电镜实验室环境对电镜的影响系列(九):再谈电子显微镜的被动式电磁屏蔽

健康   2024-11-01 18:03   北京  


编者寄语:

此篇为张承青老师《电镜实验室环境对电镜的影响》系列文章的最后一篇;希望能对电镜用户和厂家保证电镜应有的表现有帮助;

在电子显微镜的设计制造方面,我们与世界先进水平相比还有很大差距,这点必须承认。

但由于我国地域辽阔,各地环境又是千差万别,从山顶到山沟、从高楼到地下、从静谧的校园到嘈杂的工厂、从山腰巨岩到黄土高坡、从喧哗市区到宁静原野、从青藏高原到海边沙滩、从地铁站上方到高铁线近旁、从振动磁场都异常复杂的钢厂到半导体厂的超净间,到处都有电镜实验室,这样我们就得到了各种情况下的实践机会,进而得到许多实践经验和实测数据(包括正反两面)。

所以,在电镜环境改善技术领域,我们丝毫没有落后于人,甚至可以说是后来居上走在了业界的前列。

这个系列的电镜安装环境系列图文及建议,来自于十几年电镜场地勘察和改造的实战经验,具有很高的参考价值;

场地对电镜表现关系重大,术业有专攻,电镜用户对场地把握往往力不从心,有心将场地责任“打包”交给电镜厂家,可惜的是电镜厂家并无专业场地勘察专家,只是简单将此关键任务交予安装售后“负责”,造成了管理上的严重疏失,还给部分利欲熏心的厂家高管以可趁之机,不懂装懂,以次充好,给国家拨款造成重大损失,给科研事业带来严重影响;这样的实例在国内,特别是在国内,笔笔皆是;

工作室建议“让专业的人做专业的事”,电镜安装场地勘察和改造,不管是用户还是厂家,都要下定决心交给专业的公司和人员的参与和操作,并设立严谨的监理机制,和明确的追责体系,杜绝不良从业公司和人员滥竽充数,防止设备正常使用机时的损失;

同时工作室也强烈建议,电镜用户和厂家相关人员需要躬身入局,学习提升对电镜安装场地的认知水平,让宝贵的国家和企业资金发挥到其应有的作用。

正文:

由于电子显微镜的特殊原理和结构,低频磁场(主要指50赫兹的工频磁场)对各种电镜的成像往往有很大的影响,许多情况下需要对现有环境条件进行改善,才能够满足电镜需要,充分发挥电镜应有效能。

被动式低频电磁屏蔽的两种方法,区别在于屏蔽机理及屏蔽材料:一种是使用高导磁材料(如钢、硅钢、玻莫合金等)针对电磁波的磁场分量进行磁路分流(以下简称磁路分流法),另一种是使用高导电材料(如铜、铝等材料)构成闭合回路,产生感生电流、再产生感生磁场,将原有磁场抵消(以下简称感生磁场法)。

虽然两种方法的工作机理不同,但是均可达到较好的减弱环境磁场效果。

A.磁路分流法的理论依据是:使用高导磁材料将一个有限空间A全维度包裹起来,在环境磁场强度为Ho时,由于高导磁材料的磁阻远远小于空气(定义真空磁导率为1,空气近似为1,普通Q195钢板约为4000,硅钢为8000~12000,玻莫合金约为24000),借用欧姆定律可以知道,当Rs远小于Ri时,Hi将远小于Ho。

磁力线被低磁阻材料分流,有限空间A内的磁场强度下降到Hi,达到渐弱原有效果,也就是常说的消磁(参见图一和图二。其中Ri为A空间的空气磁阻,Rs为屏蔽体的磁阻)。屏材内部的磁畴在磁场作用下产生振动,将磁能以热量的形式耗散。



磁路分流法的屏效与屏材厚度有关,大致成线性相关,理论上可以做到无限小。


B.感生磁场法的理论依据是:使用高导电材料将一个有限空间全维度包裹起来,环境磁场以其电场分量作用于屏蔽体,产生感生电动势,进而产生感生电流以及感生磁场。


从电磁学基本原理可知,这个感生磁场与原有磁场大小相同(由于存在电阻,所以会略小一点)、方向相反(由于存在相位差,所以相位略有滞后),这样有限空间内的磁场被抵消,强度下降,达到消磁效果。


有兴趣还可以参考三相异步鼠笼式电动机的工作情况,这样可以对感生磁场法有进一步的理解,注意异步鼠笼式电动机无论如何不可能达到旋转磁场(50Hz×60s=3000转/分钟)的转速,因为那时鼠笼条不能切割磁力线,也就不能产生感应电流、不能产生感生磁场、失去驱动力了。


感生磁场法的屏效与屏材厚度在很大范围区间内无关。


C.这两种磁屏蔽都不需要探测器以及控制器和执行元件,都不需要能源供应,所以都属于被动式。


从两种磁屏蔽的基本工作原理可以看出(磁畴在DC磁场下不会振动以产生热能的形式消耗磁场能量,并且DC磁场也不能产生连续的感生反向电动势),所以磁路分流法和感生磁场法对DC完全无效。


对near DC也基本无效,因而必要时还要配备一套主动式消磁器改善near DC对电镜的电磁干扰(主要造成图像飘扭变形及影响聚焦和消像散)。


D虽然这两种技术路线都可以达到渐弱原有磁场目的,但在改善电镜电磁环境的实际应用中,还是有很大不同。


前已述及,感生磁场法因其基本原理所限,消磁效果不如磁路分流法,这里不再赘述。


关键是感生磁场法屏蔽体导体不能断开,那将断开感生电流通道,致使反相感生磁场渐弱甚至消失。


这就使得开口处漏磁大大增加,严重降低屏效。


为此不得不将电镜直接坐落在屏蔽体上(屏蔽体可以将原有振动放大十倍以上),致使振动超标(即便原有振动合格)。采用感生磁场法制作的磁屏蔽,不管原有磁场是否合格,基本都必须额外配置昂贵的主动式低频减震器,浪费大量社会财富。

 

另外还有一种时常可见的错误需要引起我们足够的重视,磁路分流法制作磁屏蔽时,迭用感生磁场法的一些技术措施如门边加磷铜、铍青铜材料做梳状(或称指状)导电条的(参见下图)。



磁屏蔽的门框接缝处安放了大量梳状条,本意是接续门框开口处的感生电流,但是由上面的讨论可以明确,磁路分流法针对的是磁场分量,与感生电流无关,所以这是在做无用功。

这样做白白增加成本不说,更严重的是,梳状条额外占据了门框处“波导口”的宝贵空间间隙,致使加大漏磁,降低屏效。所以说是完全错误的工艺设计。

中国电镜行业,不应该继续交智商税了。

(完)



卢克任工作室
显微镜行业的老兵/游历近50国仍永不停歇的旅行者/NAUI认证的高级潜水员。这个公众号用于展示和传播光学、激光共聚焦、双光子、电子、离子显微镜及光刻系统行业的专业技术,仪器行业的营销、售后、质量管理理念和心得,还有个人的独特的人生经历。
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