Эффекты электромагнитного экранирования в лабораторных условиях электронного микроскопа (Часть 1): низкочастотное электромагнитное экранирование на практике

Среда лаборатории электронной микроскопии не влияет напрямую на сам электронный микроскоп, а скорее влияет на качество изображения и общую производительность микроскопа. Во время работы электронного микроскопа тонкий электронный луч должен пройти в условиях высокого вакуума на расстояние от 0,7 метра (для Сканирующего электронного микроскопаe) до более 2 метров (для Просвечивающий электронный микроскопe). На пути внешние факторы, такие как магнитные поля, вибрации земли, шум в воздухе и воздушные потоки, могут привести к отклонению электронного луча от намеченного пути, что приведет к ухудшению качества изображения. Поэтому к окружающей среде необходимо соблюдать особые требования.

Как известно, электромагнитные волны состоят из переменных магнитного и электрического полей. Однако важно учитывать частоту при измерении электромагнитных волн с использованием магнитных или электрических полей. На практике необходимо учитывать частоту.

На очень низких частотах (поскольку частота стремится к нулю, что эквивалентно постоянному магнитному полю) магнитная составляющая электромагнитной волны становится сильнее, а электрическая составляющая ослабевает. По мере увеличения частоты электрическая составляющая усиливается, а магнитная составляющая уменьшается. Это постепенный переход без четкого поворотного момента. Как правило, составляющая магнитного поля может быть хорошо охарактеризована в диапазоне от нуля до нескольких килогерц, а для измерения напряженности поля используются такие единицы, как Гаусс или Тесла. Выше 100 кГц лучше измеряется составляющая электрического поля, а единицей измерения напряженности поля является вольт на метр (В/м). При работе в низкочастотной электромагнитной среде с сильной составляющей магнитного поля эффективным подходом является прямое уменьшение магнитного поля.

Далее, мы сосредоточимся на практическом применении экранирования низкочастотного (0-300 Гц) электромагнитного поля с напряженностью магнитного поля от 0,5 до 50 миллигаусс (размах) в экранируемом объеме 40-120 кубических метров. . Учитывая экономическую эффективность, в качестве защитного материала обычно используется пластина из низкоуглеродистой стали Q195 (ранее известная как A3).

Поскольку потери на вихревые токи в одном толстом материале больше, чем в нескольких тонких слоях (с одинаковой общей толщиной), более толстые однослойные материалы являются предпочтительными, если нет особых требований. Создадим математическую модель:

1. Вывод формулы

Поскольку энергия низкочастотных электромагнитных волн в основном состоит из энергии магнитного поля, мы можем использовать материалы с высокой проницаемостью для создания обходных магнитных путей для уменьшения плотности магнитного потока внутри экранирующего объема. Применяя метод анализа параллельных шунтирующих цепей, мы можем вывести расчетную формулу для параллельного шунтирования путей магнитного потока.

Вот несколько определений:

Хо:Напряженность внешнего магнитного поля

Привет: Напряженность магнитного поля внутри защитного объема

Hs: Напряженность магнитного поля внутри экранирующего материала

A: Площадь, через которую проходят магнитные линии через экран A = Д × Ш

Φo: Воздухопроницаемость

Φs: Проницаемость защитного материала

Ro: Магнитное сопротивление внутреннего пространства экрана

Rs: Магнитное сопротивление экранирующего материала

L: Длина защитного объема

Ш: Ширина экранирующего объема

h: Высота экранирующего объема (т.е. длина магнитного канала)

b: Толщина защитного материала

Из принципиальной схемы (рис. 1) можно получить следующие уравнения:

Ro = h/(A × Φo) = h/ (L × W × Φo) (1)

Rs = h / ((2b × W) + (2b × L)) × Φs (2)

Из эквивалентной схемы (рис. 2) можно получить следующее уравнение:

Rs = Привет × Ро / (Хо - Привет) (3)

Подставив уравнения (1) и (2) в уравнение (3) и переставив, получим формулу (4) для расчета толщины b экранирующего материала:

b = L × W × Φo × (Ho - Hi) / ((W + L) × 2Φs × Hi) (4)

Примечание:

В уравнении (4) длина магнитного канала h исключается в процессе упрощения, а также исключаются физические единицы, такие как Φo, Φs, Ho, Hi и другие. Необходимо только обеспечить соответствие единиц длины.

Из уравнения (4) видно, что эффективность защиты связана с проницаемостью и толщиной защитного материала, а также с размером защитного объема. Более высокая проницаемость и более толстый экранирующий материал приводят к более низкому магнитному сопротивлению и более высоким потерям на вихревые токи, что приводит к повышению эффективности экранирования. Когда проницаемость и толщина одинаковы, больший объем защиты приведет к ухудшению эффективности защиты.

2. Проверка формулы

Мы можем использовать уравнение (4) Φo=1, L=5м, W=4м, Φs=4000 рассчитать толщину защитного материала и сравнить результаты расчета с экспериментальными данными (на сбор которых ушло несколько месяцев):

Таблица 1

Примечание:

1. Напряженность внешнего магнитного поля находится в диапазоне 5-20 миллигаусс (размах).

2. Измеренные значения получены путем преобразования нескольких испытаний в разных условиях. Поскольку условия испытаний для каждого измерения различаются, представленные значения представляют собой приблизительные средние значения.

В действительности из-за различных факторов довольно сложно создать простую математическую модель для анализа и расчета эффективности низкочастотного электромагнитного экранирования. Значительные отклонения между результатами расчетов и экспериментальными данными можно объяснить следующими причинами.

Во-первых,зависимость функции в параллельной шунтирующей цепи линейна, тогда как в магнитопроводах проницаемость, магнитная индукция и потери на вихревые токи не имеют линейных зависимостей. Многие параметры являются нелинейными функциями друг друга (хотя в определенных диапазонах они могут демонстрировать хорошую линейность). При выводе механизма параллельного шунтирования в магнитных цепях некоторые параметры опускались, проводились приближения и упрощались условия во избежание сложных расчетов, линеаризующих магнитную цепь. Эти факторы являются основными причинами различий в точности расчетов и экспериментов.

Во-вторых,Размеры коммерческих листов из низкоуглеродистой стали обычно составляют 1,22 × 2,44 м. Если взять, к примеру, размер помещения 5×4×3 м, то даже при полной сварке все равно будет более 50 сварных швов, а толщина сварных швов часто меньше, чем у стальной пластины. Кроме того, в экранирующем материале могут быть отверстия и зазоры, что приводит к общему увеличению магнитного сопротивления и снижению проницаемости. Следовательно, формула расчета магнитного экранирования, полученная на основе параллельной шунтирующей цепи, должна быть изменена, чтобы приблизиться к реальным условиям.

3. Модифицированная формула расчета

На основе уравнения (4) мы вводим поправочный коэффициент μ и считаем воздухопроницаемость приблизительно равной 1. Модифицированное уравнение для расчета толщины b защитного материала выглядит следующим образом (уравнение 5):

b = μ × [L × W × (Ho - Hi) / ((W + L) × 2Φs × Hi)] (5)

Значение μ выбирается между 3,2 и 4,0. Меньшее значение предпочтительнее для меньших объемов защиты и более высоких уровней процесса, тогда как большее значение лучше для больших объемов защиты. Используя уравнение (5) с ц = 3,4, результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными (см. таблицу 2), что показывает значительно лучшее согласие.

Таблица 2

Примечание: Другие условия остаются такими же, как в Таблице 1.

Следует отметить, что данные многочисленных испытаний подтверждают высокую степень совпадения результатов, полученных по уравнению (5), и различных измерений на месте. Однако были единичные случаи со значительными отклонениями. Эти случаи можно отнести к строительным проблемам.

Ниже приведены несколько ситуаций, которые могут возникнуть во время строительства:

1. Тонкие стальные пластины, используемые в отдельных местах (например, дверях).

2. Несплошная сварка или большие зазоры в сварных соединениях.

3. Недостаточная глубина сварных швов, что приводит к снижению проницаемости в местах сварки и множественным «узким местам».

4. Большие отверстия в экранированных зонах и неправильная обработка отверстий волноводов.

5. Произвольное сокращение длины волновода или некачественная обработка.

6. Недостаточная толщина стенки волновода.

7. Множественные точки заземления в экранирующем материале приводят к неравномерному распределению тока.

8. Подключение экранирующего материала к нейтральному проводу источника питания.

Даже небольшая оплошность может привести к значительному ухудшению эффективности, ведьвместимость ковша зависит от самого короткого куска дерева. В таких скрытых проектах качество часто обеспечивается мастерством. Поэтому важно уделять пристальное внимание выбору надежной строительной компании, строго соблюдать требования и технологические процессы проектирования, усиливать надзор за строительством на объекте и проводить поэтапные проверки.

Конструкция проема экранирующего корпуса:

При проектировании защитного ограждения неизбежно возникает проблема проемов. Теоретические методы, обычно используемые для проектирования апертуры, трудно напрямую применить к проектированию низкочастотного магнитного экранирования. Здесь мы обсудим пример конструкции экранирования комнаты.

1. Маленькие проемы: В помещениях с небольшими экранированными устройствами обычно требуются электропитание, энергоснабжение и охлаждающая вода. Эти вспомогательные объекты в большинстве случаев расположены вне защитной оболочки и подключаются через водопроводные, воздушные трубы и кабели. Эти трубы и кабели можно соответствующим образом централизовать и провести через экранирующий кожух с помощью одного или нескольких небольших отверстий. Эти отверстия, изготовленные из того же материала, что и экранирующий корпус, называются «отверстиями волновода». Отношение длины к диаметру отверстий волновода обычно считается не менее 3-4:1 (если позволяют условия на месте, чем длиннее, тем лучше). Например, если диаметр маленького отверстия составляет 80 мм, длина должна быть не менее 240-320 мм.

2. Апертуры среднего размера: Вентиляционные отверстия для кондиционирования воздуха и вытяжные отверстия для вентиляторов обычно имеют диаметр (или длину сторон для квадратов или прямоугольников) около 400-600 мм. Расчет длины отверстия волновода на основе этих размеров приведет к получению длины 1200-2400 мм, что невозможно в практическом строительстве. В этом случае исходное отверстие можно разделить на несколько более мелких отверстий одинакового размера с помощью сетки. Например, если воздухозаборник 400х400 мм разделить на девять равновеликих решеток, длина уменьшится с 1200-1600 мм до 400-530 мм (увеличение сопротивления воздушному потоку за счет решеток незначительно).

При проектировании и изготовлении обратите внимание на следующие моменты:

- Материал решеток должен быть таким же, как и экранирующий кожух, и толщина материала не должна быть произвольно уменьшена.

- Сечение сеток должно быть как можно ближе к квадратному.

- Постарайтесь максимально сократить количество решеток в пределах приемлемой длины, чтобы уменьшить трудности обработки и сопротивление воздушному потоку.

- Обеспечить непрерывную сварку во всех местах решеток во избежание увеличения магнитного сопротивления.

- Увеличьте магнитную проницаемость, добавив пластины из кремнистой стали в местах соединения сеток.

3. Большие закрывающиеся отверстия:Двери и окна комнаты обычно имеют проемы размером 1х2 м или даже больше. В этом случае отверстия волновода следует проектировать с учетом немагнитных зазоров при закрытых дверях и окнах (из того же материала, что и экранирующий кожух). Если предположить, что немагнитный зазор составляет 5 мм (что технически несложно, а в труднодоступных местах можно сделать дополнительные краевые складки), то длина волноводного отверстия должна составлять 15-20 мм. Учитывая, что зазор узкий и длинный, предпочтительно иметь большую длину. Обратите внимание, что волноводные отверстия образованы не только рамами дверей и окон; во всех местах немагнитного зазора должна быть определенная толщина краевых складок для обеспечения длины отверстия волновода. Для обеспечения безопасной эвакуации в особых случаях дверные коробки экранирующего помещения должны быть усилены, а экранирующие двери должны открываться наружу.

Вот практический пример дизайна:

Размеры комнаты: длина 5 м, ширина 4 м и высота 3,3 м, исходная напряженность магнитного поля составляет x=10 мГс, y=8 мГс и z=12 мГс. Цель состоит в том, чтобы разработать низкочастотное электромагнитное экранирование, обеспечивающее напряженность магнитного поля в любом направлении внутри корпуса менее 2 мГс. См. рисунок 3.

1. Выберите коммерческие пластины из низкоуглеродистой стали с Φs=4000 и размерами 1,22×2,44 м.

2. Используйте уравнение (5) для расчета толщины стальных пластин по направлениям x, y и z:

Принимая μ равным 3,8, подставьте заданные длину, ширину и высоту в L×W, соответствующие исходной напряженности магнитного поля в направлениях x, y и z.

bx=3,8ã3,3м×4м×(10мГаусс -2мГаусс)/(4м+3,3м) 2×4000×2мГауссã

=3,43 мм

by=3,8ã3,3м×5м×(8мГаусс -2мГаусс)/(5м+3,3м) 2×4000×2мГауссã

=2,83 мм

bz=3,8ã5м×4м×(12мГаусс -2мГаусс)/(4м+5м) 2×4000×2мГауссã

=5,28 мм (Если длина и ширина равны 10 м и 6 м соответственно, расчетная толщина будет равна b=2280/56000=8,91 мм)

Толщина всех стальных пластин должна быть не менее 6 мм (чтобы учесть изменения магнитного поля окружающей среды, можно также использовать 8-10 мм) в виде одного слоя.

Все сварочные швы должны быть непрерывными и стараться достигать глубины, близкой к толщине основного материала.

3. Обработка отверстия волновода

(Опущено. См. раздел, посвященный конструкции отверстий экранирующего корпуса).

После завершения экранирующий кожух был протестирован и полностью соответствовал проектным требованиям.

Примечание: Магнитное экранирование не может уменьшить помехи постоянного тока. Когда есть необходимость улучшить среду электромагнитных помех постоянного тока, его следует использовать в сочетании с размагничивающими устройствами, которые обладают способностью устранять постоянный ток.