Effetti della schermatura elettromagnetica nell'ambiente di laboratorio del microscopio elettronico (Parte 1): Schermatura elettromagnetica a bassa frequenza nella pratica

L'ambiente di un laboratorio di microscopia elettronica non ha un impatto diretto sul microscopio elettronico stesso, ma influisce piuttosto sulla qualità dell'immagine e sulle prestazioni complessive del microscopio. Durante il funzionamento di un microscopio elettronico, il sottile fascio di elettroni deve viaggiare in un ambiente ad alto vuoto, coprendo una distanza da 0,7 metri (per Microscopio elettronico a scansionee) a oltre 2 metri (per Microscopio elettronico a trasmissionee). Lungo il percorso, fattori esterni come campi magnetici, vibrazioni del terreno, rumore nell'aria e flussi d'aria possono far deviare il fascio di elettroni dal percorso previsto, portando a un degrado della qualità dell'immagine. Pertanto, è necessario soddisfare requisiti specifici per l'ambiente circostante.

Come è noto, le onde elettromagnetiche sono costituite da campi magnetici ed elettrici alternati. Tuttavia, è importante considerare la frequenza quando si misurano le onde elettromagnetiche utilizzando campi magnetici o elettrici. In pratica bisogna tenere conto della frequenza.

A frequenze molto basse (poiché la frequenza tende a zero, equivalente a un campo magnetico CC), la componente magnetica dell'onda elettromagnetica diventa più forte mentre la componente elettrica si indebolisce. All’aumentare della frequenza la componente elettrica si rafforza e quella magnetica diminuisce. Si tratta di una transizione graduale senza un punto di svolta netto. Generalmente, da zero a pochi kilohertz, la componente del campo magnetico può essere ben caratterizzata e per misurare l'intensità del campo vengono utilizzate unità come Gauss o Tesla. Al di sopra di 100 kHz, la componente del campo elettrico viene misurata meglio e l'unità utilizzata per l'intensità del campo è il volt per metro (V/m). Quando si ha a che fare con un ambiente elettromagnetico a bassa frequenza con una forte componente di campo magnetico, ridurre direttamente il campo magnetico è un approccio efficace.

Avanti, ci concentreremo sull'applicazione pratica della schermatura di un campo elettromagnetico a bassa frequenza (0-300 Hz), con un'intensità del campo magnetico compresa tra 0,5 e 50 milligauss (picco-picco) in un volume schermato di 40-120 metri cubi . Considerando il rapporto costo-efficacia, il materiale di schermatura utilizzato è generalmente una piastra di acciaio a basso tenore di carbonio Q195 (precedentemente nota come A3).

Poiché la perdita per correnti parassite di un singolo materiale spesso è maggiore di quella di più strati sottili (con lo stesso spessore totale), sono preferiti materiali monostrato più spessi a meno che non vi siano requisiti specifici. Stabiliamo un modello matematico:

1. Derivazione della formula

Poiché l'energia delle onde elettromagnetiche a bassa frequenza è composta principalmente da energia del campo magnetico, possiamo utilizzare materiali ad alta permeabilità per fornire percorsi di bypass magnetico per ridurre la densità del flusso magnetico all'interno del volume schermante. Applicando il metodo di analisi dei circuiti di derivazione paralleli, possiamo ricavare la formula di calcolo per la derivazione parallela dei percorsi di flusso magnetico.

Ecco alcune definizioni:

Ho:Intensità del campo magnetico esterno

Ciao: Intensità del campo magnetico all'interno del volume schermante

Hs: Intensità del campo magnetico all'interno del materiale schermante

A: Area attraverso la quale le linee magnetiche passano attraverso lo schermo A = L × W

Φo: Permeabilità dell'aria

Φs: Permeabilità del materiale schermante

Ro: Resistenza magnetica dello spazio interno dello schermo

Rs: Resistenza magnetica del materiale schermante

L: Lunghezza del volume di schermatura

L: Larghezza del volume di schermatura

h: Altezza del volume schermante (ovvero lunghezza del canale magnetico)

b: Spessore del materiale schermante

Dal diagramma schematico (Figura 1), possiamo ottenere le seguenti equazioni:

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

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

Dallo schema elettrico equivalente (Figura 2), possiamo ottenere la seguente equazione:

Rs = Ciao × Ro / (Ho - Ciao) (3)

Sostituendo le equazioni (1) e (2) nell'equazione (3) e riorganizzandole, otteniamo la formula (4) per calcolare lo spessore b del materiale schermante:

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

Nota:

Nell'equazione (4), la lunghezza del canale magnetico h viene eliminata durante il processo di semplificazione e vengono eliminate anche le unità fisiche come Φo, Φs, Ho, Hi e altre. È solo necessario garantire che le unità di lunghezza siano coerenti.

Dall'equazione (4), si può vedere che l'efficacia della schermatura è correlata alla permeabilità e allo spessore del materiale schermante, nonché alla dimensione del volume schermante. Una permeabilità più elevata e un materiale schermante più spesso determinano una minore resistenza magnetica e maggiori perdite per correnti parassite, con conseguente migliore efficacia della schermatura. Quando la permeabilità e lo spessore sono gli stessi, un volume di schermatura maggiore comporterà prestazioni di schermatura inferiori.

2. Validazione della formula

Possiamo usare l'equazione (4) Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 calcolare lo spessore del materiale schermante e confrontare i risultati calcolati con i dati sperimentali (la cui raccolta ha richiesto diversi mesi):

Tabella 1

Nota:

1. L'intensità del campo magnetico esterno è compresa tra 5 e 20 milligauss (da picco a picco).

2. I valori misurati sono ottenuti convertendo più test in condizioni diverse. Poiché le condizioni di test per ciascuna misurazione non sono le stesse, i valori presentati rappresentano misurazioni medie approssimative.

In realtà, a causa di vari fattori, è piuttosto impegnativo stabilire un semplice modello matematico per analizzare e calcolare l'efficacia della schermatura elettromagnetica a bassa frequenza. Le deviazioni significative tra i risultati calcolati e i dati sperimentali possono essere attribuite ai seguenti motivi.

Innanzitutto,la relazione funzionale nel circuito di shunt parallelo è lineare, mentre nei circuiti magnetici, permeabilità, densità di flusso magnetico e perdite per correnti parassite non mostrano relazioni lineari. Molti parametri sono funzioni non lineari gli uni degli altri (anche se possono mostrare una buona linearità in determinati intervalli). Durante la derivazione del meccanismo di derivazione parallela nei circuiti magnetici, alcuni parametri sono stati omessi, sono state fatte approssimazioni e le condizioni sono state semplificate per evitare calcoli complessi, linearizzando il circuito magnetico. Questi fattori sono le ragioni principali delle differenze di precisione tra calcoli ed esperimenti.

In secondo luogo,le specifiche delle piastre commerciali in acciaio a basso tenore di carbonio hanno solitamente una dimensione di 1,22 m × 2,44 m. Considerando come esempio una stanza di 5 m × 4 m × 3 m, anche con la saldatura completa, ci sarebbero ancora più di 50 saldature e lo spessore delle saldature è spesso inferiore a quello della lamiera di acciaio. Inoltre, potrebbero esserci aperture e spazi vuoti nel materiale schermante, con conseguente aumento complessivo della resistenza magnetica e diminuzione della permeabilità. Pertanto, la formula di calcolo per la schermatura magnetica derivata dal circuito di shunt parallelo deve essere modificata per avvicinarsi alle condizioni reali.

3. Formula di calcolo modificata

Sulla base dell'equazione (4), introduciamo un coefficiente di correzione μ e consideriamo la permeabilità dell'aria pari a circa 1. L'equazione modificata per il calcolo dello spessore b del materiale schermante è la seguente (equazione 5):

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

Il valore di μ è selezionato tra 3,2 e 4,0. Un valore più piccolo è preferibile per volumi di schermatura più piccoli e livelli di processo più elevati, mentre un valore più grande è migliore per volumi di schermatura più grandi. Utilizzando l'equazione (5) con μ = 3,4, i risultati calcolati vengono confrontati con i dati sperimentali (vedere Tabella 2), mostrando un accordo significativamente migliorato.

Tabella 2

Nota: Le altre condizioni rimangono le stesse della Tabella 1.

Va notato che molteplici dati di test confermano l'elevata concordanza tra i risultati ottenuti dall'equazione (5) e varie misurazioni in loco. Tuttavia, si sono verificati casi isolati con deviazioni significative. Questi casi possono essere attribuiti a problemi di costruzione.

Di seguito sono riportate diverse situazioni che possono verificarsi durante la costruzione:

1. Sottili piastre di acciaio utilizzate in singole aree (come le porte).

2. Saldatura non continua o grandi spazi nei giunti saldati.

3. Profondità insufficiente delle saldature, con conseguente diminuzione della permeabilità nei punti di saldatura e molteplici "colli di bottiglia".

4. Aperture più grandi nelle aree schermate e trattamento inadeguato delle aperture della guida d'onda.

5. Accorciamento arbitrario della lunghezza della guida d'onda o elaborazione scadente.

6. Spessore della parete della guida d'onda insufficiente.

7. Più punti di messa a terra nel materiale schermante portano a una distribuzione della corrente non uniforme.

8. Collegamento del materiale schermante al filo neutro dell'alimentazione.

Anche una piccola svista può portare a un significativo deterioramento dell'efficacia, lacapacità di un secchio dipende dal pezzo di legno più corto. Per progetti a scomparsa come questo, la qualità è spesso garantita dalla lavorazione artigianale. Pertanto, è importante prestare particolare attenzione alla selezione di un'impresa edile affidabile, rispettando rigorosamente i requisiti e il processo di progettazione, rafforzando la supervisione della costruzione in loco e implementando ispezioni graduali.

Design dell'apertura dell'involucro schermato:

Quando si progetta un involucro schermante, si incontrerà inevitabilmente il problema delle aperture. I metodi teorici comunemente utilizzati per la progettazione delle aperture sono difficili da applicare direttamente alla progettazione della schermatura magnetica a bassa frequenza. Qui discuteremo l'esempio della progettazione della schermatura di una stanza.

1. Piccole aperture: Nelle stanze con piccoli dispositivi schermati, di solito sono necessari alimentazione elettrica, fornitura di energia e acqua di raffreddamento. Queste strutture ausiliarie si trovano per lo più all'esterno dell'involucro schermante e sono collegate tramite tubi dell'acqua, tubi dell'aria e cavi. Questi tubi e cavi possono essere opportunamente centralizzati e fatti passare attraverso l'involucro schermante utilizzando uno o più piccoli fori. Questi fori, realizzati nello stesso materiale dell'involucro schermante, sono chiamati "aperture della guida d'onda". Il rapporto lunghezza/diametro delle aperture della guida d'onda è generalmente considerato almeno 3-4:1 (se le condizioni del sito lo consentono, più lungo è meglio). Ad esempio, se il diametro di un piccolo foro è 80 mm, la lunghezza dovrebbe essere almeno 240-320 mm.

2. Aperture medie: Le aperture di ventilazione per l'aria condizionata e le aperture di scarico per i ventilatori hanno generalmente diametri (o lunghezze laterali per quadrati o rettangoli) di circa 400-600 mm. Calcolando la lunghezza dell'apertura di una guida d'onda in base a queste dimensioni si otterrebbero lunghezze di 1200-2400 mm, il che non è fattibile nella costruzione pratica. In questo caso, l'apertura originale può essere divisa in più aperture più piccole della stessa dimensione utilizzando una griglia. Ad esempio, se una presa d’aria di 400×400 mm fosse divisa in nove griglie di uguali dimensioni, la lunghezza verrebbe ridotta da 1200-1600 mm a 400-530 mm (l’aumento della resistenza al flusso d’aria dovuto alle griglie è trascurabile).

Durante la progettazione e la fabbricazione, prestare attenzione ai seguenti punti:

- Il materiale delle griglie dovrebbe essere lo stesso dell'involucro schermante e lo spessore del materiale non dovrebbe essere ridotto arbitrariamente.

- La sezione trasversale delle griglie dovrebbe essere il più vicino possibile al quadrato.

- Cercare di ridurre il numero di griglie il più possibile, entro lunghezze accettabili, per ridurre le difficoltà di lavorazione e la resistenza al flusso d'aria.

- Garantire una saldatura continua in tutti i punti delle griglie per evitare un aumento della resistenza magnetica.

- Aumentare la permeabilità magnetica aggiungendo piastre di acciaio al silicio alle giunzioni delle griglie.

3. Grandi aperture chiudibili:Le porte e le finestre di una stanza in genere hanno aperture che misurano 1x2m o anche più grandi. In questo caso, le aperture della guida d'onda dovrebbero essere progettate in base agli spazi non magnetici quando le porte e le finestre sono chiuse (realizzate con lo stesso materiale dell'involucro schermante). Supponendo uno spazio non magnetico di 5 mm (che non è tecnicamente impegnativo e che è possibile aggiungere ulteriori pieghe sui bordi in aree difficili da maneggiare), la lunghezza dell'apertura della guida d'onda dovrebbe essere di 15-20 mm. Dato che lo spazio è stretto e lungo, è preferibile avere una lunghezza maggiore. Si noti che le aperture della guida d'onda non sono formate solo dai telai di porte e finestre; dovrebbe esserci un certo spessore di pieghe dei bordi in tutte le posizioni non magnetiche per garantire la lunghezza dell'apertura della guida d'onda. Per garantire un'evacuazione sicura in circostanze speciali, i telai delle porte della stanza di schermatura dovrebbero essere rinforzati e le porte di schermatura dovrebbero aprirsi verso l'esterno.

Ecco un esempio pratico di progettazione:

Le dimensioni della stanza sono lunghezza 5 m, larghezza 4 m e altezza 3,3 m, con intensità del campo magnetico originale di x=10 mGauss, y=8 mGauss e z=12 mGauss. L'obiettivo è progettare una schermatura elettromagnetica a bassa frequenza che garantisca che l'intensità del campo magnetico in qualsiasi direzione all'interno dell'involucro sia inferiore a 2 mGauss. Vedere la Figura 3.

1. Selezionare piastre commerciali in acciaio a basso tenore di carbonio con Φs=4000 e specifiche di 1,22 m×2,44 m.

2. Utilizzare l'equazione (5) per calcolare lo spessore delle piastre di acciaio dalle direzioni x, y e z:

Prendendo μ come 3,8, sostituisci la lunghezza, larghezza e altezza specificate con L×W, corrispondente alle intensità del campo magnetico originale nelle direzioni x, y e z.

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

=3,43 mm

per=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 (Se la lunghezza e la larghezza sono rispettivamente 10 m e 6 m, lo spessore calcolato sarebbe b=2280/56000=8,91 mm)

Lo spessore di tutte le piastre di acciaio deve essere di almeno 6 mm (per consentire variazioni del campo magnetico ambientale, è possibile utilizzare anche 8-10 mm) come strato singolo.

Tutti i cordoni di saldatura devono essere continui e cercare di raggiungere una profondità vicina allo spessore del materiale di base.

3. Trattamento di apertura della guida d'onda

(Omesso. Vedere la sezione sulla progettazione dell'apertura dell'involucro di schermatura).

Dopo il completamento, la custodia schermante è stata testata e ha soddisfatto pienamente i requisiti di progettazione.

Nota: La schermatura magnetica non può migliorare gli ambienti con interferenze CC. Quando è necessario migliorare gli ambienti di interferenza elettromagnetica CC, è necessario utilizzarlo insieme a smagnetizzatori dotati di capacità di eliminazione della CC.