Effets du blindage électromagnétique dans un environnement de laboratoire de microscopie électronique (partie 3) : comparaison de plusieurs méthodes pour améliorer l'environnement électromagnétique

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 Sconserve Electron Microscope) à plus de 2 mètres (pour Ttransmission Electron Microscope). 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’image. Par conséquent, des exigences spécifiques doivent être respectées pour l’environnement.

Le blindage électromagnétique passif basse fréquence implique principalement deux méthodes, qui diffèrent par le matériau de blindage utilisé : une méthode utilise des matériaux à haute perméabilité (tels que l'acier, l'acier au silicium et les alliages mu-métalliques), et l'autre méthode utilise des matériaux à haute conductivité(comme le cuivre et l'aluminium). Bien que les principes de fonctionnement de ces deux méthodes soient différents, elles permettent toutes deux de réduire efficacement les champs magnétiques environnementaux.

A. La méthode des matériaux à haute perméabilité, également connue sous le nom de méthode de dérivation de circuit magnétique, fonctionne en enfermant un espace fini (région A) avec des matériaux à haute perméabilité. Lorsque l'intensité du champ magnétique environnemental est Ho, la réluctance magnétique du matériau à haute perméabilité est beaucoup plus petite que celle de l'air (l'acier Q195 commun a une perméabilité de 4 000, l'acier au silicium varie de 8 000 à 12 000, les alliages mu-métalliques ont une perméabilité de 24 000, tandis que l'air a une valeur approximative de 1). En appliquant la loi d'Ohm, lorsque Rs est beaucoup plus petit que Ro, l'intensité du champ magnétique dans l'espace clos (région A) diminue jusqu'à Hi, réalisant la démagnétisation (voir Figure 1 et Figure 2, où Ri représente la réticence de l'air dans l'espace A, et Rs représente la réticence du matériau de blindage). À l'intérieur du matériau de protection, les domaines magnétiques subissent des vibrations et dissipent l'énergie magnétique sous forme de chaleur sous l'action du champ magnétique.

Étant donné que l'acier au silicium et les alliages mu-métalliques présentent une anisotropie en termes de perméabilité et ne peuvent pas être martelés, pliés ou soudés pendant la construction (bien qu'en théorie, le traitement thermique puisse améliorer ces propriétés, il n'est pas pratique pour les gros produits fixes), leurs performances effectives sont considérablement réduit. Cependant, ils peuvent toujours être utilisés à des fins supplémentaires ou de renforcement dans certaines zones spéciales sans martelage, pliage ou soudage.

Les matériaux à haute perméabilité sont coûteux, ils ne sont donc généralement pas largement utilisés dans le blindage des microscopes électroniques et ne sont visibles que dans quelques zones spécifiques (telles que les interstices des portes, les ouvertures des guides d'ondes, etc.).

L'efficacité de la méthode de dérivation du circuit magnétique est à peu près linéairement liée à l'épaisseur du matériau de blindage, qui peut théoriquement être infiniment mince.

B. La méthode des matériaux à haute conductivité, également connue sous le nom de méthode du champ magnétique induit, fonctionne en enfermant un espace fini avec des matériaux à haute conductivité. Le champ magnétique environnemental agit sur le matériau de blindage via sa composante de champ électrique, induisant une force électromotrice, qui à son tour génère un courant induit et un champ magnétique induit. Basé sur les principes fondamentaux de l'électromagnétique, ce champ magnétique induit est de magnitude égale (légèrement plus petite en raison de la résistance) et de direction opposée au champ magnétique d'origine (avec un léger décalage de phase). Ainsi, le champ magnétique dans l’espace fini est contrecarré et affaibli, réalisant la démagnétisation.

Une compréhension plus approfondie de la méthode du champ magnétique induit peut être obtenue en considérant le fonctionnement d'un moteur à induction triphasé, qui donne un aperçu des principes de fonctionnement des champs magnétiques induits. Il est important de noter qu'un moteur asynchrone à cage d'écureuil ne peut pas atteindre le champ magnétique rotatif (50 Hz × 60 s = 3 000 tr/min) car les barres de la cage d'écureuil ne peuvent pas couper les lignes magnétiques, empêchant ainsi la génération de courants induits, de champs magnétiques induits et de force motrice. .

L'efficacité de la méthode du champ magnétique induit est indépendante de l'épaisseur du matériau de blindage dans une certaine plage.

C. Caractéristiques communes des deux méthodes : Un soudage à pénétration totale est requis et la hauteur du cordon de soudure ne doit pas être inférieure à l'épaisseur du matériau de protection. Il faut prêter attention à la conception des ouvertures à différentes échelles et des ports de guide d'ondes. Le succès de la conception/production affectera grandement l'efficacité du blindage (en appliquant la théorie du « maillon faible » au blindage). Il est également important de noter que la vibration du microscope électronique dans la salle de blindage ne doit pas dépasser celle de l'environnement (il y a eu des cas où le champ magnétique a réussi l'inspection mais la vibration a augmenté par rapport à l'original, provoquant une non-conformité). ).

D'après leurs principes de fonctionnement de base, il est évident que la méthode de dérivation du circuit magnétique et la méthode du champ magnétique induit sont inefficaces pour les champs CC. Ils sont également généralement inefficaces pour les champs proches du courant continu (dans de tels cas, un démagnétiseur actif est nécessaire pour améliorer les interférences électromagnétiques proches du courant continu).

Aï¼Comparez les deux méthodes dans un tableau :

Après une analyse minutieuse, la méthode de dérivation du circuit magnétique est plus avantageuse. Le démagnétiseur passif basse fréquence présente des avantages tels qu'une petite taille, un poids léger, un faible coût, aucun impact sur l'environnement et la possibilité d'une installation après achat.

Cependant, un point important à noter est que le blindage magnétique est souvent un projet « confié », ce qui signifie qu'il comprend souvent les systèmes électriques, d'eau, de climatisation, d'éclairage et de réseau, ainsi que la surveillance, pendant le processus de construction. Par conséquent, s’il y a un besoin de rénovation, il offre un rapport coût-performance plus élevé.

Dans l'ensemble, le blindage magnétique passif est plus efficace que les démagnétiseurs, mais pour les raisons susmentionnées, les démagnétiseurs peuvent encore être la seule option dans certains environnements.

Pour le microscope électronique à balayage, la différence entre ces méthodes n'est pas significative. Cependant, pour le microscope électronique à transmission, il est recommandé d'utiliser autant que possible un blindage magnétique, car les exigences en matière de champs magnétiques sont généralement plus élevées que celles du microscope électronique à balayage.