Efectos del blindaje electromagnético en el entorno del laboratorio de microscopía electrónica (Parte 4): mejora del entorno de vibración de baja frecuencia

Primero, analicemos las causas de las vibraciones de baja frecuencia.

Pruebas repetidas han demostrado que las vibraciones de baja frecuencia son causadas principalmente por las resonancias del edificio. Las especificaciones de construcción para edificios industriales y civiles son generalmente similares en términos de altura de piso, canto, luz, secciones de vigas y columnas, paredes, vigas de piso, losas de balsa, etc. Aunque puede haber algunas diferencias, particularmente en lo que respecta a las resonancias de baja frecuencia, Se pueden identificar características comunes.

A continuación se muestran algunos patrones observados en las vibraciones de los edificios:

1. Los edificios con plantas lineales o puntiformes tienden a exhibir resonancias de baja frecuencia más grandes, mientras que aquellos con otras formas como T, H, L, S o U tienen resonancias más pequeñas.

2. En edificios con plantas lineales, las vibraciones a lo largo del eje largo suelen ser más pronunciadas que las del eje corto.

3. En un mismo edificio, el primer piso sin sótano suele ser el que sufre las vibraciones más pequeñas. A medida que aumenta la altura del suelo, las vibraciones empeoran. Las vibraciones en el primer piso de un edificio con sótano son similares a las del segundo piso, y las vibraciones más bajas generalmente se observan en el nivel más bajo del sótano.

4. Las vibraciones verticales son generalmente mayores que las vibraciones horizontales y son independientes del nivel del suelo.

5. Las losas de piso más gruesas dan como resultado menores diferencias entre las vibraciones verticales y horizontales. En la mayoría de los casos, las vibraciones verticales son mayores que las vibraciones horizontales.

6. A menos que exista una fuente de vibración importante, las vibraciones dentro del mismo piso de un edificio son generalmente consistentes. Esto se aplica a ubicaciones en el medio de una habitación, así como a aquellas cercanas a paredes, columnas o vigas elevadas. Sin embargo, incluso si las mediciones se toman en el mismo lugar sin ningún movimiento y con un intervalo de unos pocos minutos, es probable que los valores difieran.

Ahora que conocemos las fuentes y las características de las vibraciones de baja frecuencia, podemos tomar medidas de mejora específicas y realizar evaluaciones avanzadas de las condiciones de vibración en determinados entornos.

Mejorar las vibraciones de baja frecuencia puede resultar costoso y, en ocasiones, no es factible debido a limitaciones ambientales. Por lo tanto, en aplicaciones prácticas, suele ser ventajoso elegir o reubicarse en un mejor sitio para operar un laboratorio de microscopio electrónico.

A continuación, analicemos el impacto de las vibraciones de baja frecuencia y las posibles soluciones.

Las vibraciones por debajo de 20 Hz tienen un efecto perturbador significativo en los microscopios electrónicos, como se muestra en las siguientes figuras.

Imagen 1

Imagen 2

La imagen 1 y la imagen 2 fueron tomadas por el mismo Senvasado Eelectrón Mmicroscopio (ambos a 300 kx aumento). Sin embargo, debido a la presencia de interferencias de vibración, la Imagen 1 tiene irregularidades notables en la dirección horizontal (en segmentos) y la claridad y resolución de la imagen se reducen significativamente. Imagen 2es el resultado obtenido de la misma muestra después de eliminar la interferencia de vibraciones.

Si los resultados de la prueba indican que el lugar donde se instalará el microscopio tiene vibraciones excesivas, se deben tomar las medidas adecuadas; de lo contrario, el fabricante del microscopio no puede garantizar que el rendimiento del microscopio después de la instalación pueda cumplir con los estándares de diseño óptimos. Generalmente, se pueden elegir varios métodos para mejorar o resolver el problema, como usar una Antivibración Base, Plataforma de aislamiento de vibración pasiva, o Plataforma de aislamiento de vibración activa.

Unan Antivibración Cimentación requiere construcción en el sitio y se deben tomar medidas especiales (como tener una capa de amortiguación elástica en el fondo y zonas aledañas). Los métodos de construcción convencionales pueden aumentar potencialmente las vibraciones de baja frecuencia (por debajo de 20 Hz). El proceso de construcción que implica la entrada y salida de una gran cantidad de materiales de construcción puede inevitablemente afectar el medio ambiente circundante. Un diagrama esquemático de un antivibración Base se puede ver en la Imagen3.

Imagen3

Una plataforma de aislamiento de vibraciones de hormigón con una masa de alrededor de 50 toneladas generalmente logra un efecto de reducción de vibraciones de -2 a -10 dB en frecuencias superiores a 2 Hz. Cuanto mayor sea la masa de la plataforma de aislamiento de vibraciones de hormigón, mejor será la reducción de vibraciones. Si las condiciones lo permiten, debe hacerse lo más grande posible.

Según múltiples pruebas realizadas en diferentes ubicaciones, las plataformas de aislamiento de vibraciones que pesan menos de 5 toneladas exhiben resonancia en el rango de baja frecuencia de 1 a 10 Hz, lo que aumenta la vibración. Los que pesan menos de 20 toneladas son ineficaces y el alcance efectivo comienza en más de 30 toneladas. No se dispone de datos para 30-40 toneladas, por lo que se aconseja evitar pesos inferiores a 50 toneladas. Una universidad de Pekín ha conseguido buenos resultados con una plataforma de aislamiento de vibraciones que pesa entre 100 y 200 toneladas. En un instituto de investigación en Chongqing, el hormigón molido se vertió directamente sobre rocas masivas, lo que resultó en una vibración mínima.

Entre los amortiguadores de vibraciones pasivos, las opciones comúnmente utilizadas como caucho, resortes de acero y resortes neumáticos (cilindros) brindan un rendimiento deficiente en el rango de baja frecuencia por debajo de 20 Hz. A menudo amplifican las vibraciones debidas a la resonancia, por lo que no se consideran adecuados.

Solo los amortiguadores magnéticos muestran un rendimiento aceptable de baja frecuencia, pero su rendimiento sigue siendo muy inferior al de los amortiguadores activos (similar al efecto de reducción de vibraciones de las plataformas de aislamiento de vibraciones de hormigón). La Figura 4 compara la eficacia de varios métodos.

Figura 4

Tras una observación cuidadosa de la Figura 4, podemos sacar las siguientes conclusiones:

1. La frecuencia de resonancia (f_h) del resorte de acero al carbono es de aproximadamente 50 Hz. No proporciona ningún efecto de amortiguación por debajo de 70 Hz y, de hecho, amplifica la vibración debida a la resonancia. La almohadilla de goma tiene un f_h de aproximadamente 25 Hz y no proporciona ningún efecto de amortiguación por debajo de 35 Hz, amplificando también la vibración debido a la resonancia.

2. Los amortiguadores de hormigón con una capacidad inferior a 5 toneladas exhiben resonancia por debajo de 10 Hz y, a menudo, son menos efectivos que no utilizar ningún amortiguador.

3. Las cámaras de aire tienen una f_h de aproximadamente 15 Hz, lo que proporciona una buena amortiguación por encima de 25 Hz y una excelente amortiguación por encima de 40 Hz. Se utilizan ampliamente para el aislamiento de vibraciones en equipos de precisión, como plataformas ópticas. Sin embargo, exhiben una resonancia significativa por debajo de 20 Hz, lo que los hace inadecuados para microscopios electrónicos de amortiguación (aunque algunos microscopios electrónicos utilizan resortes neumáticos como último recurso).

4. Los amortiguadores magnéticos proporcionan una amortiguación satisfactoria de baja frecuencia y se pueden utilizar cuando no se imponen requisitos estrictos.

5. Varios amortiguadores activos consiguen excelentes efectos de amortiguación. Sus frecuencias de resonancia pueden estar por debajo de 1 Hz y pueden proporcionar una amortiguación de hasta -10 a -22 dB en el rango de 2 a 10 Hz, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren una amortiguación efectiva en el rango de baja frecuencia.

En general, se considera que las vibraciones por debajo de 20 Hz tienen un impacto significativo en los microscopios electrónicos y son difíciles de mitigar. Dado que la mayoría de las personas no pueden percibir vibraciones por debajo de 20 Hz, a menudo se lleva a la idea errónea de que no hay vibración cuando hay vibraciones significativas de baja frecuencia presentes.

Los amortiguadores pasivos utilizan las propiedades físicas de los dispositivos de amortiguación, como su masa y sus características inherentes de transmisión de vibraciones, para aislar y atenuar las vibraciones externas que afectan al microscopio electrónico. Se puede hacer referencia al principio de funcionamiento de los amortiguadores pasivos en Figura 5.

Figura 5

El principio de funcionamiento de los amortiguadores activos es significativamente diferente al de los amortiguadores pasivos. Varios tipos de amortiguadores activos tienen principios de funcionamiento similares, que implican un sensor tridimensional que detecta vibraciones externas en tres direcciones. El sensor envía la información a un controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo), que genera señales de control con igual amplitud pero de fase opuesta. Estas señales de control luego son utilizadas por un actuador para generar vibraciones internas con igual amplitud y fases opuestas para contrarrestar o reducir las vibraciones externas. Se puede hacer referencia al principio de funcionamiento de los amortiguadores activos como se muestra en Figura 6.

Figura 6

Los amortiguadores activos comúnmente utilizados incluyen amortiguadores cerámicos piezoeléctricos, amortiguadores neumáticos y amortiguadores electromagnéticos. Sus diferencias radican principalmente en el mecanismo de actuación, mientras que los detectores 3D y los controladores PID son relativamente similares.

Piezoeléctrico Cerámico Damperios:

Utilizan el efecto piezoeléctrico del material cerámico para generar vibraciones internas tridimensionales con igual amplitud y fase opuesta.

Neumático Damperios:

Controladas por un controlador PID, las válvulas de entrada y salida modulan el aire comprimido continuo en un cilindro especial para generar vibraciones internas tridimensionales con igual amplitud y fase opuesta.

Electromagnético Damperios:

El controlador PID controla tres conjuntos de bobinas electromagnéticas para generar vibraciones internas tridimensionales con igual amplitud y fase opuesta.

Los amortiguadores activos pueden lograr efectos de reducción de la vibración de aproximadamente -22 a -28 dB por encima de 20 Hz (aunque ha habido afirmaciones de que alcanzan -38 dB, en su mayoría no tienen fundamento).

Los diferentes tipos de amortiguadores activos también tienen diferencias de precio significativas. Generalmente, los amortiguadores se preparan antes de instalar el microscopio electrónico y se instalan simultáneamente con el microscopio.

Además, en condiciones específicas, una zanja de aislamiento de vibraciones también puede lograr buenos efectos de amortiguación.

La Figura 7 representa una situación en la que se encuentra la zanja de aislamiento de vibraciones.

Figura 7

Figura 8

La Figura 8 representa un escenario ineficaz para una zanja vibratoria.

En general, cuanto más profunda sea la zanja vibratoria, mejor será el efecto de amortiguación (el ancho de la zanja tiene poco impacto en el efecto de amortiguación). A continuación se muestra una comparación de varios métodos de amortiguación comunes: