张承青电镜实验室环境约稿[4]：主动式低频消磁系统

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本期将分享张承青老师为大家整理的关于电镜实验室环境对电镜的影响的系列约稿经验分享，以下为系列之四，以飨读者。（本文经授权发布,分享内容为作者个人观点, 仅供读者学习参考,不代表本网观点）

系列之四 主动式低频消磁系统

所谓主动式低频消磁系统，主要由探测器、控制器和消磁线圈等构成，是一类以等幅反相磁场去抵消原有低频环境磁场的专门用于改善0.001Hz～300Hz低频电磁环境的专用设备，以下简称消磁器。

消磁器按其工作范围可分为AC和DC两种，有些型号将两种统一组合在一起（究其工作原理，实质上是双频工作制），以便于同时满足两种工作环境需要。

低频消磁器具有体积小重量轻，不占用空间，可以后期安装等优点，特别在超净间等难以制作磁屏蔽的场所，消磁器成为不二之选。

当前商品消磁器国内市场主要有：Spicer（英国）Stefan Mayer (德国)，很少见到的还有TMC（美国），CMC （韩国）等，国产品牌目前只有SLONG（上海）。TMC和CMC的消磁线圈设计不大合理，现场安装难度较大，实际应用中不大见到。

无论哪种品牌的消磁器，其基本工作原理都是相同的，都是由三轴探测器检测三维空间的电磁干扰信号，然后由PID控制器做动态跟踪控制并输出反相电流，最后用三维消磁线圈（一般都用三组六个准亥姆霍兹矩形线圈）产生等幅反相磁场，使得一定区域范围内的磁场得以中和抵消，降低到较低的强度水平上。

各种消磁器的工作范围一般不大于40mG（也有标200 mG甚至以上的，过高并无实际意义），超范围会有自动报警和自动保护动作（暂停消磁），国产品牌SLONG超范围有自动报警但不做保护动作（仅消磁效果略差）。

各种消磁器的理论消磁精度都可以达到0.1mGauss p-p，也就是10nT，也有标1nT的，但这只是理论上探测器中心才所能够达到的，一般用另一个仪器是测不到的（太近相互干扰，远了“等强度球面”现象就马上出来。

各种消磁器的消磁电流都可以根据环境变化自动跟踪调整，有时会很大。在近旁（几十厘米范围吧）有其它微信号探测器（包括其信号电缆线）工作时，必须注意合理布线（适当保持间距，可以垂直交越，避免平行靠近布线），以防止干扰其它设备正常工作（曾发生过影响电子束曝光设备工作的实例）。

消磁器的控制器消耗功率大多为250W～300W（如 Spicer、Stefan Mayer 、TMC等），国产品牌SLONG正常工况≦8W（最大40W）。

消磁器的探测器有组合式，也有AC/DC分离式，（后者效果略好，但对安装技术要求略高）一般固定在镜筒筒身中部偏上处或靠近电子枪处（考虑到有些型号电镜的电子束刚从电子枪发出时速度很慢，此时最容易被磁场干扰）。探测器的具体固定位置初次安装时可以多换几处试试，哪里图像效果好就固定在哪里。

多年前曾有试用双AC探测器的（目的是变“等强度球面”为“等强度椭圆球面”，以适应透射电镜需要），但效果不明显且安装调试困难，后来不大见到了。

消磁系统的消磁线圈一般都是选用“准亥姆霍兹线圈”，外观有两种，一是所谓的“大线圈式”，就是将六个线圈固定在房间内各墙面和天花板/地面等处，尽量大一点、远一点；另一是根据要求定制矩形框架，并将六个线圈嵌入其中；除了超净间内及超大房间，“框架式”一般情况下应用不多。原因是一则消磁效果略差，二则对电镜的操作使用有所妨碍。

从消磁器的基本工作原理可以得出如下推论：1）由于存在难以彻底消除的滞后，反相磁场与环境干扰磁场必然存在相位差，所以消磁器的消磁效果是受到一定限制的；2）在三维消磁线圈包围的空间范围内，与环境磁场中和抵消后的磁场是不均匀的。是从以探测器为中心、以立体球面向外逐渐变差的。因为磁场强度与信号源（即消磁线圈）的距离的平方成反比，又因为通常环境磁场的均匀度远好于消磁器产生的反相磁场，所以等强度同心球面半径越小消磁效果越好，离探测器中心越远的位置，消磁效果就逐渐变差。这也是消磁器在扫描电镜上应用较多而透射电镜上就不多见的主要原因（透射电镜需要保护的范围可达两米以上，远大于在扫描电镜）。

国产品牌目前与知名品牌相比，某些方面还有差距。但在算法、能耗、外观和适用性等方面，国产品牌已经赶上或开始超越。值得一提的是，SLONG彻底解决了镜筒上强磁干扰的业界难题，探测器可以不受离子泵（IGP）的强磁干扰放置在任意最合适位置。这样实际上扩大了保护范围，改进了消磁效果。

2020.10

张承青

作者简介

作者张承青，退休前在某电镜公司工作多年，曾经做过约两千个（次）电镜环境调查、测试，参与多个电镜实验室设计及改造设计规划，在低频电磁环境改善和低频振动改善等方面有些体会，迄今仍在这些方面继续探索。

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附3：相关专家系列约稿

安徽大学林中清扫描电镜系列约稿