Эффекты электромагнитного экранирования в лабораторной среде электронной микроскопии (Часть 3): сравнение нескольких методов улучшения электромагнитной среды

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 расстояние 0,7 метра (для Sканирования Eэлектрона Mмикроскопe) до более 2 метров (для Tпропускания Eэлектрона Mмикроскопаe). 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.

Пассивное низкочастотное электромагнитное экранирование в основном включает два метода, которые различаются используемым экранирующим материалом: в одном методе используются материалы с высокой проницаемостью (такие как сталь, кремниевая сталь и мю-металлические сплавы), и в другом методе используются материалы с высокой проводимостью(например, медь и алюминий). Хотя принципы работы этих двух методов различны, оба они обеспечивают эффективное снижение магнитных полей окружающей среды.

А. Метод материалов с высокой проницаемостью, также известный как метод отклонения магнитной цепи, работает путем заключения конечного пространства (область А) с материалами с высокой проницаемостью. Когда напряженность магнитного поля окружающей среды равна Ho, магнитное сопротивление материала с высокой проницаемостью намного меньше, чем у воздуха (обычная сталь Q195 имеет проницаемость 4000, кремниевая сталь колеблется от 8000 до 12000, мю-металлические сплавы имеют проницаемость 24000, тогда как воздух имеет приблизительное значение 1). Применяя закон Ома, когда Rs намного меньше Ro, напряженность магнитного поля внутри замкнутого пространства (область A) уменьшается до Hi, достигая размагничивания (см. Рисунок 1 и Рисунок 2, где Ri представляет сопротивление воздуха в пространстве A, а Rs представляет сопротивление экранирующего материала). Внутри экранирующего материала магнитные домены подвергаются вибрации и рассеивают магнитную энергию в виде тепла под действием магнитного поля.

Поскольку кремниевая сталь и мю-металлические сплавы обладают анизотропией проницаемости и их нельзя ковать, сгибать или сваривать во время изготовления (хотя теоретически термообработка может улучшить эти свойства, она непрактична для крупных фиксированных изделий), их эффективная производительность значительно снижено. Тем не менее, их по-прежнему можно использовать в качестве дополнительных или усиливающих целей в определенных специальных областях без ударов молотком, сгибания или сварки.

Материалы с высокой проницаемостью дороги, поэтому они, как правило, широко не используются в защите электронных микроскопов и встречаются только в нескольких конкретных областях (таких как дверные проемы, отверстия волноводов и т. д.).

Эффективность метода отклонения магнитной цепи примерно линейно зависит от толщины экранирующего материала, который теоретически может быть бесконечно тонким.

Б. Метод материала с высокой проводимостью, также известный как метод индуцированного магнитного поля, работает путем заключения конечного пространства в материалы с высокой проводимостью. Магнитное поле окружающей среды действует на экранирующий материал через компонент электрического поля, индуцируя электродвижущую силу, которая, в свою очередь, генерирует индуцированный ток и индуцированное магнитное поле. Согласно фундаментальным принципам электромагнетизма, это индуцированное магнитное поле равно по величине (немного меньше из-за сопротивления) и противоположно по направлению исходному магнитному полю (с небольшим отставанием по фазе). Таким образом, магнитное поле внутри конечного пространства противодействует и ослабляется, достигая размагничивания.

Более глубокое понимание метода индуцированного магнитного поля можно получить, рассмотрев работу трехфазного асинхронного двигателя, что дает представление о принципах работы индуцированных магнитных полей. Важно отметить, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором не может создать вращающееся магнитное поле (50 Гц × 60 с = 3000 об/мин), поскольку стержни с короткозамкнутым ротором не могут разрезать магнитные линии, тем самым предотвращая генерацию индуцированных токов, индуцированных магнитных полей и движущей силы. .

Эффективность метода индуцированного магнитного поля не зависит от толщины экранирующего материала в определенном диапазоне.

C. Общие характеристики обоих методов: Требуется сварка с полным проваром, а высота сварного шва не должна быть меньше толщины защитного материала. Внимание необходимо уделить конструкции отверстий различного масштаба и волноводных портов. Успешность проектирования/производства сильно повлияет на эффективность защиты (применив к защите теорию «самого слабого звена»). Также важно отметить, что вибрация электронного микроскопа в защитном помещении не должна превышать вибрацию окружающей среды (были случаи, когда магнитное поле выдерживало проверку, но вибрация увеличивалась по сравнению с исходной, что приводило к несоответствию ).

Из их основных принципов работы очевидно, что как метод отвода магнитной цепи, так и метод индуцированного магнитного поля неэффективны для полей постоянного тока. Они также, как правило, неэффективны для полей, близких к постоянному току (в таких случаях необходим активный размагничиватель для уменьшения электромагнитных помех, близких к постоянному току).

Aï¼Сравните два метода в таблице:

При тщательном анализе метод отвода магнитной цепи является более выгодным. Пассивный низкочастотный размагничиватель имеет такие преимущества, как небольшой размер, легкий вес, низкая стоимость, отсутствие воздействия на окружающую среду и возможность установки после покупки.

Однако следует отметить один важный момент: магнитное экранирование часто является «доверенным» проектом, а это означает, что оно часто включает в себя электрические, водные, кондиционирующие, осветительные и сетевые системы, а также мониторинг в процессе строительства. Таким образом, если возникает необходимость в реконструкции, это обеспечивает более высокое соотношение цены и качества.

В целом, пассивное магнитное экранирование имеет более высокую эффективность, чем размагничивающие устройства, но по вышеупомянутым причинам размагничивающие устройства по-прежнему могут оставаться единственным вариантом в некоторых средах.

Для Сканирующего электронного микроскопа разница между этими методами незначительна. Однако для Просвечивающего электронного микроскопа рекомендуется максимально использовать магнитное экранирование, поскольку требования к магнитным полям обычно выше по сравнению с Сканирующим электронным микроскопом.