Auswirkungen der elektromagnetischen Abschirmung in der Laborumgebung der Elektronenmikroskopie (Teil 4): Verbesserung der Umgebung mit niederfrequenten Vibrationen

Lassen Sie uns zunächst die Ursachen niederfrequenter Vibrationen besprechen.

Wiederholte Tests haben gezeigt, dass niederfrequente Vibrationen hauptsächlich durch die Resonanzen des Gebäudes verursacht werden. Die Konstruktionsspezifikationen für Industrie- und Zivilgebäude sind im Allgemeinen in Bezug auf Bodenhöhe, Tiefe, Spannweite, Balken- und Stützenabschnitte, Wände, Bodenträger, Plattenplatten usw. ähnlich. Obwohl es einige Unterschiede geben kann, insbesondere im Hinblick auf niederfrequente Resonanzen, gemeinsame Merkmale können identifiziert werden.

Hier sind einige Muster, die bei Gebäudevibrationen beobachtet werden:

1. Gebäude mit linearen oder punktförmigen Grundrissen weisen tendenziell größere Niederfrequenzresonanzen auf, während Gebäude mit anderen Formen wie T, H, L, S oder U kleinere Resonanzen aufweisen.

2. Bei Gebäuden mit linearen Grundrissen sind Schwingungen entlang der Längsachse oft stärker ausgeprägt als solche entlang der Kurzachse.

3. Im gleichen Gebäude sind die Vibrationen typischerweise im Erdgeschoss ohne Keller am geringsten. Mit zunehmender Bodenhöhe verstärken sich die Vibrationen. Die Vibrationen im ersten Stock eines unterkellerten Gebäudes ähneln denen im zweiten Stock, wobei die geringsten Vibrationen typischerweise in der untersten Ebene des Kellers beobachtet werden.

4. Vertikale Vibrationen sind im Allgemeinen größer als horizontale Vibrationen und unabhängig von der Bodenhöhe.

5. Dickere Bodenplatten führen zu geringeren Unterschieden zwischen vertikalen und horizontalen Schwingungen. In den meisten Fällen sind vertikale Vibrationen größer als horizontale Vibrationen.

6. Sofern keine nennenswerte Vibrationsquelle vorhanden ist, sind die Vibrationen innerhalb derselben Etage eines Gebäudes im Allgemeinen gleichmäßig. Dies gilt sowohl für Standorte in der Mitte eines Raumes als auch in der Nähe von Wänden, Säulen oder Deckenbalken. Aber selbst wenn Messungen am selben Ort ohne Bewegung und im Abstand von einigen Minuten durchgeführt werden, ist es wahrscheinlich, dass die Werte unterschiedlich sind.

Da wir nun die Quellen und Eigenschaften niederfrequenter Vibrationen kennen, können wir gezielte Verbesserungsmaßnahmen ergreifen und erweiterte Bewertungen der Vibrationsbedingungen in bestimmten Umgebungen vornehmen.

Die Verbesserung niederfrequenter Schwingungen kann kostspielig sein und ist manchmal aufgrund von Umweltauflagen nicht machbar. Daher ist es in der Praxis oft von Vorteil, einen besseren Standort für den Betrieb eines Elektronenmikroskoplabors zu wählen oder dorthin zu verlegen.

Als nächstes diskutieren wir die Auswirkungen niederfrequenter Schwingungen und mögliche Lösungen.

Vibrationen unter 20 Hz wirken sich erheblich störend auf Elektronenmikroskope aus, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Bild 1

Bild 2

Bild 1 und Bild 2 wurden mit demselben Scanning Electron Microskop (beide bei 300 kx) aufgenommen Vergrößerung). Aufgrund von Vibrationsstörungen weist Bild 1 jedoch deutliche Unebenheiten in horizontaler Richtung (in Segmenten) auf, und die Klarheit und Auflösung des Bildes sind deutlich reduziert. Bild 2ist das Ergebnis, das von derselben Probe nach Eliminierung der Vibrationsstörung erhalten wurde.

Wenn die Testergebnisse darauf hinweisen, dass der Standort, an dem das Mikroskop installiert werden soll, übermäßige Vibrationen aufweist, müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden; Andernfalls kann der Mikroskophersteller nicht garantieren, dass die Leistung des Mikroskops nach der Installation den optimalen Designstandards entspricht. Im Allgemeinen können mehrere Methoden zur Verbesserung oder Lösung des Problems gewählt werden, z. B. die Verwendung eines Anti-Vibrations Fundaments, Passiv-Vibrations-Isolationsplattform oder Aktive Vibrationsisolationsplattform.

An Anti-Vibration Fundament erfordert die Konstruktion vor Ort und es müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden (z. B. eine elastische Polsterschicht). unten und in den umliegenden Bereichen). Herkömmliche Bauweisen können möglicherweise zu einer Erhöhung niederfrequenter Vibrationen (unter 20 Hz) führen. Der Bauprozess, bei dem eine große Menge an Baumaterialien ein- und ausströmt, kann unweigerlich Auswirkungen auf die Umgebung haben. Ein schematisches Diagramm eines eines Vibrationsschutzes Foundation ist in Bild3 zu sehen.

Bild3

Eine Vibrationsisolationsplattform aus Beton mit einer Masse von etwa 50 Tonnen erreicht im Allgemeinen eine Vibrationsreduzierungswirkung von -2 bis -10 dB bei Frequenzen über 2 Hz. Je größer die Masse der Beton-Schwingungsisolationsplattform ist, desto besser ist die Schwingungsreduzierung. Wenn es die Bedingungen zulassen, sollte es so groß wie möglich gemacht werden.

Basierend auf mehreren Tests, die an verschiedenen Standorten durchgeführt wurden, weisen Vibrationsisolationsplattformen mit einem Gewicht von weniger als 5 Tonnen Resonanzen im Niederfrequenzbereich von 1–10 Hz auf, was die Vibration verstärkt. Wer weniger als 20 Tonnen wiegt, ist wirkungslos, der Wirkungsbereich beginnt bei über 30 Tonnen. Für 30-40 Tonnen liegen keine Daten vor, daher empfiehlt es sich, Gewichte unter 50 Tonnen zu vermeiden. Eine Universität in Peking hat mit einer etwa 100-200 Tonnen schweren Schwingungsisolationsplattform gute Ergebnisse erzielt. In einem Forschungsinstitut in Chongqing wurde der Bodenbeton direkt auf massive Felsen gegossen, was zu minimalen Vibrationen führte.

Unter den passiven Schwingungsdämpfern bieten häufig verwendete Optionen wie Gummi-, Stahlfedern und Luftfedern (Zylinder) im Niederfrequenzbereich unter 20 Hz eine schlechte Leistung. Sie verstärken häufig Schwingungen aufgrund von Resonanzen und gelten daher als nicht geeignet.

Nur magnetische Dämpfer zeigen eine akzeptable Leistung bei niedrigen Frequenzen, aber ihre Leistung ist der von aktiven Dämpfern immer noch weit unterlegen (ähnlich der Vibrationsreduzierungswirkung von Vibrationsisolationsplattformen aus Beton). Abbildung 4 vergleicht die Wirksamkeit mehrerer Methoden.

Abbildung 4

Bei sorgfältiger Betrachtung von Abbildung 4 können wir die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:

1. Die Resonanzfrequenz (f_h) der Kohlenstoffstahlfeder beträgt etwa 50 Hz. Unterhalb von 70 Hz entfaltet es keine Dämpfungswirkung und verstärkt vielmehr die Schwingung aufgrund der Resonanz. Das Gummipolster hat einen f_h von ca. 25 Hz und bietet unterhalb von 35 Hz keine Dämpfungswirkung, wodurch auch die Vibration aufgrund der Resonanz verstärkt wird.

2. Betondämpfer mit einer Kapazität unter 5 Tonnen zeigen Resonanzen unter 10 Hz und sind oft weniger wirksam als der Verzicht auf einen Dämpfer.

3. Luftfedern haben eine f_h von etwa 15 Hz und bieten eine gute Dämpfung über 25 Hz und eine ausgezeichnete Dämpfung über 40 Hz. Sie werden häufig zur Schwingungsisolierung in Präzisionsgeräten wie optischen Plattformen eingesetzt. Allerdings weisen sie unterhalb von 20 Hz eine erhebliche Resonanz auf, sodass sie für die Dämpfung von Elektronenmikroskopen ungeeignet sind (obwohl einige Elektronenmikroskope als letztes Mittel Luftfedern verwenden).

4. Magnetische Dämpfer sorgen für eine zufriedenstellende Niederfrequenzdämpfung und können verwendet werden, wenn keine strengen Anforderungen gestellt werden.

5. Verschiedene aktive Dämpfer erzielen hervorragende Dämpfungseffekte. Ihre Resonanzfrequenzen können unter 1 Hz liegen und sie können eine Dämpfung von bis zu -10 bis -22 dB im Bereich von 2–10 Hz bieten, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine effektive Dämpfung im Niederfrequenzbereich erfordern.

Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass Vibrationen unter 20 Hz erhebliche Auswirkungen auf Elektronenmikroskope haben und schwer zu mildern sind. Da die meisten Menschen Vibrationen unter 20 Hz nicht wahrnehmen können, kommt es oft zu der falschen Vorstellung, dass es keine Vibration gibt, wenn erhebliche niederfrequente Vibrationen vorhanden sind.

Passive Dämpfer nutzen die physikalischen Eigenschaften von Dämpfungsvorrichtungen, wie z. B. ihre Masse und die inhärenten Vibrationsübertragungseigenschaften, um externe Vibrationen, die das Elektronenmikroskop beeinflussen, zu isolieren und zu dämpfen. Das Funktionsprinzip passiver Dämpfer kann in Abbildung 5.

Abbildung 5

Das Funktionsprinzip aktiver Dämpfer unterscheidet sich deutlich von passiven Dämpfern. Verschiedene Arten aktiver Dämpfer haben ähnliche Funktionsprinzipien, bei denen ein dreidimensionaler Sensor externe Vibrationen in drei Richtungen erfasst. Der Sensor sendet die Informationen an einen PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative), der Steuersignale mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase erzeugt. Diese Steuersignale werden dann von einem Aktuator verwendet, um interne Vibrationen mit gleicher Amplitude und entgegengesetzten Phasen zu erzeugen, um den externen Vibrationen entgegenzuwirken oder diese zu reduzieren. Das Funktionsprinzip aktiver Dämpfer kann wie in Abbildung 6 dargestellt werden.

Abbildung 6

Zu den häufig verwendeten aktiven Dämpfern gehören piezoelektrische Keramikdämpfer, pneumatische Dämpfer und elektromagnetische Dämpfer. Ihre Unterschiede liegen hauptsächlich im Betätigungsmechanismus, während 3D-Detektoren und PID-Regler relativ ähnlich sind.

Piezoelektrisch Ceramisch DAmpere:

Sie nutzen den piezoelektrischen Effekt des Keramikmaterials, um dreidimensionale innere Schwingungen mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase zu erzeugen.

Pneumatisch DAmpere:

Durch einen PID-Regler gesteuert, modulieren die Einlass- und Auslassventile die kontinuierliche Druckluft in einem speziellen Zylinder, um dreidimensionale interne Vibrationen mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase zu erzeugen.

Elektromagnetische DAmpere:

Der PID-Regler steuert drei Sätze elektromagnetischer Spulen, um dreidimensionale interne Vibrationen mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase zu erzeugen.

Aktive Dämpfer können Vibrationsreduzierungseffekte von etwa -22 bis -28 dB über 20 Hz erzielen (obwohl es Behauptungen gab, dass sie -38 dB erreichen würden, sind diese größtenteils unbegründet).

Verschiedene Arten aktiver Dämpfer weisen auch erhebliche Preisunterschiede auf. Im Allgemeinen werden die Dämpfer vor der Installation des Elektronenmikroskops vorbereitet und gleichzeitig mit dem Mikroskop installiert.

Darüber hinaus kann ein Schwingungsisolationsgraben unter bestimmten Bedingungen auch gute Dämpfungseffekte erzielen.

Abbildung 7 zeigt eine Situation, in der sich der Schwingungsisolationsgraben befindet.

Abbildung 7

Abbildung 8

Abbildung 8 stellt ein ineffektives Szenario für einen Vibrationsgraben dar.

Im Allgemeinen gilt: Je tiefer der Vibrationsgraben, desto besser ist die Dämpfungswirkung (die Breite des Grabens hat kaum Einfluss auf die Dämpfungswirkung). Hier ist ein Vergleich mehrerer gängiger Dämpfungsmethoden: