Efeitos da blindagem eletromagnética em ambiente de laboratório de microscópio eletrônico (parte 1): blindagem eletromagnética de baixa frequência na prática

O ambiente de um laboratório de microscopia eletrônica não afeta diretamente o microscópio eletrônico em si, mas afeta a qualidade da imagem e o desempenho geral do microscópio. Durante a operação de um microscópio eletrônico, o fino feixe de elétrons precisa viajar em um ambiente de alto vácuo, cobrindo uma distância de 0,7 metros (para Microscópio Eletrônico de Varredurae) até mais de 2 metros (para Microscópio Eletrônico de Varredurae) até mais de 2 metros (para Microscópio Eletrônico de Varredurae) 4Microscópio Eletrônico de Transmissãoe). Ao longo do caminho, fatores externos como campos magnéticos, vibrações do solo, ruído no ar e fluxos de ar podem fazer com que o feixe de elétrons se desvie do caminho pretendido, levando a uma degradação na qualidade da imagem. Portanto, requisitos específicos precisam ser atendidos para o ambiente circundante.

Como é bem sabido, as ondas eletromagnéticas consistem em campos magnéticos e elétricos alternados. No entanto, é importante considerar a frequência ao medir ondas eletromagnéticas utilizando campos magnéticos ou elétricos. Na prática, é necessário levar em consideração a frequência.

Em frequências muito baixas (à medida que a frequência tende a zero, equivalente a um campo magnético DC), a componente magnética da onda eletromagnética torna-se mais forte enquanto a componente elétrica enfraquece. À medida que a frequência aumenta, o componente elétrico se fortalece e o componente magnético diminui. Esta é uma transição gradual sem um ponto de viragem distinto. Geralmente, de zero a alguns quilohertz, o componente do campo magnético pode ser bem caracterizado, e unidades como Gauss ou Tesla são usadas para medir a intensidade do campo. Acima de 100 kHz, o componente do campo elétrico é melhor medido e a unidade usada para intensidade do campo é volts por metro (V/m). Ao lidar com um ambiente eletromagnético de baixa frequência com um forte componente de campo magnético, reduzir diretamente o campo magnético é uma abordagem eficaz.

Próximo, vamos nos concentrar na aplicação prática de blindagem de um campo eletromagnético de baixa frequência (0-300 Hz) com uma intensidade de campo magnético variando de 0,5 a 50 miligauss (pico a pico) em um volume blindado de 40-120 metros cúbicos . Considerando a relação custo-benefício, o material de blindagem utilizado normalmente é a placa de aço de baixo carbono Q195 (anteriormente conhecida como A3).

Como a perda por correntes parasitas de um único material espesso é maior do que a de múltiplas camadas finas (com a mesma espessura total), materiais mais espessos de camada única são preferidos, a menos que haja requisitos específicos. Vamos estabelecer um modelo matemático:

1. Derivação da fórmula

Como a energia das ondas eletromagnéticas de baixa frequência é composta principalmente de energia do campo magnético, podemos usar materiais de alta permeabilidade para fornecer caminhos de desvio magnético para reduzir a densidade do fluxo magnético dentro do volume de blindagem. Ao aplicar o método de análise de circuitos de derivação paralelos, podemos derivar a fórmula de cálculo para a derivação paralela de caminhos de fluxo magnético.

Aqui estão algumas definições:

Ah:Intensidade do campo magnético externo

Olá: Intensidade do campo magnético dentro do volume de blindagem

Hs: Força do campo magnético dentro do material de blindagem

A: Área através da qual as linhas magnéticas passam pela blindagem A = L × W

Φo: Permeabilidade do ar

Φs: Permeabilidade do material de blindagem

Ro: Resistência magnética do espaço interno da blindagem

Rs: Resistência magnética do material de blindagem

L: Comprimento do volume de blindagem

W: Largura do volume de blindagem

h: Altura do volume de blindagem (ou seja, comprimento do canal magnético)

b: Espessura do material de blindagem

A partir do diagrama esquemático (Figura 1), podemos obter as seguintes equações:

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

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

A partir do diagrama de circuito equivalente (Figura 2), podemos obter a seguinte equação:

Rs = Oi × Ro / (Ho - Oi) (3)

Substituindo as equações (1) e (2) na equação (3) e reorganizando, obtemos a fórmula (4) para calcular a espessura b do material de blindagem:

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

Nota:

Na equação (4), o comprimento do canal magnético h é eliminado durante o processo de simplificação, e unidades físicas como Φo, Φs, Ho, Hi e outras também são eliminadas. Só é necessário garantir que as unidades de comprimento sejam consistentes.

A partir da equação (4), pode-se observar que a eficácia da blindagem está relacionada à permeabilidade e espessura do material de blindagem, bem como ao tamanho do volume de blindagem. Uma maior permeabilidade e um material de blindagem mais espesso resultam em menor resistência magnética e maiores perdas por correntes parasitas, levando a uma melhor eficácia da blindagem. Quando a permeabilidade e a espessura são iguais, um volume de blindagem maior resultará em pior desempenho de blindagem.

2. Validação da fórmula

Podemos usar a equação (4) Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 calcular a espessura do material de blindagem e comparar os resultados calculados com dados experimentais (que levaram vários meses para serem coletados):

Tabela 1

Nota:

1. A intensidade do campo magnético externo está na faixa de 5-20 miligauss (pico a pico).

2. Os valores medidos são obtidos convertendo vários testes sob diferentes condições. Como as condições de teste para cada medição não são as mesmas, os valores apresentados representam medições médias aproximadas.

Na realidade, devido a vários fatores, é bastante desafiador estabelecer um modelo matemático simples para analisar e calcular a eficácia da blindagem eletromagnética de baixa frequência. Os desvios significativos entre os resultados calculados e os dados experimentais podem ser atribuídos às seguintes razões.

Em primeiro lugar,a relação de função no circuito de derivação paralelo é linear, enquanto em circuitos magnéticos, permeabilidade, densidade de fluxo magnético e perdas por correntes parasitas não exibem relações lineares. Muitos parâmetros são funções não lineares uns dos outros (embora possam apresentar boa linearidade em determinados intervalos). Durante a derivação do mecanismo de manobra paralela em circuitos magnéticos, alguns parâmetros foram omitidos, foram feitas aproximações e as condições foram simplificadas para evitar cálculos complexos, linearizando o circuito magnético. Esses fatores são os principais motivos das diferenças de precisão entre cálculos e experimentos.

Em segundo lugar,as especificações comerciais da placa de aço de baixo carbono têm geralmente 1,22 m × 2,44 m de tamanho. Considerando um tamanho de sala de 5m × 4m × 3m como exemplo, mesmo com soldagem completa, ainda haveria mais de 50 soldas, e a espessura das soldas é muitas vezes menor que a da chapa de aço. Além disso, pode haver aberturas e lacunas no material de blindagem, resultando num aumento global da resistência magnética e numa diminuição da permeabilidade. Portanto, a fórmula de cálculo para blindagem magnética derivada do circuito paralelo precisa ser modificada para se aproximar das condições reais.

3. Fórmula de cálculo modificada

Com base na equação (4), introduzimos um coeficiente de correção μ e consideramos a permeabilidade do ar como sendo aproximadamente 1. A equação modificada para calcular a espessura b do material de blindagem é a seguinte (equação 5):

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

O valor de μ é selecionado entre 3,2 e 4,0. Um valor menor é preferido para volumes de blindagem menores e níveis de processo mais elevados, enquanto um valor maior é melhor para volumes de blindagem maiores. Usando a equação (5) com μ = 3,4, os resultados calculados são comparados com dados experimentais (ver Tabela 2), mostrando concordância significativamente melhorada.

Tabela 2

Nota: Outras condições permanecem as mesmas da Tabela 1.

Deve-se notar que vários dados de testes confirmam a alta concordância entre os resultados obtidos na equação (5) e várias medições no local. No entanto, houve casos isolados com desvios significativos. Esses casos podem ser atribuídos a problemas de construção.

A seguir estão diversas situações que podem ocorrer durante a construção:

1. Chapas de aço finas usadas em áreas individuais (como portas).

2. Soldagem não contínua ou grandes lacunas nas juntas soldadas.

3. Profundidade insuficiente das soldas, resultando em diminuição da permeabilidade nos locais de solda e múltiplos "gargalos".

4. Aberturas maiores em áreas blindadas e tratamento inadequado de aberturas de guias de onda.

5. Encurtamento arbitrário do comprimento do guia de ondas ou processamento abaixo do padrão.

6. Espessura de parede insuficiente do guia de ondas.

7. Vários pontos de aterramento no material de blindagem levam a uma distribuição de corrente não uniforme.

8. Conexão do material de blindagem ao fio neutro da fonte de alimentação.

Mesmo um pequeno descuido pode levar a uma deterioração significativa na eficácia, aa capacidade de um balde depende do pedaço de madeira mais curto. Para projetos ocultos como este, a qualidade é muitas vezes garantida pelo trabalho artesanal. Portanto, é importante prestar muita atenção à seleção de uma construtora confiável, cumprindo rigorosamente os requisitos e processos do projeto, fortalecendo a supervisão da construção no local e implementando inspeções faseadas.

Projeto de abertura do gabinete de blindagem:

Ao projetar um invólucro de blindagem, inevitavelmente se deparará com o problema das aberturas. Os métodos teóricos comumente usados ​​para projeto de abertura são difíceis de aplicar diretamente ao projeto de blindagem magnética de baixa frequência. Aqui, discutiremos o exemplo do projeto de blindagem de uma sala.

1. Aberturas pequenas: Em salas com pequenos dispositivos blindados, geralmente há requisitos de fornecimento de energia, fornecimento de energia e água de resfriamento. Essas instalações auxiliares estão localizadas principalmente fora do invólucro de blindagem e são conectadas através de tubulações de água, tubulações de ar e cabos. Esses tubos e cabos podem ser adequadamente centralizados e passados ​​através do invólucro de blindagem usando um ou vários pequenos orifícios. Esses furos, feitos do mesmo material que o invólucro de blindagem, são chamados de “aberturas de guia de onda”. A relação comprimento/diâmetro das aberturas do guia de onda é geralmente considerada como sendo de pelo menos 3-4:1 (se as condições no local permitirem, quanto maior, melhor). Por exemplo, se o diâmetro de um pequeno furo for 80 mm, o comprimento deve ser de pelo menos 240-320 mm.

2. Aberturas de tamanho médio: As aberturas de ventilação para ar condicionado e aberturas de exaustão para ventiladores normalmente têm diâmetros (ou comprimentos laterais para quadrados ou retângulos) de cerca de 400-600 mm. O cálculo do comprimento de uma abertura de guia de onda com base nestas dimensões resultaria em comprimentos de 1200-2400 mm, o que não é viável na construção prática. Neste caso, a abertura original pode ser dividida em várias aberturas menores do mesmo tamanho por meio de uma grade. Por exemplo, se uma entrada de ar de 400×400mm for dividida em nove grelhas de tamanhos iguais, o comprimento seria reduzido de 1200-1600mm para 400-530mm (o aumento na resistência ao fluxo de ar devido às grelhas é insignificante).

Ao projetar e fabricar, preste atenção aos seguintes pontos:

- O material das grades deve ser o mesmo do invólucro de blindagem, e a espessura do material não deve ser reduzida arbitrariamente.

- A seção transversal das grades deve ser o mais quadrada possível.

- Tente reduzir ao máximo o número de grades, dentro de comprimentos aceitáveis, para reduzir dificuldades de processamento e resistência ao fluxo de ar.

- Garantir soldagem contínua em todos os locais das grades para evitar aumento da resistência magnética.

- Aumentar a permeabilidade magnética adicionando placas de aço silício nas junções das grades.

3. Grandes aberturas que podem ser fechadas:As portas e janelas de uma sala normalmente têm aberturas medindo 1m × 2m ou até maiores. Neste caso, as aberturas dos guias de onda devem ser projetadas com base nas lacunas não magnéticas quando as portas e janelas estão fechadas (feitas do mesmo material do invólucro de blindagem). Assumindo uma folga não magnética de 5 mm (o que não é tecnicamente desafiador, e dobras adicionais nas bordas podem ser adicionadas em áreas difíceis de manusear), o comprimento da abertura do guia de ondas deve ser de 15 a 20 mm. Dado que o vão é estreito e longo, é preferível ter um comprimento maior. Observe que as aberturas dos guias de ondas não são formadas apenas pelas molduras das portas e janelas; deve haver uma certa espessura de dobras nas bordas em todos os locais de lacunas não magnéticas para garantir o comprimento da abertura do guia de ondas. Para garantir uma evacuação segura em circunstâncias especiais, os caixilhos das portas da sala de blindagem devem ser reforçados e as portas de blindagem devem abrir para fora.

Aqui está um exemplo prático de design:

As dimensões da sala são comprimento 5m, largura 4m e altura 3,3m, com intensidades de campo magnético originais de x=10mGauss, y=8mGauss e z=12mGauss. O objetivo é projetar uma blindagem eletromagnética de baixa frequência que garanta que a intensidade do campo magnético em qualquer direção dentro do gabinete seja inferior a 2mGauss. Veja a Figura 3.

1. Selecione placas comerciais de aço de baixo carbono com Φs=4000 e especificações de 1,22m×2,44m.

2. Use a equação (5) para calcular a espessura das placas de aço nas direções x, y e z:

Tomando μ como 3,8, substitua o comprimento, largura e altura fornecidos em L×W, correspondendo às intensidades originais do campo magnético nas direções x, y e z.

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

=3,43mm

por=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

=5,28mm (Se os comprimentos e larguras forem 10m e 6m, respectivamente, a espessura calculada seria b=2280/56000=8,91mm)

A espessura de todas as placas de aço deve ser de pelo menos 6 mm (para permitir variações do campo magnético ambiental, 8-10 mm também podem ser usados) como uma única camada.

Todas as costuras de soldagem devem ser contínuas e tentar atingir uma profundidade próxima à espessura do material de base.

3. Tratamento de abertura de guia de ondas

(Omitido. Consulte a seção sobre projeto de abertura do invólucro de blindagem).

Após a conclusão, o invólucro de blindagem foi testado e atendeu totalmente aos requisitos do projeto.

Nota: A blindagem magnética não pode melhorar ambientes de interferência CC. Quando houver necessidade de melhorar os ambientes de interferência eletromagnética DC, ele deverá ser usado em conjunto com desmagnetizadores que tenham capacidade de eliminação de DC.