Эффекты электромагнитного экранирования в лабораторной среде электронной микроскопии (Часть 4): Улучшение условий низкочастотной вибрации

Для начала давайте обсудим причины низкочастотных вибраций.

Неоднократные испытания показали, что низкочастотные вибрации в первую очередь вызваны резонансами здания. Строительные характеристики промышленных и гражданских зданий в целом схожи с точки зрения высоты этажа, глубины, пролета, сечения балок и колонн, стен, балок перекрытия, плит перекрытий и т. д. Хотя могут быть некоторые различия, особенно в отношении низкочастотных резонансов, можно выделить общие характеристики.

Вот некоторые закономерности, наблюдаемые при вибрации зданий:

1. Здания с линейными или точечными планами этажей, как правило, демонстрируют более сильные низкочастотные резонансы, в то время как здания с другими формами, такими как T, H, L, S или U, имеют меньшие резонансы.

2. В зданиях с линейными планами вибрации вдоль длинной оси часто более выражены, чем вибрации вдоль короткой оси.

3. В одном и том же здании наименьшие вибрации обычно испытывает первый этаж без подвала. С увеличением высоты пола вибрации усиливаются. Вибрации на первом этаже здания с подвалом аналогичны вибрациям на втором этаже, а самые низкие вибрации обычно наблюдаются на самом нижнем уровне подвала.

4. Вертикальные вибрации обычно сильнее горизонтальных и не зависят от уровня пола.

5. Более толстые плиты перекрытия приводят к меньшей разнице между вертикальными и горизонтальными вибрациями. В большинстве случаев вертикальные вибрации сильнее горизонтальных.

6. Если нет значительного источника вибрации, вибрации на одном этаже здания, как правило, постоянны. Это относится к местам в центре комнаты, а также к стенам, колоннам или потолочным балкам. Однако даже если измерения проводятся в одном и том же месте без какого-либо движения и с интервалом в несколько минут, значения, скорее всего, будут отличаться.

Теперь, когда мы знаем источники и характеристики низкочастотных вибраций, мы можем принять целенаправленные меры по улучшению и провести расширенную оценку условий вибрации в определенных средах.

Улучшение низкочастотных вибраций может быть дорогостоящим, а иногда и неосуществимым из-за экологических ограничений. Таким образом, в практических целях часто бывает выгодно выбрать или переместить лучшее место для работы лаборатории электронного микроскопа.

Далее давайте обсудим влияние низкочастотных вибраций и возможные решения.

Вибрации ниже 20 Гц оказывают существенное разрушительное воздействие на электронные микроскопы, как показано на следующих рисунках.

Изображение 1

Изображение 2

Изображение 1 и изображение 2 были получены с помощью одного и того же Sканирующего Eэлектронного Mмикроскопа (оба при 300ккс увеличение). Однако из-за присутствия вибрационных помех Изображение 1 имеет заметные неровности в горизонтальном направлении (по сегментам), а четкость и разрешение изображения значительно снижаются. Изображение 2— результат, полученный на том же образце после устранения вибрационных помех.

Если результаты испытаний показывают, что место установки микроскопа испытывает чрезмерную вибрацию, необходимо принять соответствующие меры; в противном случае производитель микроскопа не может гарантировать, что работа микроскопа после установки будет соответствовать оптимальным конструктивным стандартам. Как правило, для улучшения или решения проблемы можно выбрать несколько методов, например, использование антивибрационной фундамента, платформы пассивной виброизоляции, или Платформа активной виброизоляции.

An Антивибрационный Фундамент требует изготовления на месте и принятия специальных мер (например, наличие эластичного амортизирующего слоя) внизу и прилегающих областях). Обычные методы строительства потенциально могут увеличить низкочастотные вибрации (ниже 20 Гц). Строительный процесс, включающий в себя большое количество поступающих и вывозимых строительных материалов, может неизбежно повлиять на окружающую среду. Принципиальная схема антивибрационного Основа можно увидеть на Изображении 3.

Изображение3

Бетонная виброизоляционная платформа массой около 50 тонн обычно обеспечивает эффект снижения вибрации от -2 до -10 дБ на частотах выше 2 Гц. Чем больше масса бетонной виброизоляционной платформы, тем лучше снижение вибрации. Если позволяют условия, его следует сделать как можно большим.

По результатам многочисленных испытаний, проведенных в разных местах, виброизолирующие платформы массой менее 5 тонн демонстрируют резонанс в низкочастотном диапазоне 1–10 Гц, что увеличивает вибрацию. Те, что весят менее 20 тонн, малоэффективны, а эффективная дальность начинается от 30 тонн. Для 30-40 тонн данных нет, поэтому желательно избегать весов ниже 50 тонн. Университет в Пекине добился хороших результатов с виброизоляционной платформой весом около 100-200 тонн. В научно-исследовательском институте в Чунцине грунтовый бетон заливали непосредственно на массивные камни, что приводило к минимальной вибрации.

Среди пассивных гасителей вибрации обычно используемые варианты, такие как резиновые, стальные пружины и пневморессоры (цилиндры), обеспечивают плохую работу в низкочастотном диапазоне ниже 20 Гц. Они часто усиливают вибрации за счет резонанса, поэтому не считаются подходящими.

Только магнитные демпферы демонстрируют приемлемые низкочастотные характеристики, но их производительность по-прежнему значительно уступает активным демпферам (аналогично эффекту снижения вибрации бетонных виброизоляционных платформ). На рис. 4 сравнивается эффективность нескольких методов.

Рисунок 4

При внимательном рассмотрении рисунка 4 мы можем сделать следующие выводы:

1. Резонансная частота (f_h) пружины из углеродистой стали составляет примерно 50 Гц. Он не обеспечивает никакого демпфирующего эффекта ниже 70 Гц и фактически усиливает вибрацию за счет резонанса. Резиновая прокладка имеет f_h примерно 25 Гц и не обеспечивает никакого демпфирующего эффекта ниже 35 Гц, а также усиливает вибрацию из-за резонанса.

2. Бетонные демпферы грузоподъемностью менее 5 тонн имеют резонанс ниже 10 Гц и зачастую менее эффективны, чем отсутствие демпфера вообще.

3. Пневматические рессоры имеют f_h примерно 15 Гц, обеспечивая хорошее демпфирование при частотах выше 25 Гц и отличное демпфирование при частотах выше 40 Гц. Они широко используются для виброизоляции в точном оборудовании, таком как оптические платформы. Однако они демонстрируют значительный резонанс ниже 20 Гц, что делает их непригодными для демпфирования электронных микроскопов (хотя в некоторых электронных микроскопах в крайнем случае используются пневматические пружины).

4. Магнитные демпферы обеспечивают удовлетворительное демпфирование низких частот и могут использоваться, когда не предъявляются строгие требования.

5. Различные активные демпферы обеспечивают превосходный эффект демпфирования. Их резонансные частоты могут быть ниже 1 Гц, и они могут обеспечивать демпфирование от -10 до -22 дБ в диапазоне 2-10 Гц, что делает их идеальными для применений, требующих эффективного демпфирования в низкочастотном диапазоне.

В целом считается, что вибрации ниже 20 Гц оказывают значительное влияние на электронные микроскопы, и их трудно уменьшить. Поскольку большинство людей не могут воспринимать вибрации ниже 20 Гц, это часто приводит к неправильному представлению о том, что при наличии значительных низкочастотных вибраций вибрация отсутствует.

Пассивные демпферы используют физические свойства демпфирующих устройств, такие как их масса и собственные характеристики передачи вибрации, для изоляции и ослабления внешних вибраций, влияющих на электронный микроскоп. Принцип работы пассивных демпферов можно увидеть на рисунке 5.

Рисунок 5

Принцип работы активных демпферов существенно отличается от пассивных. Различные типы активных демпферов имеют схожие принципы работы, в которых используется трехмерный датчик, обнаруживающий внешние вибрации в трех направлениях. Датчик отправляет информацию на ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-производный), который генерирует управляющие сигналы с одинаковой амплитудой, но с противоположной фазой. Эти управляющие сигналы затем используются приводом для создания внутренних вибраций с одинаковой амплитудой и противоположными фазами для противодействия или уменьшения внешних вибраций. Принцип работы активных демпферов можно описать, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6

Обычно используемые активные демпферы включают пьезоэлектрические керамические демпферы, пневматические демпферы и электромагнитные демпферы. Их различия в основном заключаются в механизме срабатывания, тогда как 3D-детекторы и ПИД-регуляторы относительно схожи.

Пьезоэлектрический Cкерамический Dамперы:

Они используют пьезоэлектрический эффект керамического материала для генерации трехмерных внутренних колебаний с одинаковой амплитудой и противоположной фазой.

Пневматический Dампер:

Управляемые ПИД-регулятором, впускные и выпускные клапаны модулируют непрерывный поток сжатого воздуха в специальном цилиндре для создания трехмерных внутренних вибраций с одинаковой амплитудой и противоположной фазой.

Электромагнитный Dампер:

ПИД-регулятор управляет тремя наборами электромагнитных катушек для генерации трехмерных внутренних вибраций с одинаковой амплитудой и противоположной фазой.

Активные демпферы могут обеспечить эффект снижения вибрации примерно от -22 до -28 дБ выше 20 Гц (хотя были заявления о достижении -38 дБ, они по большей части необоснованны).

Различные типы активных демпферов также имеют существенные различия в цене. Обычно демпферы готовятся до установки электронного микроскопа и устанавливаются одновременно с микроскопом.

Кроме того, в определенных условиях траншея с виброизоляцией также может обеспечить хороший демпфирующий эффект.

На рисунке 7 изображена ситуация, когда находится виброизоляционная траншея.

Рисунок 7

Рисунок 8

На рисунке 8 представлен неэффективный сценарий для вибрационной траншеи.

В общем, чем глубже вибрационная траншея, тем лучше эффект демпфирования (ширина траншеи мало влияет на эффект демпфирования). Вот сравнение нескольких распространенных методов демпфирования: