编者寄语：
啊，标题好像不太严谨，电镜实验室环境对电镜本身是没有什么影响的，影响的只是成像质量，影响的只是电镜能否呈现最佳性能。这不是废话，许多新用户都问过我，“振动超标？电镜这么精密的仪器，会不会震坏呀？”“磁场超标？电镜会不会磁化呀？对操作人员有没有影响呀？”某公司的扫描电镜和透射电镜，身历汶川地震（具体位置在绵阳）而毫无影响，地震后开机，一切正常。几个几十个毫高斯磁场既不会磁化电镜也不会影响操作人员健康（曾经查到过一个上海市暂行卫生标准，该标准认为，五高斯以下磁场是安全的，5个高斯！还远着呢）。跑题了跑题了，打住。
电子显微镜工作时，精细的电子束要在很高的真空环境中飞行0.7米（扫描电镜）到2米以上（透射电镜）。一路上，周边的磁场、脚下地面的振动、空气中有噪声还有气流，这些都会诱使电子束偏离我们期望它走的路径，直接致使成像质量变差，所以对于周边的环境就有一些特殊的要求（其它大多数仪器都是电子乖乖地在导体和半导体中流动，基本不会被周边环境干扰），以确保电子束能够规规矩矩，不乱跑乱动。
在本专题系列讨论中，DC特指频率在0.001～1Hz的准直流（即near DC，也有称为近直流的）电磁干扰，AC特指为以50Hz为基频、不超过五次谐波（250Hz）的交流电磁干扰。对电镜干扰大的不是均方根有效值，而是峰峰值（peak to peak,简写为p-p），以后不特别说明的都是峰峰值。比如3mG，就是峰峰值为3毫高斯（3mGauss p-p）的电磁干扰。为什么特地说明一下呢？因为各种手持式简易磁场测试仪显示的都是均方根有效值，测出的数值往往比我们相知道的峰峰值小许多（电源的高次谐波越严重，波峰因数就越高，实测中碰到过波峰因数超过10的情况）。
纯直流磁场只会使全部电子束稳定偏移相同角度、也就是只会使全部像素点稳定偏移相同的方向和距离，并不会影响成像质量；350Hz以上的高频AC（除非刻意制造，否则很难见到它们踪影）电磁干扰对成像质量影响极小，实际工作中可以忽略，所以我们后面就不讨论它们啦。
振动也是一个经常谈起的话题，低频微振是我们重点关注对象（很遗憾我们人类很难直接查觉。曾经不止一次有人在测试现场质疑我的测试结果，理由就是“我怎么没有感觉”）。干扰电镜的振动大多数不是由某振动源单一产生的（特殊情况时也会有关闭某一振动源后环境振动明显变化现象），多数情况下不能简单地依靠关闭振动源来解决振动问题，我们将在后面陆续展开的专题中分别讨论。
噪声声波（还有气流，就是空调吹出来的风啦）都会作用在镜筒上引发振动，对电镜成像质量的影响等同于振动。注意讨论振动时一定不能忽略频率，离开频率谈振幅，就是什么什么来着，呵呵。为什么又要特地说明一下呢？因为各种手持式简易噪声测试仪没有傅里叶变换，显示的数值参考意义不大（咳，还是说有点参考价值吧，怕抬杠）。
地线对电镜的影响往往超乎大多数人的想象。什么？一根地线有什么可大惊小怪的？哎哎，这也是电镜实验室环境的特殊性之一啦，我们在后面详细讨论吧。
对了，还有UPS。故弄玄虚吧？不就是个不间断电源嘛，这玩意儿现在到处都是，也有什么说道吗？不好意思，还真有，我们后面慢慢聊。
本专题系列中，我们主要想讨论以上几方面问题，没漏掉什么吧？好吧，出发！
正文：
《低频电磁屏蔽实践》一文第一稿于2007年11月完成，曾被不知名朋友鼓捣到百度上置顶数年（未署名），本篇主要内容来自该文。此次经补充修改，第一次署名。孔乙己有名言：偷书不算偷，我抄自己的当然更不算啦。怕产生误解，特此说明一下。这里我们讨论一下低频电磁屏蔽（以下不加说明均指磁路分流法）的机理及推导计算，和在实际工作中必须要加以注意的事项。对“感生反相电磁场法”感兴趣的朋友，请参见本系列之五《几种改善电磁环境方法比较》。许多“专业文献”在分析低频电磁屏蔽机理的机理时套用了中高频电磁屏蔽的理念和计算方法，致使计算和设计与实际结果偏差很大。有些中高频电磁屏蔽理念被盲目照搬到低频领域，造成误解和错误。众所周知，电磁波是磁场-电场交替传播的，既有电性又有磁性。所以往往很自然地推导出电磁波既可以用电场来度量，也可以用磁场来度量。可是这点需要具体讨论。实际上泛泛而论“电磁波”对讨论基本物理原理而言当然没错，但实际工作中，还必须结合频率来考虑。在频率趋于0时（频率等于零时，当然就是直流磁场），电磁波的磁场分量趋强，电场分量渐弱；在频率升高时，电场分量趋强而磁场分量减弱。这是一个渐变的过程，没有一个明显的转变点。一般从零到几千赫兹时，磁场分量可以较好地表征，所以用“高斯”或“特斯拉”做场强的单位；而在100kHz以上时，用电场分量表征比较好，这时就用伏特/米来做场强的单位。对于磁场分量强的低频电磁环境，直截了当从减弱磁场入手应该是一个好办法。下面重点讨论屏蔽体内体积为40～120m3，屏蔽前磁场强度在0.5～50mGauss p-p(毫高斯 峰-峰值) 范围的低频（0～300Hz）电磁场屏蔽的实际应用。考虑到性价比，屏蔽体材料如无特殊情况，一般应选择低碳钢板 Q195（旧牌号为A3）。因为整体材料的涡流损耗比多层叠加（总厚度相同）的涡流损耗要大，所以如无特殊情况不选用薄的多层材料而选用厚的单层材料。因为低频电磁波的能量主要由磁场能量构成，所以我们可以使用高导磁材料来提供磁旁路通道以降低屏蔽体内部的磁通密度，并借用并联分流电路的分析方法来推导磁路并联旁路的计算式。![]()
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这里有以下一些定义：
Ho：外磁场强度
Hi：屏蔽内空间的磁场强度
Hs：屏蔽体内磁场强度
A：磁力线穿过屏蔽体的面积 A=L×W
Φo：空气导磁率
Φs：屏蔽材料导磁率
Ro:屏蔽内空间的磁阻
Rs:屏蔽材料的磁阻
L： 屏蔽体长度
W： 屏蔽体宽度
h： 屏蔽体高度（亦即磁通道长度）
b： 屏蔽体厚度
由示意图一可以得到以下二式
Ro=h/(A×Φo)=h/(L×W×Φo)
(1)
Rs=h/(2b×W+2b×L)Φs (2)
由等效电路图二可以得到下式
Rs= Hi×Ro/（Ho- Hi） (3)
将(1)、(2)代入(3)，整理后得到屏蔽体厚度b的计算式(4)
b=L×W×Φo(Ho-Hi)/
(W+L) 2Φs Hi (4)
注意：在(4) 式中磁通道长度h已在整理时约去，在实际计算中Φo、Φs 、Ho、Hi等物理单位也将约去，我们只需注意长度单位一致即可。由(4) 式可以看出，屏蔽效果与屏蔽材料的导磁率、厚度以及屏蔽体的大小有关。屏蔽材料导磁率越高、屏蔽材料越厚则磁阻越小、涡流损耗越大，屏蔽效果越好；在导磁率、厚度等相同的情况下，屏蔽体积越大屏效越差。我们用（4）式计算并取Φo=1, L=5m，W=4m，Φs=4000，计算结果与实测数据（收集这些数据花了好几个月呢）对照比较（参见表1），发现差别很大：表1
厚度（mm） 场强（%） | 1.5 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 |
外磁场强度 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
实测内磁场强度 | 60～65 | 45～50 | ～35 | ～27 | ～22 | ～16 | 8～12 |
计算内磁场强度 | 18.5 | 13.9 | 9.26 | 6.94 | 5.56 | 4.63 | 3.47 |
2．为便于比较将计算数值及实测数值都归算为百分数。3．实测值系由不同条件下的多次测试折算而得。由于各次的测试条件不完全相同，所以只能取其大约平均数。事实上，由于各种因素的影响，试图建立一个简单的数学模型直接去分析和计算低频电磁屏蔽的效果是相当困难的。并联分流电路的函数关系是线性的，而在磁路中，导磁率、磁通密度、涡流损耗等都不是线性关联，许多参数互为非线性函数关系（只是在某些区间线性度较好而已）。我们在推导磁路并联旁路的机理时，为避免繁杂的计算，忽略或近似了一些参数，简化了一些条件，把磁路线性化后计算。这些因素是造成计算精度差的主要原因。另一方面，商品低碳钢板的规格一般为1.22m×2.44m，按一个长×宽×高为5×4×3m3的房间来算，焊接缝至少五六十条，即便是全部满焊，焊缝厚度也往往小于钢板的厚度。另外屏蔽体上难免有开口和间隙，这些因素造成的共同结果就是：屏蔽体磁阻增大，整体导磁率下降。用并联分流电路的分析方法推导出的磁路屏蔽计算式必须加以修正才能接近实际情况。在(4)式基础上，我们引入修正系数μ，且考虑到空气导磁率近似为1，得到(5)式b=μ〔L×W(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi〕 (5)μ在3.2～4.0之间选取。屏蔽体体积小、工艺水平高可取小值，反之取较大值为好。我们用（5）式取μ=3.4计算出的结果与实测数据对照比较（参见表2），啊哈，这下吻合度基本可以满意。表2
厚度（mm） 场强（%） | 1.5 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 |
外磁场强度 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
实测内磁场强度 | 60～65 | 45～50 | ～35 | ～27 | ～22 | ～16 | 8～12 |
计算内磁场强度 | 62.9 | 47.2 | 31.5 | 23.6 | 18.9 | 15.7 | 11.8 |
注：其它情况与表1相同。
必须指出的是，多次测试数据表明，虽然(5)式计算结果与多次的现场实测结果吻合度较高，但后来也发现个别相差较大的实例，究其原因是属于现场施工的问题。以下是在现场施工中可能发生的几种情况：3．钢板焊缝深度不足，焊缝处导磁率变小，形成多处“瓶颈”；4．屏蔽体在设备基础部位开口过大且波导口处理不当；一两处小小疏忽就会造成屏蔽效果严重劣化。这有点类似于“水桶理论” ：水桶的容量取决于最短的那块木板。对于这类隐蔽项目，质量往往由工艺保证。所以在选择一个可靠的施工单位、严格遵照设计工艺要求、加强现场施工监理、实施分阶段验收等方面，都是一定要引起高度注意的。设计一个屏蔽体，一定会碰到开口问题。常见开口设计的理论方法大多难以在低频磁屏蔽设计中直接应用。下面以一个房间的屏蔽设计为例来讨论。房间内安装的被屏蔽设备，一般都需要供应动力、能源和冷却水等等。这些辅助设施大多位于屏蔽室之外，通过进出水管、进排气管和电缆连接进来。我们可以将这些管道和电缆适当集中，统一经由一个或数个小孔穿过屏蔽体。小孔可用与屏蔽体相同的材料做成所谓
“波导口”，长径比为一般认为至少要达到3～4﹕1（现场条件允许的话长些更好）。例如小孔直径为80mm，则长度至少为240～320mm。空调的通风口、换气扇的进排气口等直径（或者正方形、长方形的边长）一般在400～600mm左右，这样算来波导口的长度将达到1200～2400mm，这在实际施工中是无法承受的。这时可以用栅格将原来的开口分隔为几个同样大小的小口。例如将一个400×400mm的进风口分隔为九个等大的栅格，则长度由1200～1600mm减少为400～530mm（栅格增加的风阻很小，可以忽略不计）。1）栅格的材料与屏蔽体相同，不要随意减小材料的厚度；3）在长度可以接受的情况下，尽量减少栅格的数量，以减少加工难度和风阻；5）各个开口接缝处，可以增加硅钢板就，以增加导磁性。一般房间的门窗等开口都在1m×2m以至更大，这时应该依照门窗（均为与屏蔽体同样的材料制成）关闭后的非导磁间隙来设计波导口。设门窗关闭后的非导磁间隙为5mm（这在技术上并不困难，个别难以处理的地方可以加道折边），则波导口的长度为15～20mm。考虑到间隙是狭长的，这个长度尽量长些为好。注意这里的波导口并不是只由门窗的框构成，在所有的非导磁间隙处都要有一定厚度的折边，保证波导口的长度。为保证特殊情况下的安全撤离，屏蔽室的门框应特别加强，屏蔽门最好向外开启。房间的长、宽、高分别为5米、4米和3.3米，原磁场强度x=10mGauss，y=8mGauss，z=12mGauss，试设计一低频电磁屏蔽，要求屏蔽体内任一方向的磁场强度小于2mGauss。参见图三。
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1．选用商品低碳钢板，Φs=4000，规格为1.22m×2.44m；
2．按照（5）式分别从x、y、z三个方向来计算钢板厚度：
μ取3.8，L×W分别以条件所给的长、宽、高代入，且与x、y、z等方向的原磁场强度对应。
bx=3.8〔3.3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3.3m)
2×4000×2mGauss〕
=3.43mm
by=3.8〔3.3m×5m×(8mGauss -2mGauss)/(5m+3.3m)
2×4000×2mGauss〕
=2.83mm
bz=3.8〔5m×4m×(12mGauss
-2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGauss〕
=5.28mm (若取长宽分别为10、6米，则可计算得b=2280/56000=8.91mm)
全部钢板厚度至少为6mm（为防止环境磁场变化留有裕量亦可选用8～10mm），单层。
全部焊缝要求连续焊接，并尽量使焊缝深度接近母材厚度。
3．波导口处理
需要注意的是：由于磁屏蔽不能改善DC干扰环境，在需要改善DC电磁干扰环境时，需与具有消除DC功能的消磁器配合使用。
（待续）
