Efeitos da blindagem eletromagnética no ambiente de laboratório de microscopia eletrônica (Parte 4): Melhoria do ambiente de vibração de baixa frequência

Primeiro, vamos discutir as causas das vibrações de baixa frequência.

Testes repetidos mostraram que as vibrações de baixa frequência são causadas principalmente pelas ressonâncias do edifício. As especificações construtivas de edifícios industriais e civis são geralmente semelhantes em termos de altura do piso, profundidade, vão, secções de vigas e pilares, paredes, vigas de piso, lajes de jangadas, etc. características comuns podem ser identificadas.

Aqui estão alguns padrões observados nas vibrações de edifícios:

1. Edifícios com plantas lineares ou pontiagudas tendem a exibir ressonâncias de baixa frequência maiores, enquanto aqueles com outras formas, como T, H, L, S ou U, têm ressonâncias menores.

2. Em edifícios com plantas baixas lineares, as vibrações ao longo do eixo longo são frequentemente mais pronunciadas do que aquelas ao longo do eixo curto.

3. No mesmo edifício, o primeiro andar sem subsolo normalmente sofre as menores vibrações. À medida que a altura do piso aumenta, as vibrações pioram. As vibrações no primeiro andar de um edifício com subsolo são semelhantes às do segundo andar, e as vibrações mais baixas são normalmente observadas no nível mais baixo do subsolo.

4. As vibrações verticais são geralmente maiores que as horizontais e são independentes do nível do piso.

5. Lajes de piso mais espessas resultam em diferenças menores entre vibrações verticais e horizontais. Na maioria dos casos, as vibrações verticais são maiores que as vibrações horizontais.

6. A menos que exista uma fonte de vibração significativa, as vibrações no mesmo piso de um edifício são geralmente consistentes. Isso se aplica a locais no meio de uma sala, bem como perto de paredes, colunas ou vigas suspensas. Porém, mesmo que as medições sejam realizadas no mesmo local, sem qualquer movimento e com intervalo de alguns minutos, os valores provavelmente serão diferentes.

Agora que conhecemos as fontes e características das vibrações de baixa frequência, podemos tomar medidas de melhoria direcionadas e fazer avaliações avançadas das condições de vibração em determinados ambientes.

Melhorar as vibrações de baixa frequência pode ser caro e, às vezes, não é viável devido a restrições ambientais. Assim, em aplicações práticas, muitas vezes é vantajoso escolher ou mudar para um local melhor para operar um laboratório de microscópio eletrônico.

A seguir, vamos discutir o impacto das vibrações de baixa frequência e possíveis soluções.

As vibrações abaixo de 20 Hz têm um efeito perturbador significativo nos microscópios eletrônicos, conforme ilustrado nas figuras a seguir.

Imagem 1

Imagem 2

Imagem 1 e Imagem 2 foram tiradas pelo mesmo Scanning Eelétron Microscópio (ambos em 300kx ampliação). No entanto, devido à presença de interferência de vibração, a Imagem 1 tem irregularidades perceptíveis na direção horizontal (em segmentos) e a clareza e a resolução da imagem são significativamente reduzidas. Imagem 2é o resultado obtido da mesma amostra após eliminar a interferência de vibração.

Se os resultados do teste indicarem que o local onde o microscópio será instalado apresenta vibrações excessivas, medidas apropriadas deverão ser tomadas; caso contrário, o fabricante do microscópio não pode garantir que o desempenho do microscópio após a instalação atenda aos padrões de design ideais. Geralmente, vários métodos podem ser escolhidos para melhorar ou resolver o problema, como usar uma Antivibração Fundação, Plataforma de isolamento de vibração passiva, ou Plataforma de isolamento de vibração ativa.

An Antivibração Fundação requer construção no local e medidas especiais precisam ser tomadas (como ter uma camada de almofada elástica na parte inferior e áreas adjacentes). Os métodos de construção convencionais podem aumentar potencialmente as vibrações de baixa frequência (abaixo de 20 Hz). O processo de construção que envolve uma grande quantidade de entrada e saída de materiais de construção pode inevitavelmente afetar o ambiente circundante. Um diagrama esquemático de um Antivibração Fundação pode ser vista na Imagem3.

Imagem3

Uma plataforma de isolamento de vibração de concreto com massa de cerca de 50 toneladas geralmente atinge um efeito de redução de vibração de -2 a -10dB em frequências acima de 2Hz. Quanto maior for a massa da plataforma de isolamento de vibração de concreto, melhor será a redução da vibração. Se as condições permitirem, deve ser o maior possível.

Com base em vários testes realizados em diferentes locais, plataformas de isolamento de vibração pesando menos de 5 toneladas exibem ressonância na faixa de baixa frequência de 1 a 10 Hz, o que aumenta a vibração. Aqueles que pesam menos de 20 toneladas são ineficazes e o alcance efetivo começa em mais de 30 toneladas. Não há dados disponíveis para 30-40 toneladas, por isso é aconselhável evitar pesos inferiores a 50 toneladas. Uma universidade em Pequim obteve bons resultados com uma plataforma de isolamento de vibrações pesando cerca de 100 a 200 toneladas. Num instituto de pesquisa em Chongqing, o concreto moído foi derramado diretamente sobre rochas maciças, resultando em vibração mínima.

Entre os amortecedores de vibração passivos, opções comumente usadas como borracha, molas de aço e molas pneumáticas (cilindros) proporcionam baixo desempenho na faixa de baixa frequência abaixo de 20 Hz. Freqüentemente, eles amplificam as vibrações devido à ressonância, por isso não são considerados adequados.

Apenas os amortecedores magnéticos apresentam desempenho aceitável de baixa frequência, mas seu desempenho ainda é muito inferior aos amortecedores ativos (semelhante ao efeito de redução de vibração das plataformas de isolamento de vibração de concreto). A Figura 4 compara a eficácia de vários métodos.

Figura 4

Após observação cuidadosa da Figura 4, podemos tirar as seguintes conclusões:

1. A frequência de ressonância (f_h) da mola de aço carbono é de aproximadamente 50 Hz. Não proporciona nenhum efeito de amortecimento abaixo de 70 Hz e, de fato, amplifica a vibração devido à ressonância. A almofada de borracha tem f_h de aproximadamente 25 Hz e não proporciona nenhum efeito de amortecimento abaixo de 35 Hz, amplificando também a vibração devido à ressonância.

2. Amortecedores de concreto com capacidade inferior a 5 toneladas apresentam ressonância abaixo de 10 Hz e são frequentemente menos eficazes do que não usar nenhum amortecedor.

3. As molas pneumáticas têm f_h de aproximadamente 15 Hz, proporcionando bom amortecimento acima de 25 Hz e excelente amortecimento acima de 40 Hz. Eles são amplamente utilizados para isolamento de vibrações em equipamentos de precisão, como plataformas ópticas. No entanto, eles exibem ressonância significativa abaixo de 20 Hz, tornando-os inadequados para microscópios eletrônicos de amortecimento (embora alguns microscópios eletrônicos usem molas pneumáticas como último recurso).

4. Amortecedores magnéticos fornecem amortecimento satisfatório de baixa frequência e podem ser usados ​​quando requisitos rigorosos não são impostos.

5. Vários amortecedores ativos alcançam excelentes efeitos de amortecimento. Suas frequências de ressonância podem ser inferiores a 1 Hz e podem fornecer amortecimento de até -10 a -22 dB na faixa de 2 a 10 Hz, tornando-os ideais para aplicações que exigem amortecimento eficaz na faixa de baixa frequência.

Em geral, considera-se que vibrações abaixo de 20 Hz têm um impacto significativo nos microscópios eletrônicos e são difíceis de mitigar. Como a maioria das pessoas não consegue perceber vibrações abaixo de 20 Hz, isso muitas vezes leva ao equívoco de que não há vibração quando estão presentes vibrações significativas de baixa frequência.

Os amortecedores passivos utilizam as propriedades físicas dos dispositivos de amortecimento, como sua massa e características inerentes de transmissão de vibração, para isolar e atenuar as vibrações externas que afetam o microscópio eletrônico. O princípio de funcionamento dos amortecedores passivos pode ser referenciado na Figura 5.

Figura 5

O princípio de funcionamento dos amortecedores ativos é significativamente diferente dos amortecedores passivos. Vários tipos de amortecedores ativos têm princípios de funcionamento semelhantes, que envolvem um sensor tridimensional que detecta vibrações externas em três direções. O sensor envia as informações para um controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo), que gera sinais de controle com amplitude igual, mas fase oposta. Esses sinais de controle são então usados ​​por um atuador para gerar vibrações internas com amplitude igual e fases opostas para neutralizar ou reduzir as vibrações externas. O princípio de funcionamento dos amortecedores ativos pode ser referido conforme mostrado na Figura 6.

Figura 6

Os amortecedores ativos comumente usados ​​incluem amortecedores cerâmicos piezoelétricos, amortecedores pneumáticos e amortecedores eletromagnéticos. Suas diferenças residem principalmente no mecanismo de atuação, enquanto os detectores 3D e os controladores PID são relativamente semelhantes.

Piezoelétrico C cerâmico D amperes:

Eles utilizam o efeito piezoelétrico do material cerâmico para gerar vibrações internas tridimensionais com igual amplitude e fase oposta.

Amperes pneumáticos D:

Controladas por um controlador PID, as válvulas de entrada e saída modulam o ar comprimido contínuo em um cilindro especial para gerar vibrações internas tridimensionais com igual amplitude e fase oposta.

Amperes eletromagnéticos D:

O controlador PID controla três conjuntos de bobinas eletromagnéticas para gerar vibrações internas tridimensionais com amplitude igual e fase oposta.

Os amortecedores ativos podem alcançar efeitos de redução de vibração de aproximadamente -22 a -28 dB acima de 20 Hz (embora tenha havido alegações de atingir -38 dB, eles são em sua maioria infundados).

Diferentes tipos de amortecedores ativos também apresentam diferenças de preço significativas. Geralmente, os amortecedores são preparados antes da instalação do microscópio eletrônico e são instalados simultaneamente com o microscópio.

Além disso, sob condições específicas, uma vala de isolamento de vibração também pode alcançar bons efeitos de amortecimento.

A Figura 7 representa uma situação onde está a vala de isolamento de vibração.

Figura 7

Figura 8

A Figura 8 representa um cenário ineficaz para uma vala vibratória.

Em geral, quanto mais profunda a vala vibratória, melhor será o efeito de amortecimento (a largura da vala tem pouco impacto no efeito de amortecimento). Aqui está uma comparação de vários métodos de amortecimento comuns: