Auswirkungen der elektromagnetischen Abschirmung in der Laborumgebung der Elektronenmikroskopie (Teil 3): Vergleich mehrerer Methoden zur Verbesserung der elektromagnetischen Umgebung

Die Umgebung eines Elektronenmikroskopielabors hat keinen direkten Einfluss auf das Elektronenmikroskop selbst, sondern beeinflusst vielmehr die Bildqualität und die Gesamtleistung des Mikroskops. Während des Betriebs eines Elektronenmikroskops muss sich der feine Elektronenstrahl in einer Hochvakuumumgebung bewegen und dabei eine Distanz von 0,7 Metern zurücklegen (für SCanning EElektronen M<). 6icroskope) bis über 2 Meter (für Ttransmission Elektron Microskope). 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.

Bei der passiven niederfrequenten elektromagnetischen Abschirmung handelt es sich im Wesentlichen um zwei Methoden, die sich im verwendeten Abschirmmaterial unterscheiden: Eine Methode verwendet hochpermeable Materialien (wie Stahl, Siliziumstahl und Mu-Metall-Legierungen), und die andere Methode verwendet Materialien mit hoher Leitfähigkeit(wie Kupfer und Aluminium). Obwohl die Arbeitsprinzipien dieser beiden Methoden unterschiedlich sind, erreichen sie beide eine wirksame Reduzierung der magnetischen Umgebungsfelder.

A. Die Methode mit hochpermeablem Material, auch Magnetkreisumleitungsmethode genannt, funktioniert durch das Umschließen eines endlichen Raums (Bereich A) mit hochpermeablen Materialien. Wenn die Umgebungsmagnetfeldstärke Ho beträgt, ist der magnetische Widerstand des hochpermeablen Materials viel kleiner als der von Luft (gewöhnlicher Q195-Stahl hat eine Permeabilität von 4000, Siliziumstahl liegt im Bereich von 8000 bis 12000, Mu-Metalllegierungen haben eine Permeabilität). von 24000, während Luft einen ungefähren Wert von 1 hat). Wenn Rs viel kleiner als Ro ist, nimmt unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes die magnetische Feldstärke innerhalb des umschlossenen Raums (Region A) auf Hi ab, wodurch eine Entmagnetisierung erreicht wird (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2, wobei Ri den Luftwiderstand im Raum A darstellt und Rs stellt den Widerstand des Abschirmmaterials dar). Im Inneren des Abschirmmaterials unterliegen die magnetischen Domänen einer Vibration und geben unter der Wirkung des Magnetfelds magnetische Energie als Wärme ab.

Da Siliziumstahl und Mu-Metalllegierungen eine Anisotropie in der Permeabilität aufweisen und während der Konstruktion nicht gehämmert, gebogen oder geschweißt werden können (obwohl eine Wärmebehandlung diese Eigenschaften theoretisch verbessern kann, ist sie für große feste Produkte unpraktisch), ist ihre effektive Leistung gering deutlich reduziert. Sie können jedoch in bestimmten Spezialbereichen auch ohne Hämmern, Biegen oder Schweißen zur Ergänzung oder Verstärkung eingesetzt werden.

Materialien mit hoher Permeabilität sind teuer, daher werden sie im Allgemeinen nicht in großem Umfang bei der Abschirmung von Elektronenmikroskopen verwendet und kommen nur in wenigen spezifischen Bereichen vor (z. B. Türspalten, Wellenleiteröffnungen usw.).

Die Wirksamkeit der Magnetkreisumleitungsmethode hängt ungefähr linear von der Dicke des Abschirmmaterials ab, das theoretisch unendlich dünn sein kann.

B. Die Methode mit hochleitfähigem Material, auch als Methode des induzierten Magnetfelds bekannt, funktioniert durch das Umschließen eines endlichen Raums mit Materialien mit hoher Leitfähigkeit. Das Umgebungsmagnetfeld wirkt über seine elektrische Feldkomponente auf das Abschirmmaterial und induziert eine elektromotorische Kraft, die wiederum einen induzierten Strom und ein induziertes Magnetfeld erzeugt. Basierend auf den Grundprinzipien der Elektromagnetik ist dieses induzierte Magnetfeld gleich groß (aufgrund des Widerstands etwas kleiner) und entgegengesetzt gerichtet zum ursprünglichen Magnetfeld (mit einer leichten Phasenverzögerung). Dadurch wird dem Magnetfeld im endlichen Raum entgegengewirkt und es wird geschwächt, wodurch eine Entmagnetisierung erreicht wird.

Ein weiteres Verständnis der Methode des induzierten Magnetfelds kann durch die Betrachtung des Betriebs eines Dreiphasen-Induktionsmotors gewonnen werden, der Einblicke in die Funktionsprinzipien induzierter Magnetfelder bietet. Es ist wichtig zu beachten, dass ein asynchroner Käfigläufermotor das rotierende Magnetfeld (50 Hz × 60 s = 3000 U/min) nicht erreichen kann, da die Käfigläuferstäbe die Magnetlinien nicht durchtrennen können, wodurch die Erzeugung induzierter Ströme, induzierter Magnetfelder und Antriebskräfte verhindert wird .

Die Wirksamkeit der Methode des induzierten Magnetfelds ist innerhalb eines bestimmten Bereichs unabhängig von der Dicke des Abschirmmaterials.

C. Gemeinsame Merkmale beider Methoden: Es ist ein vollständiges Durchschweißen erforderlich, und die Höhe der Schweißnaht sollte nicht geringer sein als die Dicke des Abschirmmaterials. Auf die Gestaltung von Öffnungen in verschiedenen Maßstäben und Wellenleiteranschlüssen muss geachtet werden. Ob das Design/die Produktion erfolgreich ist, hat großen Einfluss auf die Abschirmungswirksamkeit (Anwendung der Theorie des „schwächsten Glieds“ auf die Abschirmung). Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Vibration des Elektronenmikroskops im Abschirmraum die der Umgebung nicht übersteigen sollte (es gab Fälle, in denen das Magnetfeld die Prüfung bestanden hat, die Vibration jedoch im Vergleich zum Original zunahm, was zu einer Nichteinhaltung führte). ).

Aus ihren grundlegenden Arbeitsprinzipien geht hervor, dass sowohl die Magnetkreisumleitungsmethode als auch die Methode des induzierten Magnetfelds für Gleichfelder unwirksam sind. Sie sind im Allgemeinen auch bei Feldern in der Nähe von Gleichstrom unwirksam (in solchen Fällen ist ein aktiver Entmagnetisierer erforderlich, um elektromagnetische Störungen in der Nähe von Gleichstrom zu verbessern).

Aï¼Vergleichen Sie die beiden Methoden in einer Tabelle:

Bei sorgfältiger Analyse ist die Methode der Magnetkreisumleitung vorteilhafter. Der passive Niederfrequenz-Entmagnetisierer bietet Vorteile wie geringe Größe, geringes Gewicht, niedrige Kosten, keine Auswirkungen auf die Umwelt und die Möglichkeit der Installation nach dem Kauf.

Ein wichtiger Punkt ist jedoch zu beachten: Bei der magnetischen Abschirmung handelt es sich oft um ein „anvertrautes“ Projekt, das heißt, dass es während des Bauprozesses häufig Strom-, Wasser-, Klima-, Beleuchtungs- und Netzwerksysteme sowie Überwachung umfasst. Daher bietet es bei Sanierungsbedarf ein höheres Preis-Leistungs-Verhältnis.

Insgesamt hat die passive magnetische Abschirmung eine bessere Wirksamkeit als Entmagnetisierer, aber aus den oben genannten Gründen können Entmagnetisierer in manchen Umgebungen immer noch die einzige Option sein.

Für Rasterelektronenmikroskope ist der Unterschied zwischen diesen Methoden nicht signifikant. Für Transmissionselektronenmikroskope wird jedoch empfohlen, so weit wie möglich eine magnetische Abschirmung zu verwenden, da die Anforderungen an Magnetfelder im Allgemeinen höher sind als für Rasterelektronenmikroskope.