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消磁器工作原理和性能测评

2017-11-20 14:58:37 admin 67

FEI(上海) 张毅 张承青

关键词: 电磁干扰、消磁器、消磁器工作原理和性能测评 
       目录
一.环境电磁干扰
二.低频电磁干扰的改善途径
三.主动式消磁器的基本工作原理及适用范围
四.主动式消磁器性能改进(双线圈、双探测器)
五.评测主动式消磁器性能的主要指标
六.主动式消磁器性能测评

一.环境电磁干扰
    自从人类发现了电磁应用以来,电磁能这种不能直接观察到的物理现象正在日益深入我们生活的方方面面。电磁力给我们带来许多便利,大大改善人们的工作和生活环境,但是在造福人类的同时也带来许多麻烦和困扰。在我们工作和生活的周围空间,处处都充斥着各种各样的电磁波。有中低频的电磁波,还有高频和超高频无线电波(其它如光波等电磁波这里就不讨论了)。许多场合下,这些电磁波会产生相当的危害。众所周知,对于装有心脏起搏器的人来说,强电磁干扰很可能会夺去他们的生命。同样,对于精密仪器和设备,电磁干扰也会使它们不能正常工作。
    对于电子显微镜和电子束曝光这一类利用电子束在空间(往往是真空度很高的一个密闭的小区域)飞行及其衍生效应来工作设备来说,低频(0. 1 到 350 赫兹)电磁干扰往往是不可忽视的。然而人们发现,相对于高频电磁干扰,低频电磁干扰是相当难以屏蔽或消除的。
    针对各种高频电磁干扰,采用不同材料制作的屏蔽就可以有效解决问题。对于低频电磁干扰,除了制作低频电磁屏蔽外,还有别的方法。

二.低频电磁干扰的改善途径
    低频电磁干扰的改善途径有两个,一是利用高导磁材料针对低频电磁干扰的磁场分量直接分流磁力线,使大部分磁力线被会聚到导磁材料(屏蔽体)内,被屏蔽的局部空间内磁力线密度下降,低频电磁干扰强度降低(请参考《低频电磁屏蔽实践(2014 修改稿)》一文,这里不再详述);二是根据电磁波是矢量的基本物理性质,人为产生等幅反向的消磁磁场,使得被三维消磁线圈(因为电磁干扰是全方向三维的,所以消磁磁场也必须是三维的)包围的局部空间内合成磁场强度下降。显然,这两种方法的物理机理不同,实施手段不同,实际效果也有差异,应根据具体情况选择。

三.主动式消磁器的基本工作原理及适用范围 
    主动式消磁器一般由三个部分构成:三维探测器、三通道控制器和三个消磁线圈。三维探测器检测空间磁场的三维立体场强及其变化(实际上只是三维探测器所在位置的一个很小区域);三通道控制器根据得到的信号进行实时 PID 跟踪运算,并输出三路连续跟踪的反相消磁电流;三个消磁线圈相互垂直安装,将需要消磁的空间区域包含在其中,产生波形和幅度相同、相位相反的电磁场将原来的电磁干扰抵消。必须指出的是,由于受到基本工作原理的限制,主动式消磁器的效果时常不尽如人意。从时域上来看,无论如何提高控制器的速度,也仍然存在时间差;从磁场传输原理来看,由于磁场强度与信号源(消磁线圈就是一个信号源)距离的平方成反比,反相消磁场强在三维消磁线圈所包围的局部空间内梯度变化很大,而环境场强的梯度往往是比较均匀的,故此,消磁后的合成磁场一般是不均匀的(参见图一)。从图一可以看见,探测器所在的 a 点位置合成磁场最小,离开 a 点位置越远消磁效果越差。也就是说,主动式消磁器的实际效果往往远不如控制器自己显示的那么好,实际有效空间也远小于三维消磁线圈所包围的空间。

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图一. 环境磁场、反相消磁磁场(单线圈)和合成磁场

    许多主动式消磁器的有效范围都不大于 1 米,有效范围内的消磁效果大多都不会好于 0.5mGauss,选用时必须注意。主动式消磁器一般适用于超净厂房、洁净室内或空间狭小等难以施工制作磁屏蔽的情况。另外由于低频电磁屏蔽的固有物理特性,对准直流(Near DC)磁场消磁效果不佳,所以在有准直流磁场的电磁干扰时,选用主动式消磁器是目前唯一的选择。安装时对现场的要求不高,拆除和重新安装都很方便,这是它的另一个优点。

四.主动式消磁器性能改进(双探测器、双线圈)
    由主动式消磁器的基本工作原理可知,在反相消磁线圈的作用范围内,其场强并不是均匀的。探测器所在位置消磁效果最好,逐渐远离探测器所在的位置时,就会发现消磁效果逐渐变差,这种不均匀性是主动式消磁器的固有弱点。主动式消磁器的消磁效果以其探测器为中心向外递减,其等强度面为球形,如图二所示。

消磁器2.jpg

图二. 单探测器消磁效果示意

 由于大多数情况下需要消磁的区域为一个垂直圆柱形,为改进效果可以使用双探测器,其效果可以用图三表示。一般两个探测器间距 0.5 米~1 米,距离过大效果反而变差,距离过小则效果等同单探测器。

消磁器3.jpg


图三. 双探测器消磁效果示意

    实测时发现,双探测器对消磁效果的改善作用有限,而使用双线圈对消磁效果的改善明显。所谓双线圈就是将原来单个消磁线圈担负的工作由两个相距足够距离的同相线圈来完成,探测器尽量位于两个线圈的中间。这样一来,在三个方向就一共有六个线圈,所以又称为六线圈结构。单线圈与双线圈效果的差异可以从图四和图五清楚地看到。

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图四. 环境磁场、反相消磁磁场(双线圈)和合成磁场

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图五. 单线圈和双线圈效果比较


   
从图五可以直观地看到,双线圈合成磁场曲线比单线圈要平坦得多,也就是说,有效范围大,双线圈的效果比单线圈要好得多。现在,各家厂商各种品牌普遍都有双探测器、双线圈(也称为六线圈)的型号可以供应。对于磁场超标不多或者对于环境要求不高的场合,为降低费用,大多选用只配备单探测器和单线圈(也称为三线圈)的型号。对于磁场较多或者对于环境要求较高的场合,就应该选用配备双探测器、双线圈(也称为六线圈)的型号。对于顶级仪器的高标准要求,还是选用低频电磁屏蔽更为稳妥可靠(有准直流磁场则再增配有消 Near DC 功能的主动式消磁器补充)。

 

五.评测主动式消磁器性能的主要指标
评测主动式消磁器性能主要应有如下指标:

1.消磁能力
2.消磁范围
3.现场调节的便利性 
4.准直流(Near DC)电磁干扰的消除性能

    测评消磁能力时绝对不能只看消磁器自己的显示数值,这种数值往往与近旁的其它检测仪器显示数值相差甚远。究其原因,一是显示的不是峰峰值(peak-peak)而是有效值;二是不排除部分厂商虚构信息(如某国外品牌显示消磁状态的磁场强度是 0.00 毫高斯,前已述及,那是不可能的);三是显示的数值只是探测器所在位置的磁场强度。我们知道,在逐渐离开探测器所在的位置时,消磁效果就随之逐渐变差。一般探测器距离需要保护的区域距离大于 0.3 米,而消磁器的有效工作区域直径不过 1 到 2 米。消磁能力还应从两方面去看:1)最低场强。指无论环境磁场多么小,消磁器所能达到的最低场强数值。例如同在 0.5 毫高斯的环境下,一台消磁器可以达到0.2 毫高斯,而另一台只能达到 0.3 毫高斯,当然前者优于后者。2)在一定环境
场强下可以达到的最低数值。例如在 5 毫高斯的环境下,一台消磁器可以达到 1 毫高斯,而另一台只能达到 2 毫高斯,优劣自现。消磁范围是指在同样条件下、相同场强的球面直径范围。例如同在 3 毫高斯的环境下,一台消磁器的 0.8 毫高斯等强度球面直径为 1 米,而另一台能达到 2 米,说明后者保护范围比前者大。某些品牌或型号的消磁器控制器除了数值显示外只有少数几个按钮开关,看上去自动化程度很高,但在许多电磁环境复杂的场合就显出调节范围过小的弊端。在目前国内的具体条件下,可以在现场手动调节控制器有其现实的便利性。不少品牌或型号的消磁器具有消除准直流(Near DC)电磁干扰的功能,虽然大多数情况下不需要此功能,但是在距离地铁很近(200 米内)的地方,准直流电磁干扰强度很大,这时是否具有 Near DC(部分品牌简称为 DC)功能往往是决定性的。


六.主动式消磁器性能测评
    综上所述,对一套主动式消磁器性能进行测评时,应准备另外一台测试仪器,在距离探测器不同距离的各个方向,等间距地测试全套数据,如此才能正确判定其消磁能力和消磁范围。在现场测评时,应检测需要保护范围内的最远点,确保其数值在规定范围内。下面以两个实例来具体说明。

一.对于 FEI 公司的 NNS450 场发射扫描电子显微镜而言,8 毫高斯(峰-峰值)的电磁环境大大超标(标准是不大于 3 毫高斯)。安装某品牌主动式消磁器后,在电子枪、样品室及二次电子探测器等位置,由另一套仪器测得场强均不大于2.5 毫高斯(峰-峰值)。故此,该消磁器满足使用要求。

二.另一台 FEI 公司的 Tecnai F20 透射电子显微镜,从电子枪到样品室、再到透射电子探测器约 2.2 米,直径约 0.35 米的区域都需要保证电磁干扰(EMI)小于 0.8 毫高斯(水平方向)。安装另一品牌主动式消磁器后,由另一套仪器测得场强在样品室处合格,但在电子枪附近达到 1.2 毫高斯(峰-峰值)。故此,该消磁器不能满足使用要求。






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