Effets du blindage électromagnétique dans un environnement de laboratoire de microscopie électronique (partie 4) : amélioration de l'environnement de vibration basse fréquence

Tout d’abord, discutons des causes des vibrations basse fréquence.

Des tests répétés ont montré que les vibrations basse fréquence sont principalement causées par les résonances du bâtiment. Les spécifications de construction des bâtiments industriels et civils sont généralement similaires en termes de hauteur de plancher, de profondeur, de portée, de sections de poutres et de colonnes, de murs, de poutres de plancher, de dalles de radier, etc. Bien qu'il puisse y avoir quelques différences, notamment en ce qui concerne les résonances basse fréquence, des caractéristiques communes peuvent être identifiées.

Voici quelques modèles observés dans les vibrations des bâtiments :

1. Les bâtiments ayant des plans d'étage linéaires ou en forme de points ont tendance à présenter des résonances basse fréquence plus importantes, tandis que ceux ayant d'autres formes telles que T, H, L, S ou U ont des résonances plus petites.

2. Dans les bâtiments aux plans d'étage linéaires, les vibrations le long du grand axe sont souvent plus prononcées que celles le long du petit axe.

3. Dans un même immeuble, c’est généralement le premier étage sans sous-sol qui subit les plus petites vibrations. Plus la hauteur du sol augmente, plus les vibrations s’aggravent. Les vibrations au premier étage d'un immeuble avec sous-sol sont similaires à celles du deuxième étage, et les vibrations les plus faibles sont généralement observées au niveau le plus bas du sous-sol.

4. Les vibrations verticales sont généralement plus importantes que les vibrations horizontales et sont indépendantes du niveau du sol.

5. Des dalles de plancher plus épaisses entraînent des différences plus faibles entre les vibrations verticales et horizontales. Dans la majorité des cas, les vibrations verticales sont plus importantes que les vibrations horizontales.

6. À moins qu’il n’y ait une source de vibration importante, les vibrations au sein d’un même étage d’un bâtiment sont généralement constantes. Cela s'applique aux emplacements situés au milieu d'une pièce ainsi qu'à ceux situés à proximité de murs, de colonnes ou de poutres suspendues. Cependant, même si les mesures sont prises au même endroit, sans aucun mouvement et à quelques minutes d’intervalle, les valeurs sont susceptibles de différer.

Maintenant que nous connaissons les sources et les caractéristiques des vibrations basse fréquence, nous pouvons prendre des mesures d'amélioration ciblées et réaliser des évaluations avancées des conditions vibratoires dans certains environnements.

L'amélioration des vibrations basse fréquence peut être coûteuse et parfois impossible en raison de contraintes environnementales. Ainsi, dans les applications pratiques, il est souvent avantageux de choisir ou de déménager vers un meilleur site pour exploiter un laboratoire de microscope électronique.

Discutons ensuite de l'impact des vibrations basse fréquence et des solutions potentielles.

Les vibrations inférieures à 20 Hz ont un effet perturbateur important sur les microscopes électroniques, comme le montrent les figures suivantes.

Image 1

Image 2

L'image 1 et l'image 2 ont été prises par le même Scanning Electron Microscope (tous deux à 300 kx grossissement). Cependant, en raison de la présence d'interférences vibratoires, image 1 présente des irrégularités notables dans la direction horizontale (en segments), et la clarté et la résolution de l'image sont considérablement réduites. Image 2est le résultat obtenu à partir du même échantillon après élimination des interférences vibratoires.

Si les résultats des tests indiquent que l'emplacement où le microscope doit être installé présente des vibrations excessives, des mesures appropriées doivent être prises ; sinon, le fabricant du microscope ne peut pas garantir que les performances du microscope après l'installation peuvent répondre aux normes de conception optimales. En règle générale, plusieurs méthodes peuvent être choisies pour améliorer ou résoudre le problème, comme l'utilisation d'une plate-forme anti-vibration fondation, plate-forme d'isolation passive des vibrations. ou Plate-forme d'isolation active des vibrations.

An Anti-vibration Fondation nécessite une construction sur site et des mesures spéciales doivent être prises (telles qu'une couche de coussin élastique en bas et aux alentours). Les méthodes de construction conventionnelles peuvent potentiellement augmenter les vibrations basse fréquence (inférieures à 20 Hz). Le processus de construction impliquant une grande quantité de matériaux de construction entrant et sortant peut inévitablement affecter l'environnement. Un diagramme schématique d'un un anti-vibration Fondation peut être vu dans Image3.

Image3

Une plate-forme d'isolation vibratoire en béton d'une masse d'environ 50 tonnes permet généralement d'obtenir un effet de réduction des vibrations de -2 à -10 dB à des fréquences supérieures à 2 Hz. Plus la masse de la plate-forme d'isolation des vibrations en béton est grande, meilleure est la réduction des vibrations. Si les conditions le permettent, il doit être aussi grand que possible.

D'après plusieurs tests effectués dans différents endroits, les plates-formes d'isolation des vibrations pesant moins de 5 tonnes présentent une résonance dans la plage des basses fréquences de 1 à 10 Hz, ce qui augmente les vibrations. Ceux qui pèsent moins de 20 tonnes sont inefficaces et la portée effective commence à plus de 30 tonnes. Aucune donnée n'est disponible pour 30 à 40 tonnes, il est donc conseillé d'éviter les poids inférieurs à 50 tonnes. Une université de Pékin a obtenu de bons résultats avec une plate-forme d'isolation contre les vibrations pesant environ 100 à 200 tonnes. Dans un institut de recherche de Chongqing, le béton broyé était directement coulé sur des roches massives, ce qui entraînait un minimum de vibrations.

Parmi les amortisseurs de vibrations passifs, les options couramment utilisées telles que le caoutchouc, les ressorts en acier et les ressorts pneumatiques (cylindres) offrent de mauvaises performances dans la plage des basses fréquences inférieures à 20 Hz. Ils amplifient souvent les vibrations dues à la résonance et ne sont donc pas considérés comme appropriés.

Seuls les amortisseurs magnétiques présentent des performances basse fréquence acceptables, mais leurs performances sont encore bien inférieures à celles des amortisseurs actifs (similaires à l'effet de réduction des vibrations des plates-formes d'isolation des vibrations en béton). La figure 4 compare l'efficacité de plusieurs méthodes.

Figure 4

Après une observation attentive de la figure 4, nous pouvons tirer les conclusions suivantes :

1. La fréquence de résonance (f_h) du ressort en acier au carbone est d'environ 50 Hz. Il n’a aucun effet d’amortissement en dessous de 70 Hz et amplifie en fait les vibrations dues à la résonance. Le coussinet en caoutchouc a un f_h d'environ 25 Hz et ne fournit aucun effet d'amortissement en dessous de 35 Hz, amplifiant également les vibrations dues à la résonance.

2. Les amortisseurs en béton d'une capacité inférieure à 5 tonnes présentent une résonance inférieure à 10 Hz et sont souvent moins efficaces que de ne pas utiliser d'amortisseur du tout.

3. Les ressorts pneumatiques ont un f_h d'environ 15 Hz, offrant un bon amortissement au-dessus de 25 Hz et un excellent amortissement au-dessus de 40 Hz. Ils sont largement utilisés pour l’isolation des vibrations dans les équipements de précision tels que les plates-formes optiques. Cependant, ils présentent une résonance significative en dessous de 20 Hz, ce qui les rend impropres à l'amortissement des microscopes électroniques (bien que certains microscopes électroniques utilisent des ressorts pneumatiques en dernier recours).

4. Les amortisseurs magnétiques assurent un amortissement satisfaisant des basses fréquences et peuvent être utilisés lorsque des exigences strictes ne sont pas imposées.

5. Divers amortisseurs actifs permettent d'obtenir d'excellents effets d'amortissement. Leurs fréquences de résonance peuvent être inférieures à 1 Hz et ils peuvent fournir un amortissement allant jusqu'à -10 à -22 dB dans la plage de 2 à 10 Hz, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant un amortissement efficace dans la plage des basses fréquences.

En général, les vibrations inférieures à 20 Hz sont considérées comme ayant un impact significatif sur les microscopes électroniques et sont difficiles à atténuer. Étant donné que la plupart des gens ne peuvent pas percevoir les vibrations inférieures à 20 Hz, cela conduit souvent à une idée fausse selon laquelle il n'y a pas de vibration lorsque d'importantes vibrations basse fréquence sont présentes.

Les amortisseurs passifs utilisent les propriétés physiques des dispositifs d'amortissement, telles que leur masse et leurs caractéristiques inhérentes de transmission des vibrations, pour isoler et atténuer les vibrations externes affectant le microscope électronique. Le principe de fonctionnement des amortisseurs passifs peut être référencé dans Figure 5.

Figure 5

Le principe de fonctionnement des amortisseurs actifs est très différent de celui des amortisseurs passifs. Différents types d'amortisseurs actifs ont des principes de fonctionnement similaires, qui impliquent un capteur tridimensionnel détectant les vibrations externes dans trois directions. Le capteur envoie les informations à un contrôleur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé), qui génère des signaux de contrôle d'amplitude égale mais de phase opposée. Ces signaux de commande sont ensuite utilisés par un actionneur pour générer des vibrations internes d'amplitude égale et de phases opposées afin de contrecarrer ou de réduire les vibrations externes. Le principe de fonctionnement des amortisseurs actifs peut être décrit comme illustré dans Figure 6.

Figure 6

Les amortisseurs actifs couramment utilisés comprennent les amortisseurs piézoélectriques en céramique, les amortisseurs pneumatiques et les amortisseurs électromagnétiques. Leurs différences résident principalement dans le mécanisme d'actionnement, tandis que les détecteurs 3D et les contrôleurs PID sont relativement similaires.

Piézoélectrique Ccéramique Dampères :

Ils utilisent l'effet piézoélectrique du matériau céramique pour générer des vibrations internes tridimensionnelles d'amplitude égale et de phase opposée.

Pneumatiques Dampères :

Contrôlées par un contrôleur PID, les vannes d'entrée et de sortie modulent l'air comprimé continu dans un cylindre spécial pour générer des vibrations internes tridimensionnelles d'amplitude égale et de phase opposée.

Ampèremètres Délectromagnétiques :

Le contrôleur PID contrôle trois ensembles de bobines électromagnétiques pour générer des vibrations internes tridimensionnelles d'amplitude égale et de phase opposée.

Les amortisseurs actifs peuvent obtenir des effets de réduction des vibrations d'environ -22 à -28 dB au-dessus de 20 Hz (bien qu'il y ait eu des allégations selon lesquelles elles pourraient atteindre -38 dB, elles sont pour la plupart non fondées).

Différents types d'amortisseurs actifs présentent également des différences de prix significatives. Généralement, les amortisseurs sont préparés avant l'installation du microscope électronique et sont installés simultanément avec le microscope.

De plus, dans des conditions spécifiques, une tranchée d'isolation des vibrations peut également obtenir de bons effets d'amortissement.

La figure 7 représente une situation dans laquelle se trouve la tranchée d'isolation contre les vibrations.

Figure 7

Figure 8

La Figure 8 représente un scénario inefficace pour une tranchée vibrante.

En général, plus la tranchée vibratoire est profonde, meilleur est l'effet d'amortissement (la largeur de la tranchée a peu d'impact sur l'effet d'amortissement). Voici une comparaison de plusieurs méthodes d'amortissement courantes :