Effetti della schermatura elettromagnetica nell'ambiente di laboratorio di microscopia elettronica (Parte 3): Confronto di diversi metodi per migliorare l'ambiente elettromagnetico

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 di 0,7 metri (per Scanning Eelettrone Microscope) fino a oltre 2 metri (per trasmissione TElectron Microscopioe). 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.

La schermatura elettromagnetica passiva a bassa frequenza prevede principalmente due metodi, che differiscono per il materiale di schermatura utilizzato: un metodo utilizza materiali ad alta permeabilità (come acciaio, acciaio al silicio e leghe mu-metalliche), e l'altro metodo utilizza materiali ad alta conduttività(come rame e alluminio). Sebbene i principi di funzionamento di questi due metodi siano diversi, entrambi raggiungono un'efficace riduzione dei campi magnetici ambientali.

A. Il metodo dei materiali ad alta permeabilità, noto anche come metodo di deviazione del circuito magnetico, funziona racchiudendo uno spazio finito (regione A) con materiali ad alta permeabilità. Quando l'intensità del campo magnetico ambientale è Ho, la riluttanza magnetica del materiale ad alta permeabilità è molto inferiore a quella dell'aria (l'acciaio comune Q195 ha una permeabilità di 4000, l'acciaio al silicio varia da 8000 a 12000, le leghe mu-metal hanno una permeabilità di 24000, mentre l'aria ha un valore approssimativo di 1). Applicando la legge di Ohm, quando Rs è molto più piccolo di Ro, l'intensità del campo magnetico all'interno dello spazio chiuso (regione A) diminuisce a Hi, ottenendo la smagnetizzazione (vedere Figura 1 e Figura 2, dove Ri rappresenta la riluttanza dell'aria all'interno dello spazio A, e Rs rappresenta la riluttanza del materiale schermante). All'interno del materiale schermante, i domini magnetici subiscono vibrazioni e dissipano l'energia magnetica sotto forma di calore sotto l'azione del campo magnetico.

Poiché l'acciaio al silicio e le leghe mu-metalliche presentano anisotropia di permeabilità e non possono essere martellate, piegate o saldate durante la costruzione (sebbene teoricamente il trattamento termico possa migliorare queste proprietà, non è pratico per prodotti fissi di grandi dimensioni), le loro prestazioni effettive sono significativamente ridotto. Tuttavia, possono comunque essere utilizzati per scopi supplementari o di rinforzo in determinate aree speciali senza martellare, piegare o saldare.

I materiali ad alta permeabilità sono costosi, quindi generalmente non sono ampiamente utilizzati nella schermatura del microscopio elettronico e sono visibili solo in alcune aree specifiche (come gli spazi tra le porte, le aperture della guida d'onda, ecc.).

L'efficacia del metodo di deviazione del circuito magnetico è correlata approssimativamente in modo lineare allo spessore del materiale schermante, che teoricamente può essere infinitamente sottile.

B. Il metodo dei materiali ad alta conduttività, noto anche come metodo del campo magnetico indotto, funziona racchiudendo uno spazio finito con materiali ad alta conduttività. Il campo magnetico ambientale agisce sul materiale schermante attraverso la sua componente di campo elettrico, inducendo una forza elettromotrice, che a sua volta genera una corrente indotta ed un campo magnetico indotto. Basato sui principi fondamentali dell'elettromagnetismo, questo campo magnetico indotto è uguale in grandezza (leggermente più piccolo a causa della resistenza) e opposto nella direzione al campo magnetico originale (con un leggero ritardo di fase). Pertanto, il campo magnetico all'interno dello spazio finito viene contrastato e indebolito, ottenendo la smagnetizzazione.

Un'ulteriore comprensione del metodo del campo magnetico indotto può essere ottenuta considerando il funzionamento di un motore a induzione trifase, che fornisce informazioni sui principi di funzionamento dei campi magnetici indotti. È importante notare che un motore asincrono a gabbia di scoiattolo non può raggiungere il campo magnetico rotante (50 Hz × 60 s = 3000 giri/min) perché le barre della gabbia di scoiattolo non possono tagliare le linee magnetiche, impedendo così la generazione di correnti indotte, campi magnetici indotti e forza motrice. .

L'efficacia del metodo del campo magnetico indotto è indipendente dallo spessore del materiale schermante entro un certo intervallo.

C. Caratteristiche comuni di entrambi i metodi: è richiesta una saldatura a piena penetrazione e l'altezza del cordone di saldatura non deve essere inferiore allo spessore del materiale schermante. È necessario prestare attenzione alla progettazione delle aperture a varie scale e delle porte della guida d'onda. Il successo della progettazione/produzione influenzerà notevolmente l'efficacia della schermatura (applicando la teoria del "collegamento più debole" alla schermatura). È inoltre importante notare che la vibrazione del microscopio elettronico nella camera di schermatura non deve superare quella dell'ambiente circostante (ci sono stati casi in cui il campo magnetico ha superato l'ispezione ma la vibrazione è aumentata rispetto all'originale, causando non conformità ).

Dai loro principi di funzionamento di base, è evidente che sia il metodo della deviazione del circuito magnetico che il metodo del campo magnetico indotto sono inefficaci per i campi CC. Inoltre sono generalmente inefficaci per i campi quasi DC (in questi casi, è necessario uno smagnetizzatore attivo per migliorare l'interferenza elettromagnetica quasi DC).

Aï¼Confronta i due metodi in una tabella:

Dopo un'attenta analisi, il metodo della deviazione del circuito magnetico è più vantaggioso. Lo smagnetizzatore passivo a bassa frequenza presenta vantaggi quali dimensioni ridotte, leggerezza, basso costo, nessun impatto sull'ambiente e possibilità di installazione post-acquisto.

Tuttavia, un punto importante da notare è che la schermatura magnetica è spesso un progetto "affidato", il che significa che spesso include i sistemi elettrici, idrici, di condizionamento dell'aria, di illuminazione e di rete, nonché il monitoraggio, durante il processo di costruzione. Pertanto, se è necessario rimodellarlo, offre un rapporto costo-prestazioni più elevato.

Nel complesso, la schermatura magnetica passiva ha un'efficacia migliore rispetto agli smagnetizzatori, ma per i motivi sopra menzionati, gli smagnetizzatori potrebbero ancora essere l'unica opzione in alcuni ambienti.

Per Microscopio elettronico a scansione, la differenza tra questi metodi non è significativa. Tuttavia, per il Microscopio elettronico a trasmissione, si consiglia di utilizzare il più possibile la schermatura magnetica, poiché i requisiti per i campi magnetici sono generalmente più elevati rispetto al Microscopio elettronico a scansione.