低频主动消磁器

为促进电子显微学研究、电镜应用技术交流，打破时空壁垒，仪器信息网邀请电子显微学领域研究、技术、应用专家，以约稿分享形式，与大家共享电子显微学相关研究、技术、应用进展及经验等。同时，每期约稿将在仪器信息网社区电子显微镜版块发布对应互动贴，便于约稿专家、网友线上沟通互动。专家约稿招募：若您有电子显微学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通（邮箱：yanglz@instrument.com.cn）。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。附1：张承青系列约稿互动贴链接（点击留言，与张老师留言互动）： https://bbs.instrument.com.cn/topic/7655934_1附2：张承青系列约稿发布回顾拟定主题发布时间文章链接序言 电镜实验室环境对电镜的影响2020年10月13日链接系列之一 电子显微镜实验室环境调查的必要性2020年10月15日链接系列之二 电镜实验室的电磁环境改善2020年10月20日链接系列之三 低 频 电 磁 屏 蔽 实 践2020年10月22日链接系列之四 主动式低频消磁系统2020年10月27日链接系列之五 几种改善电磁环境方法比较2020年10月29日链接系列之六 低频振动环境改善2020年11月3日链接系列之七 谈谈电子显微镜的接地2020年11月5日链接系列之八 温度湿度和风速噪声2020年11月11日链接… … … … … … 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

近日，理化香港有限公司在深圳某客户处完成英国Spicer消磁器的安装调试工作，型号为SC24/DC/OCT cables，用于FEI Apreo场发射扫描电子显微镜的消磁，包括直流磁场和交流磁场的消除。最初，接到客户需求时，经过初步沟通后，我司委派工程师赶赴客户现场，采用英国Spicer公司专用消磁检测器SC11对客户FEI扫描电镜环境进行测量。鉴于客户现场的环境非常复杂，距离两条地铁直线距离均在100米左右，磁场干扰非常严重。在Spicer亚太地区总代理的技术团队的支持下，我司工程师专门设计了Octagonal frame八角形框架结构用于消磁。安装图如下：安装完SC24消磁器后，我司工程师现场对FEI电镜周边环境进行了再次测量，如下图所示。当关闭SC24消磁器时，交流磁场AC为5.935 mG（X、Y、Z方向分别为2.703 mG、0.934 mG和5.201 mG）、直流磁场DC为10.897 mG（X、Y、Z方向分别为1.507 mG、0.911 mG和10.758 mG）。当开启SC24消磁器后，交流磁场AC降至0.282 mG（X、Y、Z方向分别为0.127 mG、0.141 mG和0.213 mG）、直流磁场DC降至0.036 mG（X、Y、Z方向分别为-0.023 mG、-0.021 mG和0.015 mG）。交流磁场AC消除率达到95.2%，直流磁场DC消除率达到了99.7%。很好地满足了客户的测试需求。理化香港有限公司是英国Spcier消磁器代理商，另代理AVI系列减震器，适用于各类高精端仪器，消除磁场或者震动带来的负面影响。欢迎大家垂询！

为促进电子显微学研究、电镜应用技术交流，打破时空壁垒，仪器信息网邀请电子显微学领域研究、技术、应用专家，以约稿分享形式，与大家共享电子显微学相关研究、技术、应用进展及经验等。同时，每期约稿将在仪器信息网社区电子显微镜版块发布对应互动贴，便于约稿专家、网友线上沟通互动。专家约稿招募：若您有电子显微学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通（邮箱：yanglz@instrument.com.cn）。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，以下为系列之五，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）系列之五 几种改善电磁环境方法比较被动式低频电磁屏蔽根据屏蔽材料不同主要分为两种：一种是使用高导磁材料（如钢、硅钢、玻莫合金等），另一种是使用高导电材料（如铜、铝等材料），虽然两种方法的工作机理截然不同，但是均可达到较好的减弱环境磁场干扰效果。A．使用高导磁材料（以下简称磁路分流法）的理论依据是：使用高导磁材料将一个有限空间A全维度包裹起来，在环境磁场强度为Ho时，由于高导磁材料的磁阻远远小于空气（普通Q195钢板磁导为4000，硅钢为8000～12000，玻莫合金为24000，空气为近似1），借用欧姆定律可以知道，当Rs远小于Ro时，Hi将远小于Ho。磁力线被低磁阻材料分流，有限空间A内的磁场强度下降到Hi，达到消磁效果（参见图一和图二。其中Ri为A空间的空气磁阻，Rs为屏蔽体的磁阻）。屏材内部的磁畴在磁场作用下产生振动，将部分磁能以热量的形式耗散。由于硅钢和玻莫合金都存在导磁率各向异性、施工时不能敲击和折弯及焊接等特点（虽然说起来可以通过热处理改善，但实际上面对这样大型的固定式产品，实际上无法操作，办不到啊），所以它们实际效能要大大打一个折扣！不过在某些特殊部位，不需要敲击折弯和焊接的情况下，做补充或加强还是可以的。），且价格昂贵，所以在电镜磁屏蔽中一般不会用于屏蔽体大量应用，仅少量用于特殊部位（如门缝、波导口等）补充加强。磁路分流法的屏效与屏材厚度大致成线性相关，理论上可以做到无限小。B．使用高导电材料（以下简称感生磁场法）的理论依据是：使用高导电材料将一个有限空间全维度包裹起来，环境磁场以其电场分量作用于屏蔽体，产生感生电动势，进而产生感生电流以及感生磁场。从电磁学基本原理可知，这个感生磁场与原有磁场大小相同（由于存在电阻，所以会略小一点）、方向相反（由于存在相位差，所以相位略有滞后），这样有限空间内的磁场被抵消，强度下降，达到消磁效果。感生磁场法的屏效与屏材厚度在一定范围区间内无关。C．两种方法的共同之处：拼接焊缝需要全满焊、焊缝高度不得低于屏蔽体母材厚度；必须注意各种尺度的开口及波导口设计。设计/制作是否成功，将严重影响屏效（适用木桶短板理论）。另外还需注意，屏蔽室內电镜位置的震动不得大于周边环境（曾经多次检测到磁场合格了，震动却反而比原来更大造成超标）。从它们的基本工作原理可以看出（磁畴在DC磁场下不会振动以产生热能的形式消耗磁场能量；DC磁场也不能产生感生反向电动势），磁路分流法和感生磁场法对DC完全无效。对near DC也基本无效（必要时还是要配备一套主动式消磁器改善near DC电磁干扰）。D．简单列个表格比较一下吧（相同部分就不说了）：优 点缺 点磁路分流法成本低，屏效可调（理论上无限）重量较大施工制作方便施工制作难度略大感生磁场法重量较轻（铝）使用有色金属材料基本机理决定屏效有限总体来说，还是磁路分流法略微占优。据本人非准确统计，国内现有磁屏蔽约400～600个，其中大多数是磁路分流法，感生磁场法估计约十分之一二。主动式低频消磁器在本系列之四《主动式低频消磁系统》中介绍过了，这里就不重复了，直接比较一下吧。与制作重量大、工期长、额外占用空间和成本高的低频电磁屏蔽相比。主动式低频消磁器体积小重量轻价格低、对环境无影响、可以后期购买安装等优点是很突出的。不过还有一点必须说一下：磁屏蔽往往是个“交钥匙”项目，就是说做磁屏蔽时往往连带把电、水、空调、照明、网络还有监控什么的统统包括进去了，如果反正要装修改造的话，性价比倒也挺高的呢。总体说来，被动式磁屏蔽的效果优于主动式消磁器，但是由于前述原因，某些环境下也只能选配消磁器。扫描电镜一般几种方法都区别不大，透射电镜建议还是尽量选用磁屏蔽（差点忘了说，场发射透射电镜对磁场要求一般比扫描电镜要高一大截呢，呵呵）。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。附1：张承青系列约稿互动贴链接（点击留言，与张老师留言互动）： https://bbs.instrument.com.cn/topic/7655934_1附2：张承青系列约稿发布回顾拟定主题发布时间文章链接序言 电镜实验室环境对电镜的影响2020年10月13日链接系列之一 电子显微镜实验室环境调查的必要性2020年10月15日链接系列之二 电镜实验室的电磁环境改善2020年10月20日链接系列之三 低 频 电 磁 屏 蔽 实 践2020年10月22日链接系列之四 主动式低频消磁系统2020年10月27日链接系列之五 几种改善电磁环境方法比较2020年10月29日链接系列之六 低频振动环境改善2020年11月3日链接系列之七 谈谈电子显微镜的接地2020年11月5日链接系列之八 温度湿度和风速噪声2020年11月11日链接… … … … … … 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