦EO/FEI公司收购。2015年,FEI被赛默飞世尔科技公司收购。1990年同年,Kolarik及其同事成立了Delong Instruments公司。

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(1960s Tesla布尔诺变换红外光谱仪显微镜、科学设备别针徽章)

  2000年,EUREM在捷克布尔诺举办,2014年ICEM在捷克布拉格举办,曾有人称世界上大约30%的电镜在布尔诺生产,这使得布尔诺获得了“电镜谷”的称号。

  彼时,也正是TESCAN成立30周年庆。

  TESCAN前身为TESLA,最初以军用雷达、通讯装备和民用电子设备制造为主。1951年,当TESLA生产出其第一台商品化电子显微镜Tesla BS 241时,注定其不平凡的下半生。前文提到1991年,TESLA私有化并解体。这一年,对于研发部经理Klima来说,是十分重要的人生阶段,在此期间,他立志将电子显微镜作为毕生的追求,于是联合其他4名技术人员,在捷克布尔诺共同创立TESCAN,从此开启了往后的一路精彩。

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  从最初的几个创始人至今,TESCAN已在全球范围内建立销售服务网络,并在捷克、法国和美国拥有5家研发中心、2个生产基地,以及7家海外子公司,销售额基本保持每年20%以上的增长率,2023年同比增长超30%。当然,TESCAN的成就也离不开合作伙伴的全力支持!

  TESCAN一直以成就客户为己任,这些年泰思肯中国陆续开展了“电镜启明星”计划青年基金项目,成立TESCAN学术委员会,与院校、企业联合设立联合实验室,举办第一届联用技术论坛,努力打造“开放赋能,成就客户”的服务战略。

 
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