Efectos del blindaje electromagnético en el entorno del laboratorio de microscopio electrónico (Parte 1): blindaje electromagnético de baja frecuencia en la práctica

El entorno de un laboratorio de microscopía electrónica no afecta directamente al microscopio electrónico en sí, sino que afecta la calidad de las imágenes y el rendimiento general del microscopio. Durante el funcionamiento de un microscopio electrónico, el fino haz de electrones debe viajar en un entorno de alto vacío, cubriendo una distancia de 0,7 metros (para Microscopio electrónico de barridoe) a más de 2 metros (para Microscopio electrónico de transmisióne). A lo largo del camino, factores externos como campos magnéticos, vibraciones del suelo, ruido en el aire y flujos de aire pueden hacer que el haz de electrones se desvíe de su camino previsto, lo que provoca una degradación en la calidad de la imagen. Por lo tanto, se deben cumplir requisitos específicos para el entorno circundante.

Como es bien sabido, las ondas electromagnéticas consisten en campos magnéticos y eléctricos alternos. Sin embargo, es importante considerar la frecuencia al medir ondas electromagnéticas utilizando campos magnéticos o eléctricos. En la práctica, es necesario tener en cuenta la frecuencia.

A frecuencias muy bajas (cuando la frecuencia tiende a cero, equivalente a un campo magnético de CC), el componente magnético de la onda electromagnética se vuelve más fuerte mientras que el componente eléctrico se debilita. A medida que aumenta la frecuencia, el componente eléctrico se fortalece y el componente magnético disminuye. Se trata de una transición gradual sin un punto de inflexión definido. Generalmente, desde cero hasta unos pocos kilohercios, el componente del campo magnético se puede caracterizar bien y se utilizan unidades como Gauss o Tesla para medir la intensidad del campo. Por encima de 100 kHz, el componente del campo eléctrico se mide mejor y la unidad utilizada para la intensidad del campo es voltios por metro (V/m). Cuando se trata de un entorno electromagnético de baja frecuencia con un fuerte componente de campo magnético, reducir el campo magnético directamente es un enfoque eficaz.

Siguiente, Nos centraremos en la aplicación práctica del blindaje de un campo electromagnético de baja frecuencia (0-300 Hz) con una intensidad de campo magnético que oscila entre 0,5 y 50 miligauss (pico a pico) en un volumen blindado de 40-120 metros cúbicos. . Teniendo en cuenta la rentabilidad, el material de protección utilizado suele ser una placa de acero con bajo contenido de carbono Q195 (anteriormente conocida como A3).

Dado que la pérdida por corrientes parásitas de un solo material grueso es mayor que la de múltiples capas delgadas (con el mismo espesor total), se prefieren materiales de una sola capa más gruesos a menos que existan requisitos específicos. Establezcamos un modelo matemático:

1. Derivación de la fórmula

Dado que la energía de las ondas electromagnéticas de baja frecuencia se compone principalmente de energía del campo magnético, podemos utilizar materiales de alta permeabilidad para proporcionar rutas de derivación magnética para reducir la densidad del flujo magnético dentro del volumen de protección. Aplicando el método de análisis de circuitos en derivación en paralelo, podemos derivar la fórmula de cálculo para la derivación en paralelo de trayectorias de flujo magnético.

Aquí hay algunas definiciones:

Ho:Fuerza del campo magnético externo

Hola: Intensidad del campo magnético dentro del volumen de protección

Hs: Intensidad del campo magnético dentro del material de protección

A: Área a través de la cual las líneas magnéticas pasan a través del escudo A = L × W

Φo: Permeabilidad del aire

Φs: Permeabilidad del material de protección

Ro:Resistencia magnética del espacio interno del escudo

Rs: Resistencia magnética del material de protección

L: Longitud del volumen de blindaje

W: Ancho del volumen de blindaje

h: Altura del volumen de protección (es decir, longitud del canal magnético)

b: Espesor del material de protección

Del diagrama esquemático (Figura 1), podemos obtener las siguientes ecuaciones:

Ro = h / (A × Φo) = h / (L × An × Φo) (1)

Rs = h / ((2b × An) + (2b × L)) × Φs (2)

Del diagrama del circuito equivalente (Figura 2), podemos obtener la siguiente ecuación:

Rs = Hola × Ro / (Ho - Hola) (3)

Sustituyendo las ecuaciones (1) y (2) en la ecuación (3) y reordenando, obtenemos la fórmula (4) para calcular el espesor b del material de protección:

b = L × An × Φo × (Ho - Alto) / ((An + L) × 2Φs × Alto) (4)

Nota:

En la ecuación (4), la longitud del canal magnético h se elimina durante el proceso de simplificación, y también se eliminan unidades físicas como Φo, Φs, Ho, Hi y otras. Sólo es necesario asegurarse de que las unidades de longitud sean consistentes.

De la ecuación (4), se puede ver que la efectividad del blindaje está relacionada con la permeabilidad y el espesor del material de blindaje, así como con el tamaño del volumen de blindaje. Una mayor permeabilidad y un material de blindaje más grueso dan como resultado una menor resistencia magnética y mayores pérdidas por corrientes parásitas, lo que conduce a una mejor efectividad del blindaje. Cuando la permeabilidad y el espesor son iguales, un volumen de protección mayor dará como resultado un rendimiento de protección más deficiente.

2. Validación de la fórmula

Podemos usar la ecuación (4) Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 para calcular el espesor del material de protección y comparar los resultados calculados con los datos experimentales (que tardaron varios meses en recopilarse):

Tabla 1

Nota:

1. La intensidad del campo magnético externo está en el rango de 5 a 20 miligaus (pico a pico).

2. Los valores medidos se obtienen convirtiendo múltiples pruebas en diferentes condiciones. Dado que las condiciones de prueba para cada medición no son las mismas, los valores presentados representan mediciones promedio aproximadas.

En realidad, debido a varios factores, es bastante difícil establecer un modelo matemático simple para analizar y calcular la efectividad del blindaje electromagnético de baja frecuencia. Las desviaciones significativas entre los resultados calculados y los datos experimentales se pueden atribuir a las siguientes razones.

En primer lugar,la relación de función en el circuito en derivación paralelo es lineal, mientras que en los circuitos magnéticos, la permeabilidad, la densidad de flujo magnético y las pérdidas por corrientes parásitas no exhiben relaciones lineales. Muchos parámetros son funciones no lineales entre sí (aunque pueden exhibir una buena linealidad en ciertos rangos). Durante la derivación del mecanismo de derivación en paralelo en circuitos magnéticos, se omitieron algunos parámetros, se realizaron aproximaciones y se simplificaron las condiciones para evitar cálculos complejos, linealizando el circuito magnético. Estos factores son las razones principales de las diferencias en la precisión entre cálculos y experimentos.

En segundo lugar,Las especificaciones comerciales de placas de acero con bajo contenido de carbono suelen tener un tamaño de 1,22 mx 2,44 m. Considerando un tamaño de habitación de 5m × 4m × 3m como ejemplo, incluso con soldadura completa, todavía habría más de 50 soldaduras, y el espesor de las soldaduras suele ser menor que el de la placa de acero. Además, puede haber aberturas y espacios en el material de protección, lo que da como resultado un aumento general de la resistencia magnética y una disminución de la permeabilidad. Por lo tanto, es necesario modificar la fórmula de cálculo para el blindaje magnético derivado del circuito en derivación en paralelo para aproximarse a las condiciones reales.

3. Fórmula de cálculo modificada

Basándonos en la ecuación (4), introducimos un coeficiente de corrección μ y consideramos que la permeabilidad del aire es aproximadamente 1. La ecuación modificada para calcular el espesor b del material de protección es la siguiente (ecuación 5):

b = μ × [L × An × (Ho - Alto) / ((An + L) × 2Φs × Alto)] (5)

El valor de μ se selecciona entre 3,2 y 4,0. Se prefiere un valor menor para volúmenes de protección más pequeños y niveles de proceso más altos, mientras que un valor mayor es mejor para volúmenes de protección más grandes. Utilizando la ecuación (5) con μ = 3,4, los resultados calculados se comparan con los datos experimentales (consulte la Tabla 2), lo que muestra una concordancia significativamente mejorada.

Tabla 2

Nota: Las demás condiciones siguen siendo las mismas que en la Tabla 1.

Cabe señalar que múltiples datos de pruebas confirman la alta coincidencia entre los resultados obtenidos de la ecuación (5) y varias mediciones in situ. Sin embargo, ha habido casos aislados con desviaciones importantes. Estos casos pueden atribuirse a problemas de construcción.

Las siguientes son varias situaciones que pueden ocurrir durante la construcción:

1. Placas delgadas de acero utilizadas en áreas individuales (como puertas).

2. Soldadura no continua o grandes espacios en uniones soldadas.

3. Profundidad insuficiente de las soldaduras, lo que resulta en una menor permeabilidad en los lugares de soldadura y múltiples "cuellos de botella".

4. Aberturas más grandes en áreas protegidas y tratamiento inadecuado de las aberturas de la guía de ondas.

5. Acortamiento arbitrario de la longitud de la guía de ondas o procesamiento deficiente.

6. Grosor de pared insuficiente de la guía de ondas.

7. Múltiples puntos de conexión a tierra en el material de blindaje provocan una distribución de corriente no uniforme.

8. Conexión del material de blindaje al cable neutro de la fuente de alimentación.

Incluso un pequeño descuido puede provocar un deterioro significativo de la eficacia, lala capacidad de un cubo depende del trozo de madera más corto. Para proyectos ocultos como este, la calidad suele estar garantizada por la artesanía. Por lo tanto, es importante prestar especial atención a la selección de una empresa constructora confiable, adherirse estrictamente a los requisitos y procesos de diseño, fortalecer la supervisión de la construcción en el sitio e implementar inspecciones graduales.

Diseño de apertura del recinto blindado:

Al diseñar un recinto blindado, uno inevitablemente encontrará el problema de las aberturas. Los métodos teóricos comúnmente utilizados para el diseño de aperturas son difíciles de aplicar directamente al diseño de blindaje magnético de baja frecuencia. Aquí discutiremos el ejemplo del diseño de blindaje de una habitación.

1. Aperturas pequeñas: En habitaciones con pequeños dispositivos blindados, generalmente existen requisitos de suministro de energía, suministro de energía y agua de refrigeración. Estas instalaciones auxiliares se encuentran en su mayoría fuera del recinto de protección y están conectadas a través de tuberías de agua, tuberías de aire y cables. Estos tubos y cables pueden centralizarse adecuadamente y pasar a través del recinto de blindaje mediante uno o varios pequeños orificios. Estos orificios, hechos del mismo material que la carcasa protectora, se denominan "aberturas de guía de ondas". Generalmente se considera que la relación longitud-diámetro de las aberturas de la guía de ondas es de al menos 3-4:1 (si las condiciones del lugar lo permiten, más tiempo, mejor). Por ejemplo, si el diámetro de un agujero pequeño es de 80 mm, la longitud debe ser de al menos 240-320 mm.

2. Aperturas de tamaño mediano: Las aberturas de ventilación para aire acondicionado y las aberturas de escape para ventiladores suelen tener diámetros (o longitudes laterales para cuadrados o rectángulos) de alrededor de 400 a 600 mm. Calcular la longitud de la abertura de una guía de ondas basándose en estas dimensiones daría como resultado longitudes de 1200-2400 mm, lo que no es factible en la construcción práctica. En este caso, la abertura original se puede dividir en varias aberturas más pequeñas del mismo tamaño mediante una rejilla. Por ejemplo, si una entrada de aire de 400×400 mm se divide en nueve rejillas del mismo tamaño, la longitud se reduciría de 1200-1600 mm a 400-530 mm (el aumento en la resistencia al flujo de aire debido a las rejillas es insignificante).

Al diseñar y fabricar, preste atención a los siguientes puntos:

- El material de las rejillas debe ser el mismo que el del recinto de blindaje, y el espesor del material no debe reducirse arbitrariamente.

- La sección transversal de las rejillas debe ser lo más cuadrada posible.

- Intente reducir el número de rejillas tanto como sea posible, dentro de longitudes aceptables, para reducir las dificultades de procesamiento y la resistencia al flujo de aire.

- Asegurar una soldadura continua en todas las ubicaciones de las rejillas para evitar un aumento de la resistencia magnética.

- Aumentar la permeabilidad magnética añadiendo placas de acero al silicio en las uniones de las rejillas.

3. Grandes aberturas que se pueden cerrar:Las puertas y ventanas de una habitación suelen tener aberturas que miden 1 mx 2 mo incluso más. En este caso, las aberturas de la guía de ondas deben diseñarse en función de los espacios no magnéticos cuando las puertas y ventanas están cerradas (hechas del mismo material que el recinto de blindaje). Suponiendo un espacio no magnético de 5 mm (lo cual no es un desafío técnico y se pueden agregar pliegues de borde adicionales en áreas difíciles de manejar), la longitud de la abertura de la guía de ondas debe ser de 15 a 20 mm. Dado que el hueco es estrecho y largo, es preferible que tenga una longitud mayor. Nótese que las aberturas de las guías de ondas no sólo están formadas por los marcos de puertas y ventanas; Debe haber un cierto espesor de pliegues de borde en todas las ubicaciones de espacios no magnéticos para garantizar la longitud de la abertura de la guía de ondas. Para garantizar una evacuación segura en circunstancias especiales, los marcos de las puertas de la sala de protección deben reforzarse y las puertas de protección deben abrirse hacia afuera.

Aquí hay un ejemplo de diseño práctico:

Las dimensiones de la habitación son 5 m de largo, 4 m de ancho y 3,3 m de alto, con intensidades de campo magnético originales de x = 10 mGauss, y = 8 mGauss y z = 12 mGauss. El objetivo es diseñar un blindaje electromagnético de baja frecuencia que garantice que la intensidad del campo magnético en cualquier dirección dentro del recinto sea inferior a 2 mGauss. Ver Figura 3.

1. Seleccione placas comerciales de acero con bajo contenido de carbono con Φs=4000 y especificaciones de 1,22 mx 2,44 m.

2. Utilice la ecuación (5) para calcular el espesor de las placas de acero en las direcciones x, y y z:

Tomando μ como 3,8, sustituya la longitud, el ancho y la altura dados en L×W, correspondientes a las intensidades del campo magnético original en las direcciones x, y y z.

bx=3,8ã3,3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3,3m) 2×4000×2mGaussã

=3,43 mm

por=3,8ã3,3m×5m×(8mGauss -2mGauss)/(5m+3,3m) 2×4000×2mGaussã

=2,83 mm

bz=3.8ã5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGaussã

=5,28 mm (Si los largos y anchos son 10 my 6 m, respectivamente, el espesor calculado sería b=2280/56000=8,91 mm)

El espesor de todas las placas de acero debe ser de al menos 6 mm (para permitir variaciones ambientales del campo magnético, también se pueden usar de 8 a 10 mm) como una sola capa.

Todas las costuras de soldadura deben ser continuas y tratar de lograr una profundidad cercana al espesor del material base.

3. Tratamiento de apertura de guía de ondas

(Omitido. Consulte la sección sobre diseño de apertura del gabinete blindado).

Una vez finalizado, el recinto de blindaje fue probado y cumplió plenamente con los requisitos de diseño.

Nota: El blindaje magnético no puede mejorar los entornos de interferencia de CC. Cuando sea necesario mejorar los entornos de interferencia electromagnética de CC, se debe utilizar junto con desmagnetizadores que tengan capacidades de eliminación de CC.