Auswirkungen der elektromagnetischen Abschirmung in der Laborumgebung eines Elektronenmikroskops (Teil 1): Niederfrequente elektromagnetische Abschirmung in der Praxis

Die Umgebung eines Elektronenmikroskopielabors hat keinen direkten Einfluss auf das Elektronenmikroskop selbst, sondern beeinflusst vielmehr die Bildqualität und die Gesamtleistung des Mikroskops. Beim Betrieb eines Elektronenmikroskops muss sich der feine Elektronenstrahl in einer Hochvakuumumgebung bewegen und dabei eine Distanz von 0,7 Metern (für Rasterelektronenmikroskope) bis über 2 Meter (für <) zurücklegen 4Transmissionselektronenmikroskope). Auf dem Weg können äußere Faktoren wie Magnetfelder, Bodenerschütterungen, Luftgeräusche und Luftströmungen dazu führen, dass der Elektronenstrahl von seinem vorgesehenen Weg abweicht, was zu einer Verschlechterung der Bildqualität führt. Daher müssen bestimmte Anforderungen an die Umgebung erfüllt werden.

Elektromagnetische Wellen bestehen bekanntlich aus magnetischen und elektrischen Wechselfeldern. Bei der Messung elektromagnetischer Wellen mithilfe magnetischer oder elektrischer Felder ist es jedoch wichtig, die Frequenz zu berücksichtigen. In der Praxis ist es notwendig, die Häufigkeit zu berücksichtigen.

Bei sehr niedrigen Frequenzen (da die Frequenz gegen Null geht, was einem magnetischen Gleichfeld entspricht) wird die magnetische Komponente der elektromagnetischen Welle stärker, während die elektrische Komponente schwächer wird. Mit zunehmender Frequenz wird die elektrische Komponente stärker und die magnetische Komponente verringert. Es handelt sich um einen allmählichen Übergang ohne klaren Wendepunkt. Im Allgemeinen kann die Magnetfeldkomponente im Bereich von null bis zu einigen Kilohertz gut charakterisiert werden, und zur Messung der Feldstärke werden Einheiten wie Gauss oder Tesla verwendet. Oberhalb von 100 kHz lässt sich die elektrische Feldkomponente besser messen und die Einheit der Feldstärke ist Volt pro Meter (V/m). Beim Umgang mit einer niederfrequenten elektromagnetischen Umgebung mit einer starken Magnetfeldkomponente ist die direkte Reduzierung des Magnetfelds ein wirksamer Ansatz.

Als nächstes Wir konzentrieren uns auf die praktische Anwendung der Abschirmung eines niederfrequenten (0-300 Hz) elektromagnetischen Feldes mit einer magnetischen Feldstärke von 0,5 bis 50 Milligauss (Spitze-zu-Spitze) in einem abgeschirmten Volumen von 40-120 Kubikmetern . Unter Berücksichtigung der Kosteneffizienz wird als Abschirmmaterial typischerweise kohlenstoffarmes Stahlblech Q195 (früher bekannt als A3) verwendet.

Da der Wirbelstromverlust eines einzelnen dicken Materials größer ist als der mehrerer dünner Schichten (mit der gleichen Gesamtdicke), werden dickere einschichtige Materialien bevorzugt, sofern keine besonderen Anforderungen bestehen. Lassen Sie uns ein mathematisches Modell erstellen:

1. Ableitung der Formel

Da die Energie niederfrequenter elektromagnetischer Wellen hauptsächlich aus Magnetfeldenergie besteht, können wir Materialien mit hoher Permeabilität verwenden, um magnetische Bypass-Pfade bereitzustellen, um die magnetische Flussdichte innerhalb des Abschirmvolumens zu reduzieren. Durch die Anwendung der Analysemethode paralleler Nebenschlusskreise können wir die Berechnungsformel für die parallele Nebenschlussschaltung magnetischer Flusspfade ableiten.

Hier sind einige Definitionen:

Ho:Äußere Magnetfeldstärke

Hi: Magnetfeldstärke innerhalb des Abschirmvolumens

Hs: Magnetfeldstärke im Inneren des Abschirmmaterials

A: Bereich, durch den magnetische Linien durch die Abschirmung verlaufen A = L × W

Φo: Luftdurchlässigkeit

Φs: Durchlässigkeit des Abschirmmaterials

Ro: Magnetischer Widerstand des Innenraums der Abschirmung

Rs: Magnetischer Widerstand des Abschirmmaterials

L: Länge des Abschirmvolumens

B: Breite des Abschirmvolumens

h: Höhe des Abschirmvolumens (d. h. Länge des magnetischen Kanals)

b: Dicke des Abschirmmaterials

Aus dem schematischen Diagramm (Abbildung 1) können wir die folgenden Gleichungen erhalten:

Ro = h / (A × Φo) = h / (L × B × Φo) (1)

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

Aus dem Ersatzschaltbild (Abbildung 2) können wir die folgende Gleichung erhalten:

Rs = Hi × Ro / (Ho – Hi) (3)

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in Gleichung (3) und Umstellen erhalten wir die Formel (4) zur Berechnung der Dicke b des Abschirmmaterials:

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

Hinweis:

In Gleichung (4) wird die Länge des magnetischen Kanals h während des Vereinfachungsprozesses eliminiert, und physikalische Einheiten wie Φo, Φs, Ho, Hi und andere werden ebenfalls eliminiert. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Längeneinheiten konsistent sind.

Aus Gleichung (4) ist ersichtlich, dass die Abschirmwirkung mit der Permeabilität und Dicke des Abschirmmaterials sowie der Größe des Abschirmvolumens zusammenhängt. Eine höhere Permeabilität und dickeres Abschirmmaterial führen zu einem geringeren magnetischen Widerstand und höheren Wirbelstromverlusten, was zu einer besseren Abschirmwirkung führt. Bei gleicher Permeabilität und Dicke führt ein größeres Abschirmvolumen zu einer schlechteren Abschirmleistung.

2. Validierung der Formel

Wir können Gleichung (4) verwenden Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 um die Dicke des Abschirmmaterials zu berechnen und die berechneten Ergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen (deren Erhebung mehrere Monate dauerte):

Tabelle 1

Hinweis:

1. Die äußere Magnetfeldstärke liegt im Bereich von 5–20 Milligauss (Spitze-zu-Spitze).

2. Die Messwerte werden durch Umrechnung mehrerer Tests unter unterschiedlichen Bedingungen gewonnen. Da die Testbedingungen für jede Messung nicht gleich sind, stellen die dargestellten Werte ungefähre Durchschnittsmessungen dar.

In der Realität ist es aufgrund verschiedener Faktoren ziemlich schwierig, ein einfaches mathematisches Modell zur Analyse und Berechnung der Wirksamkeit der elektromagnetischen Abschirmung im Niederfrequenzbereich zu erstellen. Die erheblichen Abweichungen zwischen den berechneten Ergebnissen und den experimentellen Daten können auf folgende Gründe zurückgeführt werden.

ErstensDer Funktionszusammenhang im parallelen Nebenschlusskreis ist linear, während in magnetischen Kreisen Permeabilität, magnetische Flussdichte und Wirbelstromverluste keine linearen Beziehungen aufweisen. Viele Parameter sind nichtlineare Funktionen voneinander (obwohl sie in bestimmten Bereichen eine gute Linearität aufweisen können). Bei der Ableitung des parallelen Rangiermechanismus in Magnetkreisen wurden einige Parameter weggelassen, Näherungen vorgenommen und Bedingungen vereinfacht, um komplexe Berechnungen zu vermeiden und den Magnetkreis zu linearisieren. Diese Faktoren sind die Hauptgründe für die Unterschiede in der Präzision zwischen Berechnungen und Experimenten.

ZweitensDie Spezifikationen für handelsübliche kohlenstoffarme Stahlplatten haben normalerweise eine Größe von 1,22 m × 2,44 m. Betrachtet man beispielsweise eine Raumgröße von 5m × 4m × 3m, wären selbst bei vollständiger Verschweißung immer noch über 50 Schweißnähte vorhanden, und die Dicke der Schweißnähte ist häufig geringer als die der Stahlplatte. Darüber hinaus kann es zu Öffnungen und Lücken im Abschirmmaterial kommen, was insgesamt zu einem Anstieg des magnetischen Widerstands und einer Verringerung der Permeabilität führt. Daher muss die Berechnungsformel für die magnetische Abschirmung, die aus dem parallelen Nebenschlusskreis abgeleitet wird, an die tatsächlichen Bedingungen angepasst werden.

3. Geänderte Berechnungsformel

Basierend auf Gleichung (4) führen wir einen Korrekturkoeffizienten μ ein und gehen davon aus, dass die Luftdurchlässigkeit ungefähr 1 beträgt. Die modifizierte Gleichung zur Berechnung der Dicke b des Abschirmmaterials lautet wie folgt (Gleichung 5):

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

Der Wert von μ wird zwischen 3,2 und 4,0 gewählt. Ein kleinerer Wert wird für kleinere Abschirmungsvolumina und höhere Prozessniveaus bevorzugt, während ein größerer Wert für größere Abschirmungsvolumina besser ist. Unter Verwendung von Gleichung (5) mit μ = 3,4 werden die berechneten Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen (siehe Tabelle 2), was eine deutlich verbesserte Übereinstimmung zeigt.

Tabelle 2

Hinweis: Andere Bedingungen bleiben die gleichen wie in Tabelle 1.

Es ist zu beachten, dass mehrere Testdaten die hohe Übereinstimmung zwischen den aus Gleichung (5) erhaltenen Ergebnissen und verschiedenen Messungen vor Ort bestätigen. Allerdings kam es vereinzelt zu erheblichen Abweichungen. Diese Fälle können auf bauliche Probleme zurückgeführt werden.

Die folgenden Situationen können während des Baus auftreten:

1. Dünne Stahlplatten, die in einzelnen Bereichen (z. B. Türen) verwendet werden.

2. Nicht durchgängiges Schweißen oder große Lücken in den Schweißverbindungen.

3. Unzureichende Tiefe der Schweißnähte, was zu einer verringerten Durchlässigkeit an den Schweißstellen und mehreren „Engpässen“ führt.

4. Größere Öffnungen in abgeschirmten Bereichen und unsachgemäße Behandlung von Wellenleiteröffnungen.

5. Willkürliche Verkürzung der Wellenleiterlänge oder mangelhafte Verarbeitung.

6. Unzureichende Wandstärke des Wellenleiters.

7. Mehrere Erdungspunkte im Schirmmaterial führen zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung.

8. Anschluss des Abschirmmaterials an den Neutralleiter der Stromversorgung.

Selbst ein kleines Versehen kann zu einer deutlichen Verschlechterung der Wirksamkeit führen, das Fassungsvermögen eines Eimers hängt vom kürzesten Holzstück ab. Bei verdeckten Projekten wie diesem wird die Qualität oft durch das handwerkliche Können sichergestellt. Daher ist es wichtig, sorgfältig darauf zu achten, ein zuverlässiges Bauunternehmen auszuwählen, die Entwurfsanforderungen und -prozesse strikt einzuhalten, die Bauüberwachung vor Ort zu verstärken und schrittweise Inspektionen durchzuführen.

Design der Abschirmgehäuseöffnung:

Beim Entwurf eines Abschirmgehäuses stößt man zwangsläufig auf das Problem der Öffnungen. Die theoretischen Methoden, die üblicherweise für das Aperturdesign verwendet werden, lassen sich nur schwer direkt auf das Design niederfrequenter magnetischer Abschirmungen anwenden. Hier besprechen wir das Beispiel der Abschirmungsgestaltung eines Raumes.

1. Kleine Öffnungen: In Räumen mit kleinen abgeschirmten Geräten bestehen in der Regel Anforderungen an die Stromversorgung, Energieversorgung und Kühlwasser. Diese Hilfseinrichtungen befinden sich meist außerhalb des Abschirmgehäuses und sind über Wasserleitungen, Luftleitungen und Kabel verbunden. Diese Rohre und Kabel können entsprechend zentralisiert und über ein oder mehrere kleine Löcher durch das Abschirmgehäuse geführt werden. Diese Löcher bestehen aus dem gleichen Material wie das Abschirmgehäuse und werden „Wellenleiteröffnungen“ genannt. Das Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis der Wellenleiteröffnungen wird im Allgemeinen mit mindestens 3–4:1 angenommen (wenn die Bedingungen vor Ort dies zulassen, ist länger besser). Wenn beispielsweise der Durchmesser eines kleinen Lochs 80 mm beträgt, sollte die Länge mindestens 240–320 mm betragen.

2. Mittlere Blenden: Lüftungsöffnungen für Klimaanlagen und Abluftöffnungen für Ventilatoren haben typischerweise Durchmesser (bzw. Seitenlängen bei Quadraten oder Rechtecken) von etwa 400–600 mm. Die Berechnung der Länge einer Hohlleiteröffnung auf der Grundlage dieser Abmessungen würde zu Längen von 1200–2400 mm führen, was in der praktischen Konstruktion nicht realisierbar ist. In diesem Fall kann die ursprüngliche Öffnung mithilfe eines Rasters in mehrere kleinere Öffnungen gleicher Größe unterteilt werden. Wenn beispielsweise ein 400 x 400 mm großer Lufteinlass in neun gleich große Gitter unterteilt wird, verringert sich die Länge von 1200–1600 mm auf 400–530 mm (die Erhöhung des Luftströmungswiderstands durch die Gitter ist vernachlässigbar).

Achten Sie bei der Konstruktion und Fertigung auf folgende Punkte:

- Das Material der Gitter sollte mit dem des Abschirmgehäuses identisch sein und die Dicke des Materials sollte nicht willkürlich reduziert werden.

- Der Querschnitt der Gitter sollte möglichst quadratisch sein.

- Versuchen Sie, die Anzahl der Gitter so weit wie möglich auf akzeptable Längen zu reduzieren, um Verarbeitungsschwierigkeiten und Luftströmungswiderstand zu verringern.

- Sorgen Sie für eine kontinuierliche Verschweißung an allen Stellen der Gitter, um eine Erhöhung des magnetischen Widerstands zu verhindern.

- Erhöhen Sie die magnetische Permeabilität durch Hinzufügen von Siliziumstahlplatten an den Verbindungsstellen der Gitter.

3. Große verschließbare Öffnungen:Türen und Fenster eines Raumes haben typischerweise Öffnungen von 1m×2m oder noch größer. In diesem Fall sollten die Hohlleiteröffnungen in Anlehnung an die nichtmagnetischen Lücken bei geschlossenen Türen und Fenstern gestaltet werden (aus dem gleichen Material wie das Abschirmgehäuse). Unter der Annahme eines nichtmagnetischen Spalts von 5 mm (was technisch keine Herausforderung darstellt und in schwer zugänglichen Bereichen zusätzliche Kantenfalten hinzugefügt werden können) sollte die Länge der Wellenleiteröffnung 15–20 mm betragen. Da der Spalt schmal und lang ist, ist eine längere Länge vorzuziehen. Beachten Sie, dass die Hohlleiteröffnungen nicht nur durch die Rahmen von Türen und Fenstern gebildet werden; An allen nichtmagnetischen Spaltstellen sollte eine bestimmte Dicke der Randfalten vorhanden sein, um die Länge der Hohlleiteröffnung sicherzustellen. Um unter besonderen Umständen eine sichere Evakuierung zu gewährleisten, sollten die Türrahmen des Abschirmraums verstärkt und die Abschirmtüren nach außen geöffnet werden.

Hier ist ein praktisches Designbeispiel:

Die Abmessungen des Raums betragen 5 m Länge, 4 m Breite und 3,3 m Höhe, mit ursprünglichen Magnetfeldstärken von x=10 mGauss, y=8 mGauss und z=12 mGauss. Ziel ist es, eine niederfrequente elektromagnetische Abschirmung zu entwickeln, die sicherstellt, dass die magnetische Feldstärke in jede Richtung im Inneren des Gehäuses weniger als 2 mGauß beträgt. Siehe Abbildung 3.

1. Wählen Sie handelsübliche kohlenstoffarme Stahlplatten mit Φs=4000 und Spezifikationen von 1,22 m×2,44 m.

2. Verwenden Sie Gleichung (5), um die Dicke der Stahlplatten aus den x-, y- und z-Richtungen zu berechnen:

Nehmen Sie μ als 3,8 und setzen Sie die gegebene Länge, Breite und Höhe in L×W ein, entsprechend den ursprünglichen Magnetfeldstärken in x-, y- und z-Richtung.

bx=3,8ã3,3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3,3m) 2×4000×2mGaussã

=3,43 mm

by=3,8ã3,3m×5m×(8mGauss -2mGauss)/(5m+3,3m) 2×4000×2mGaussã

=2,83 mm

bz=3,8ã5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGaussã

=5,28 mm (Wenn die Längen und Breiten 10 m bzw. 6 m betragen, wäre die berechnete Dicke b=2280/56000=8,91 mm)

Die Dicke aller Stahlplatten sollte als Einzelschicht mindestens 6 mm betragen (um Schwankungen des Magnetfelds in der Umgebung Rechnung zu tragen, können auch 8–10 mm verwendet werden).

Alle Schweißnähte sollten durchgehend sein und versuchen, eine Tiefe nahe der Dicke des Grundmaterials zu erreichen.

3. Behandlung der Wellenleiteröffnung

(Entfällt. Siehe Abschnitt zum Design der Abschirmgehäuseöffnung).

Nach der Fertigstellung wurde das Abschirmgehäuse getestet und erfüllte vollständig die Designanforderungen.

Hinweis: Magnetische Abschirmung kann DC-Interferenzumgebungen nicht verbessern. Wenn die Umgebung elektromagnetischer Gleichstromstörungen verbessert werden muss, sollte es in Verbindung mit Entmagnetisierern verwendet werden, die über Gleichstromeliminierungsfunktionen verfügen.