Effets du blindage électromagnétique dans un environnement de laboratoire au microscope électronique (partie 1) : blindage électromagnétique basse fréquence en pratique

L'environnement d'un laboratoire de microscopie électronique n'a pas d'impact direct sur le microscope électronique lui-même mais affecte plutôt la qualité d'imagerie et les performances globales du microscope. Pendant le fonctionnement d'un microscope électronique, le faisceau d'électrons fin doit se déplacer dans un environnement de vide poussé, couvrant une distance de 0,7 mètre (pour le microscope électronique à balayagee) à plus de 2 mètres (pour Microscope Electronique à Transmissione). Tout au long du trajet, des facteurs externes tels que les champs magnétiques, les vibrations du sol, le bruit dans l'air et les flux d'air peuvent faire dévier le faisceau d'électrons de son trajet prévu, entraînant une dégradation de la qualité de l'imagerie. Par conséquent, des exigences spécifiques doivent être respectées pour l’environnement.

Comme on le sait, les ondes électromagnétiques sont constituées d’une alternance de champs magnétiques et électriques. Cependant, il est important de prendre en compte la fréquence lors de la mesure des ondes électromagnétiques à l’aide de champs magnétiques ou électriques. En pratique, il faut tenir compte de la fréquence.

À très basses fréquences (lorsque la fréquence tend vers zéro, ce qui équivaut à un champ magnétique continu), la composante magnétique de l'onde électromagnétique devient plus forte tandis que la composante électrique s'affaiblit. À mesure que la fréquence augmente, la composante électrique se renforce et la composante magnétique diminue. Il s’agit d’une transition progressive sans tournant distinct. Généralement, de zéro à quelques kilohertz, la composante du champ magnétique peut être bien caractérisée et des unités telles que Gauss ou Tesla sont utilisées pour mesurer l'intensité du champ. Au-dessus de 100 kHz, la composante du champ électrique est mieux mesurée et l'unité utilisée pour l'intensité du champ est le volt par mètre (V/m). Lorsqu’il s’agit d’un environnement électromagnétique basse fréquence avec une forte composante de champ magnétique, la réduction directe du champ magnétique est une approche efficace.

Ensuite, nous nous concentrerons sur l'application pratique du blindage d'un champ électromagnétique basse fréquence (0-300 Hz) avec une intensité de champ magnétique allant de 0,5 à 50 milligauss (crête à crête) dans un volume blindé de 40 à 120 mètres cubes . Compte tenu du rapport coût-efficacité, le matériau de blindage utilisé est généralement une tôle d'acier à faible teneur en carbone Q195 (anciennement connue sous le nom de A3).

Étant donné que la perte par courants de Foucault d'un seul matériau épais est supérieure à celle de plusieurs couches minces (avec la même épaisseur totale), les matériaux monocouches plus épais sont préférés, sauf exigences spécifiques. Établissons un modèle mathématique :

1. Dérivation de la formule

Étant donné que l'énergie des ondes électromagnétiques basse fréquence est principalement composée d'énergie de champ magnétique, nous pouvons utiliser des matériaux à haute perméabilité pour fournir des chemins de dérivation magnétiques afin de réduire la densité de flux magnétique à l'intérieur du volume de protection. En appliquant la méthode d'analyse des circuits de dérivation parallèles, nous pouvons dériver la formule de calcul pour le shuntage parallèle des chemins de flux magnétique.

Voici quelques définitions :

Ho :Intensité du champ magnétique externe

Salut : Intensité du champ magnétique à l'intérieur du volume de protection

Hs : Intensité du champ magnétique à l'intérieur du matériau de blindage

A : Zone à travers laquelle les lignes magnétiques traversent le blindage A = L × W

Φo : Perméabilité à l'air

Φs : Perméabilité du matériau de blindage

Ro : Résistance magnétique de l'espace interne du bouclier

Rs : Résistance magnétique du matériau de blindage

L : Longueur du volume de blindage

W : Largeur du volume de blindage

h : Hauteur du volume de blindage (c'est-à-dire longueur du canal magnétique)

b : Épaisseur du matériau de blindage

À partir du diagramme schématique (Figure 1), nous pouvons obtenir les équations suivantes :

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

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

À partir du schéma de circuit équivalent (Figure 2), nous pouvons obtenir l'équation suivante :

Rs = Salut × Ro / (Ho - Salut) (3)

En remplaçant les équations (1) et (2) dans l'équation (3) et en les réorganisant, nous obtenons la formule (4) pour calculer l'épaisseur b du matériau de blindage :

b = L × W × Φo × (Ho - Hi) / ((W + L) × 2Φs × Hi) (4)

Remarque :

Dans l'équation (4), la longueur du canal magnétique h est éliminée au cours du processus de simplification, et les unités physiques telles que Φo, Φs, Ho, Hi et autres sont également éliminées. Il suffit de s'assurer que les unités de longueur sont cohérentes.

D'après l'équation (4), on peut voir que l'efficacité du blindage est liée à la perméabilité et à l'épaisseur du matériau de blindage, ainsi qu'à la taille du volume de blindage. Une perméabilité plus élevée et un matériau de blindage plus épais entraînent une résistance magnétique plus faible et des pertes par courants de Foucault plus élevées, conduisant à une meilleure efficacité du blindage. Lorsque la perméabilité et l'épaisseur sont identiques, un volume de blindage plus important entraînera de moins bonnes performances de blindage.

2. Validation de la formule

On peut utiliser l'équation (4) Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 pour calculer l'épaisseur du matériau de blindage et comparer les résultats calculés avec les données expérimentales (dont la collecte a pris plusieurs mois) :

Tableau 1

Remarque :

1. L'intensité du champ magnétique externe est comprise entre 5 et 20 milligauss (crête à crête).

2. Les valeurs mesurées sont obtenues en convertissant plusieurs tests dans différentes conditions. Étant donné que les conditions de test pour chaque mesure ne sont pas les mêmes, les valeurs présentées représentent des mesures moyennes approximatives.

En réalité, en raison de divers facteurs, il est assez difficile d'établir un modèle mathématique simple pour analyser et calculer l'efficacité du blindage électromagnétique basse fréquence. Les écarts significatifs entre les résultats calculés et les données expérimentales peuvent être attribués aux raisons suivantes.

Premièrement,la relation fonctionnelle dans le circuit shunt parallèle est linéaire, tandis que dans les circuits magnétiques, la perméabilité, la densité de flux magnétique et les pertes par courants de Foucault ne présentent pas de relations linéaires. De nombreux paramètres sont des fonctions non linéaires les uns des autres (bien qu'ils puissent présenter une bonne linéarité dans certaines plages). Lors de la dérivation du mécanisme de dérivation parallèle dans les circuits magnétiques, certains paramètres ont été omis, des approximations ont été faites et les conditions ont été simplifiées pour éviter des calculs complexes, linéarisant le circuit magnétique. Ces facteurs sont les principales raisons des différences de précision entre les calculs et les expériences.

Deuxièmement,Les spécifications commerciales des tôles d'acier à faible teneur en carbone mesurent généralement 1,22 m × 2,44 m. En prenant comme exemple une pièce de 5 m × 4 m × 3 m, même avec un soudage complet, il y aurait toujours plus de 50 soudures et l'épaisseur des soudures est souvent inférieure à celle de la plaque d'acier. De plus, il peut y avoir des ouvertures et des espaces dans le matériau de blindage, entraînant une augmentation globale de la résistance magnétique et une diminution de la perméabilité. Par conséquent, la formule de calcul du blindage magnétique dérivé du circuit de dérivation parallèle doit être modifiée pour se rapprocher des conditions réelles.

3. Formule de calcul modifiée

Sur la base de l'équation (4), nous introduisons un coefficient de correction μ et considérons que la perméabilité à l'air est d'environ 1. L'équation modifiée pour calculer l'épaisseur b du matériau de blindage est la suivante (équation 5) :

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

La valeur de µ est choisie entre 3,2 et 4,0. Une valeur plus petite est préférable pour les petits volumes de protection et les niveaux de processus plus élevés, tandis qu'une valeur plus élevée est préférable pour les volumes de protection plus importants. En utilisant l'équation (5) avec μ = 3,4, les résultats calculés sont comparés aux données expérimentales (voir tableau 2), montrant un accord significativement amélioré.

Tableau 2

Remarque : Les autres conditions restent les mêmes que dans le tableau 1.

Il convient de noter que plusieurs données de tests confirment la forte concordance entre les résultats obtenus à partir de l'équation (5) et diverses mesures sur site. Il y a cependant eu des cas isolés présentant des écarts significatifs. Ces cas peuvent être attribués à des problèmes de construction.

Voici plusieurs situations qui peuvent survenir pendant la construction :

1. Plaques d'acier minces utilisées dans des zones individuelles (telles que les portes).

2. Soudage discontinu ou grands espaces dans les joints soudés.

3. Profondeur insuffisante des soudures, entraînant une diminution de la perméabilité aux emplacements des soudures et de multiples « goulots d'étranglement ».

4. Ouvertures plus grandes dans les zones blindées et traitement inapproprié des ouvertures des guides d'ondes.

5. Raccourcissement arbitraire de la longueur du guide d’ondes ou traitement de qualité inférieure.

6. Épaisseur de paroi insuffisante du guide d'ondes.

7. Plusieurs points de mise à la terre dans le matériau de blindage entraînent une distribution de courant non uniforme.

8. Connexion du matériau de blindage au fil neutre de l'alimentation.

Même un petit oubli peut entraîner une dégradation importante de l'efficacité,la capacité d'un seau dépend de la pièce de bois la plus courte. Pour des projets cachés comme celui-ci, la qualité est souvent assurée par le savoir-faire. Par conséquent, il est important de prêter une attention particulière à la sélection d’une entreprise de construction fiable, en respectant strictement les exigences et le processus de conception, en renforçant la supervision de la construction sur site et en mettant en œuvre des inspections progressives.

Conception de l'ouverture du boîtier de blindage :

Lors de la conception d’un boîtier de blindage, on sera inévitablement confronté au problème des ouvertures. Les méthodes théoriques couramment utilisées pour la conception d’ouvertures sont difficiles à appliquer directement à la conception de blindages magnétiques basse fréquence. Ici, nous discuterons de l'exemple de conception de blindage d'une pièce.

1. Petites ouvertures : Dans les pièces équipées de petits appareils blindés, il y a généralement des besoins en matière d'alimentation électrique, d'alimentation en énergie et d'eau de refroidissement. Ces installations auxiliaires sont pour la plupart situées à l’extérieur de l’enceinte de blindage et sont reliées par des conduites d’eau, des conduites d’air et des câbles. Ces canalisations et câbles peuvent être convenablement centralisés et passés à travers l'enceinte de blindage à l'aide d'un ou plusieurs petits trous. Ces trous, constitués du même matériau que l'enceinte de blindage, sont appelés « ouvertures de guide d'ondes ». Le rapport longueur/diamètre des ouvertures du guide d'ondes est généralement considéré comme étant d'au moins 3-4:1 (si les conditions sur site le permettent, il est préférable d'opter pour une longueur plus longue). Par exemple, si le diamètre d'un petit trou est de 80 mm, la longueur doit être d'au moins 240 à 320 mm.

2. Ouvertures de taille moyenne : Les ouvertures de ventilation pour la climatisation et les ouvertures d'échappement pour les ventilateurs ont généralement un diamètre (ou une longueur de côté pour les carrés ou les rectangles) d'environ 400 à 600 mm. Le calcul de la longueur d'une ouverture de guide d'ondes sur la base de ces dimensions donnerait des longueurs de 1 200 à 2 400 mm, ce qui n'est pas réalisable dans la construction pratique. Dans ce cas, l’ouverture originale peut être divisée en plusieurs ouvertures plus petites de même taille à l’aide d’une grille. Par exemple, si une entrée d'air de 400 × 400 mm est divisée en neuf grilles de taille égale, la longueur serait réduite de 1 200 à 1 600 mm à 400 à 530 mm (l'augmentation de la résistance au flux d'air due aux grilles est négligeable).

Lors de la conception et de la fabrication, faites attention aux points suivants :

- Le matériau des grilles doit être le même que celui de l'enceinte de blindage, et l'épaisseur du matériau ne doit pas être arbitrairement réduite.

- La section transversale des grilles doit être aussi carrée que possible.

- Essayez de réduire le nombre de grilles autant que possible, dans des longueurs acceptables, pour réduire les difficultés de traitement et la résistance au flux d'air.

- Assurer une soudure continue à tous les emplacements des grilles pour éviter une augmentation de la résistance magnétique.

- Augmenter la perméabilité magnétique en ajoutant des plaques d'acier au silicium aux jonctions des grilles.

3. Grandes ouvertures fermables :Les portes et fenêtres d’une pièce ont généralement des ouvertures mesurant 1 m × 2 m ou même plus. Dans ce cas, les ouvertures des guides d'ondes doivent être conçues en fonction des espaces non magnétiques lorsque les portes et fenêtres sont fermées (constituées du même matériau que l'enceinte de blindage). En supposant un espace non magnétique de 5 mm (ce qui n'est pas techniquement difficile et des plis de bord supplémentaires peuvent être ajoutés dans les zones difficiles à manipuler), la longueur de l'ouverture du guide d'ondes doit être de 15 à 20 mm. Etant donné que l'écart est étroit et long, il est préférable d'avoir une longueur plus importante. A noter que les ouvertures des guides d'ondes ne sont pas uniquement formées par les encadrements de portes et fenêtres ; il doit y avoir une certaine épaisseur de plis de bord à tous les emplacements d'espace non magnétique pour garantir la longueur de l'ouverture du guide d'ondes. Pour garantir une évacuation sûre dans des circonstances particulières, les cadres de porte de la salle de protection doivent être renforcés et les portes de protection doivent s'ouvrir vers l'extérieur.

Voici un exemple de conception pratique :

Les dimensions de la pièce sont de 5 m de longueur, 4 m de largeur et 3,3 m de hauteur, avec des intensités de champ magnétique d'origine de x=10 mGauss, y=8 mGauss et z=12 mGauss. L'objectif est de concevoir un blindage électromagnétique basse fréquence qui garantit que l'intensité du champ magnétique dans toutes les directions à l'intérieur du boîtier est inférieure à 2 mGauss. Voir la figure 3.

1. Sélectionnez des plaques d'acier commerciales à faible teneur en carbone avec Φs = 4 000 et des spécifications de 1,22 m × 2,44 m.

2. Utilisez l'équation (5) pour calculer l'épaisseur des plaques d'acier dans les directions x, y et z :

En prenant μ comme 3,8, remplacez la longueur, la largeur et la hauteur données par L×W, correspondant aux intensités du champ magnétique d'origine dans les directions x, y et z.

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

=3,43mm

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

=2,83mm

bz=3,8ã5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGaussã

=5,28 mm (Si les longueurs et les largeurs sont respectivement de 10 m et 6 m, l'épaisseur calculée serait b=2 280/56000=8,91 mm)

L'épaisseur de toutes les plaques d'acier doit être d'au moins 6 mm (pour tenir compte des variations du champ magnétique environnemental, 8 à 10 mm peuvent également être utilisées) en une seule couche.

Tous les cordons de soudure doivent être continus et essayer d'atteindre une profondeur proche de l'épaisseur du matériau de base.

3. Traitement d'ouverture du guide d'ondes

(Omis. Voir la section sur la conception de l'ouverture du boîtier de blindage).

Une fois terminé, le boîtier de blindage a été testé et répondait pleinement aux exigences de conception.

Remarque : Le blindage magnétique ne peut pas améliorer les environnements d'interférence CC. Lorsqu'il est nécessaire d'améliorer les environnements d'interférence électromagnétique CC, il doit être utilisé conjointement avec des démagnétiseurs dotés de capacités d'élimination du courant continu.