Effetti della schermatura elettromagnetica nell'ambiente di laboratorio di microscopia elettronica (Parte 4): miglioramento dell'ambiente vibrante a bassa frequenza

Innanzitutto, discutiamo le cause delle vibrazioni a bassa frequenza.

Test ripetuti hanno dimostrato che le vibrazioni a bassa frequenza sono causate principalmente dalle risonanze dell'edificio. Le specifiche costruttive degli edifici industriali e civili sono generalmente simili in termini di altezza del solaio, profondità, campata, sezione di travi e pilastri, pareti, travi di solaio, solai, ecc. Sebbene possano esserci alcune differenze, in particolare per quanto riguarda le risonanze a bassa frequenza, è possibile identificare caratteristiche comuni.

Ecco alcuni modelli osservati nelle vibrazioni degli edifici:

1. Gli edifici con planimetrie lineari o puntiformi tendono a mostrare risonanze a bassa frequenza più ampie, mentre quelli con altre forme come T, H, L, S o U hanno risonanze più piccole.

2. Negli edifici con planimetrie lineari, le vibrazioni lungo l'asse lungo sono spesso più pronunciate di quelle lungo l'asse corto.

3. Nello stesso edificio, solitamente il primo piano senza seminterrato è soggetto alle vibrazioni più piccole. All’aumentare dell’altezza del pavimento, le vibrazioni peggiorano. Le vibrazioni al primo piano di un edificio con seminterrato sono simili a quelle del secondo piano e le vibrazioni più basse si osservano tipicamente al livello più basso del seminterrato.

4. Le vibrazioni verticali sono generalmente maggiori delle vibrazioni orizzontali e sono indipendenti dal livello del pavimento.

5. Solai più spessi comportano differenze minori tra vibrazioni verticali e orizzontali. Nella maggior parte dei casi, le vibrazioni verticali sono maggiori delle vibrazioni orizzontali.

6. A meno che non vi sia una fonte di vibrazioni significativa, le vibrazioni all’interno dello stesso piano di un edificio sono generalmente costanti. Questo vale sia per le posizioni al centro di una stanza che per quelle vicino a muri, colonne o travi sospese. Tuttavia, anche se le misurazioni vengono effettuate nello stesso luogo senza alcun movimento e con intervalli di pochi minuti, è probabile che i valori differiscano.

Ora che conosciamo le fonti e le caratteristiche delle vibrazioni a bassa frequenza, possiamo adottare misure di miglioramento mirate ed effettuare valutazioni avanzate delle condizioni di vibrazione in determinati ambienti.

Migliorare le vibrazioni a bassa frequenza può essere costoso e talvolta non è fattibile a causa di vincoli ambientali. Pertanto, nelle applicazioni pratiche, è spesso vantaggioso scegliere o trasferirsi in un sito migliore per gestire un laboratorio di microscopio elettronico.

Poi discutiamo dell'impatto delle vibrazioni a bassa frequenza e delle potenziali soluzioni.

Le vibrazioni inferiori a 20 Hz hanno un effetto di disturbo significativo sui microscopi elettronici, come illustrato nelle figure seguenti.

Immagine 1

Immagine 2

L'immagine 1 e l'immagine 2 sono state scattate con lo stesso Scanning Eelettronico Microscopio (entrambi a 300kx ingrandimento). Tuttavia, a causa della presenza di interferenze di vibrazione, Immagine 1 presenta una notevole frastagliatura nella direzione orizzontale (in segmenti) e la chiarezza e la risoluzione dell'immagine sono significativamente ridotte. Immagine 2è il risultato ottenuto dallo stesso campione dopo aver eliminato l'interferenza delle vibrazioni.

Se i risultati del test indicano che il luogo in cui deve essere installato il microscopio presenta vibrazioni eccessive, è necessario adottare misure adeguate; in caso contrario, il produttore del microscopio non può garantire che le prestazioni del microscopio dopo l'installazione possano soddisfare gli standard di progettazione ottimali. In generale, è possibile scegliere diversi metodi per migliorare o risolvere il problema, ad esempio utilizzando un Anti-vibrazioni Fondotinta, Piattaforma di isolamento dalle vibrazioni passive, o Piattaforma di isolamento dalle vibrazioni attive.

An Antivibrante Fondazione richiede una costruzione in loco e l'adozione di misure speciali (come uno strato di cuscino elastico in basso e nelle aree circostanti). I metodi di costruzione convenzionali possono potenzialmente aumentare le vibrazioni a bassa frequenza (sotto i 20 Hz). Il processo di costruzione che coinvolge una grande quantità di materiali da costruzione in entrata e in uscita può inevitabilmente influenzare l’ambiente circostante. Un diagramma schematico di un antivibrante Il fondotinta può essere visto nell'Immagine3.

Immagine3

Una piattaforma di isolamento dalle vibrazioni in calcestruzzo con una massa di circa 50 tonnellate raggiunge generalmente un effetto di riduzione delle vibrazioni compreso tra -2 e -10 dB a frequenze superiori a 2 Hz. Maggiore è la massa della piattaforma di isolamento dalle vibrazioni in calcestruzzo, migliore è la riduzione delle vibrazioni. Se le condizioni lo consentono, dovrebbe essere il più grande possibile.

Sulla base di numerosi test condotti in luoghi diversi, le piattaforme di isolamento dalle vibrazioni che pesano meno di 5 tonnellate mostrano una risonanza nell'intervallo di bassa frequenza compreso tra 1 e 10 Hz, che aumenta le vibrazioni. Quelli che pesano meno di 20 tonnellate sono inefficaci e la portata effettiva parte da oltre 30 tonnellate. Non sono disponibili dati per 30-40 tonnellate, quindi è consigliabile evitare pesi inferiori a 50 tonnellate. Un'università di Pechino ha ottenuto buoni risultati con una piattaforma antivibrante del peso di circa 100-200 tonnellate. In un istituto di ricerca a Chongqing, il calcestruzzo macinato è stato versato direttamente su rocce massicce, producendo vibrazioni minime.

Tra gli smorzatori di vibrazioni passivi, le opzioni comunemente utilizzate come gomma, molle in acciaio e molle ad aria (cilindri) forniscono prestazioni scarse nella gamma delle basse frequenze inferiori a 20 Hz. Spesso amplificano le vibrazioni dovute alla risonanza, per questo non sono ritenute idonee.

Solo gli smorzatori magnetici mostrano prestazioni accettabili a bassa frequenza, ma le loro prestazioni sono ancora di gran lunga inferiori agli smorzatori attivi (simile all'effetto di riduzione delle vibrazioni delle piattaforme di isolamento delle vibrazioni del calcestruzzo). La Figura 4 confronta l'efficacia di diversi metodi.

Figura 4

Dopo un'attenta osservazione della Figura 4, possiamo trarre le seguenti conclusioni:

1. La frequenza di risonanza (f_h) della molla in acciaio al carbonio è di circa 50 Hz. Non fornisce alcun effetto smorzante al di sotto dei 70 Hz e, infatti, amplifica la vibrazione dovuta alla risonanza. Il tampone in gomma ha una f_h di circa 25 Hz e non fornisce alcun effetto smorzante al di sotto dei 35 Hz, amplificando anche la vibrazione dovuta alla risonanza.

2. Gli smorzatori per calcestruzzo con una capacità inferiore a 5 tonnellate mostrano una risonanza inferiore a 10 Hz e spesso sono meno efficaci rispetto al non utilizzare affatto uno smorzatore.

3. Le molle pneumatiche hanno una f_h di circa 15 Hz, fornendo un buon smorzamento sopra i 25 Hz e un eccellente smorzamento sopra i 40 Hz. Sono ampiamente utilizzati per l'isolamento dalle vibrazioni in apparecchiature di precisione come le piattaforme ottiche. Tuttavia, mostrano una risonanza significativa al di sotto dei 20 Hz, il che li rende inadatti per i microscopi elettronici smorzanti (sebbene alcuni microscopi elettronici utilizzino molle pneumatiche come ultima risorsa).

4. Gli smorzatori magnetici forniscono uno smorzamento soddisfacente delle basse frequenze e possono essere utilizzati quando non vengono imposti requisiti rigorosi.

5. Vari ammortizzatori attivi raggiungono eccellenti effetti di smorzamento. Le loro frequenze di risonanza possono essere inferiori a 1 Hz e possono fornire uno smorzamento fino a -10 - -22 dB nell'intervallo 2-10 Hz, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono uno smorzamento efficace nella gamma delle basse frequenze.

In generale, si ritiene che le vibrazioni inferiori a 20 Hz abbiano un impatto significativo sui microscopi elettronici e siano difficili da mitigare. Poiché la maggior parte delle persone non riesce a percepire le vibrazioni al di sotto dei 20 Hz, spesso si porta a credere erroneamente che non vi siano vibrazioni quando sono presenti vibrazioni significative a bassa frequenza.

Gli smorzatori passivi utilizzano le proprietà fisiche dei dispositivi di smorzamento, come la loro massa e le caratteristiche intrinseche di trasmissione delle vibrazioni, per isolare e attenuare le vibrazioni esterne che influenzano il microscopio elettronico. È possibile fare riferimento al principio di funzionamento degli ammortizzatori passivi nella Figura 5.

Figura 5

Il principio di funzionamento degli ammortizzatori attivi è significativamente diverso da quello degli ammortizzatori passivi. Vari tipi di ammortizzatori attivi hanno principi di funzionamento simili, che prevedono un sensore tridimensionale che rileva le vibrazioni esterne in tre direzioni. Il sensore invia le informazioni a un controller PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo), che genera segnali di controllo con uguale ampiezza ma fase opposta. Questi segnali di controllo vengono quindi utilizzati da un attuatore per generare vibrazioni interne con uguale ampiezza e fasi opposte per contrastare o ridurre le vibrazioni esterne. È possibile fare riferimento al principio di funzionamento degli ammortizzatori attivi come mostrato nella Figura 6.

Figura 6

Gli ammortizzatori attivi comunemente utilizzati includono ammortizzatori ceramici piezoelettrici, ammortizzatori pneumatici e ammortizzatori elettromagnetici. Le loro differenze risiedono principalmente nel meccanismo di attuazione, mentre i rilevatori 3D e i controller PID sono relativamente simili.

Piezoelettrico Ceramico DAmpere:

Utilizzano l'effetto piezoelettrico del materiale ceramico per generare vibrazioni interne tridimensionali con uguale ampiezza e fase opposta.

Ampere Dpneumatico:

Controllate da un controller PID, le valvole di ingresso e uscita modulano l'aria compressa continua in uno speciale cilindro per generare vibrazioni interne tridimensionali con uguale ampiezza e fase opposta.

Ampere elettromagnetici D:

Il controller PID controlla tre serie di bobine elettromagnetiche per generare vibrazioni interne tridimensionali con uguale ampiezza e fase opposta.

Gli smorzatori attivi possono ottenere effetti di riduzione delle vibrazioni di circa -22 a -28 dB sopra 20 Hz (sebbene siano state affermate di raggiungere -38 dB, sono per lo più infondate).

Diversi tipi di ammortizzatori attivi presentano anche differenze di prezzo significative. Generalmente gli smorzatori vengono preparati prima dell'installazione del microscopio elettronico e vengono installati contemporaneamente al microscopio.

Inoltre, in condizioni specifiche, una trincea di isolamento dalle vibrazioni può anche ottenere buoni effetti di smorzamento.

La Figura 7 mostra una situazione in cui si trova la trincea di isolamento dalle vibrazioni.

Figura 7

Figura 8

La Figura 8 rappresenta uno scenario inefficace per una trincea vibrante.

In generale, più profonda è la fossa di vibrazione, migliore è l'effetto di smorzamento (la larghezza della fossa ha un impatto minimo sull'effetto di smorzamento). Ecco un confronto tra diversi metodi di smorzamento comuni: