环境对电子显微镜的影响及解决方案

环境对电子显微镜的影响及解决方案

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由于在电子显微镜镜筒中飞行的带电粒子束极易受到外界干扰,从而使得到的图像扭曲变形,所以无论透射电子显微镜还是扫描电子显微镜都对周围环境有较高的要求。

磁场、震动、噪声以及电源等都可能会干扰带电粒子束的正常运动轨迹,影响电子显微镜的实验结果(但不会使电子显微镜本身受到损坏)。

另外,电子显微镜的信号处理系统也容易受到干扰。虽然在电子显微镜的设计和制造中已经采取了相应的稳压、滤波和屏蔽等措施,但是干扰信号仍然可以高次谐波的形式从电源端、以接地电压的形式从地线端对信号处理系统产生干扰。

所以,一般认为可能对电子显微镜产生干扰的来源有磁场、震动、噪声、电源及地线这五个方面,通常要根据电子显微镜实际安装现场的具体情况采用各种方法来改进。

不同厂家的电子显微镜对周围环境的要求是不同的。即使是同一厂家,但不同型号的电子显微镜对周围环境的要求也是不同的,没有统一标准。一般厂商都会在安装电子显微镜之前,对将要安装电子显微镜的场地进行专门检测。如果周围环境不能符合要求,则应该采取适当措施解决或改善。

 

二.磁场(EMI)

电子显微镜对周围磁场的要求一般是不大于数十到数百纳特斯拉(峰-峰值)(注[1])。许多工厂环境、理工科实验室环境及靠近电源线或电源变压器的环境,50Hz的低频电磁干扰都很大。当周围磁场强度超过标准时,可以用磁屏蔽或采用主动式消磁器来解决问题。

1. 磁屏蔽(EMI Shielding)

根据频率的不同,我们一般把电磁场分为直流(0赫兹)电磁场、低频(数十到数百赫兹)电磁场和中高频电磁场。因为高于数百赫兹的中高频电磁场场强很低(注[2]),对电子显微镜的影响极小,直流电磁场不影响图像质量(水平方向的直流电磁场只会使图像有极微小的整幅偏移,毫伏级的垂直方向直流电磁干扰更是不会有任何干扰,见注[3]),所以对于电子显微镜一般只考虑数十赫兹的低频电磁干扰。

根据电磁波传输的基本原理,在频率很低的时候,趋肤效应、磁滞损耗以及反射损耗都很小,低频电磁波的能量主要由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量。

屏蔽低频电磁干扰的基本原理是磁路并联旁路分流。通过使用导磁材料(如低碳钢、硅钢等)制作的屏蔽体来提供磁旁路,降低屏蔽体内部的磁通密度。同时尽量增大涡流损耗,使一部分能量转化为热能消耗掉。

屏蔽材料越厚则磁通面积越大、磁阻越小屏蔽效果越好。

涡流损耗越大,转换为热能而损耗的磁能越多,屏蔽效果越好。

导电率高而导磁率低的材料(如铜、铝等)对电磁波的磁场分量没有屏蔽作用。

试验测试数据表明,导磁率高的材料(如硅钢、玻莫合金等)在制作体积达数十立方米的电子显微镜磁屏蔽室时效果很差。冷轧硅钢板的平均导磁率约为20000,普通低炭钢板导磁率约为4000,表面看来似乎冷轧硅钢板的低频电磁屏蔽效果会远好于普通低炭钢板,但实际并非如此。在制作体积较大的磁屏蔽室时,由于硅钢、玻莫合金等高导磁材料的可焊性很差,并且无法在焊接后进行热处理,所以只能平铺或搭接。这样一来,整个磁屏蔽室的磁通路就被许多空气隙(导磁率约为1)所隔断,高导磁材料的优良性能不能充分利用。而普通低炭钢具有良好的可焊性,按照正确的施工工艺施工,在厚度相同的条件下,普通低炭钢板的屏蔽效果反而优于硅钢板或玻莫合金板。      

注意:改善屏蔽体的导电性,如在屏蔽体上复合铝(铜)板、门边加装梳状导电条等,对于低频电磁屏蔽是完全无效的。门边加装梳状导电条反而会增大磁阻,降低屏蔽效果。

为达到所需要的屏蔽效果,低频电磁屏蔽对屏蔽体的厚度有一定的要求(屏蔽电场分量的高频电磁屏蔽屏蔽体厚度与屏蔽效果无关),屏蔽体厚度可按照下式计算:

 

      

        b=μ〔L×W(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi 〕                  (1)

在(1)式中

Ho: 外磁场强度

Hi: 屏蔽内空间的磁场强度

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

 μ: 修正系数(μ值在2.5~3.8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)

L:  垂直于Ho的屏蔽体长度

W:  垂直于Ho的屏蔽体宽度 

b:  屏蔽体厚度

被动式低频电磁屏蔽的屏蔽效果较好,屏蔽体内部场强均匀度好(注[4])。http://www.nyhlpb.com/

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