آثار التدريع الكهرومغناطيسي في بيئة مختبر المجهر الإلكتروني (الجزء الأول): التدريع الكهرومغناطيسي منخفض التردد في الممارسة العملية

لا تؤثر بيئة معمل الفحص المجهري الإلكتروني بشكل مباشر على المجهر الإلكتروني نفسه، ولكنها تؤثر بدلاً من ذلك على جودة التصوير والأداء العام للمجهر. أثناء تشغيل المجهر الإلكتروني، يحتاج شعاع الإلكترون الدقيق إلى الانتقال في بيئة عالية الفراغ، ليغطي مسافة 0.7 متر (لـ المجهر الإلكتروني الماسحe) إلى أكثر من 2 متر (لـ المجهر الإلكتروني للإرساله). على طول المسار، يمكن أن تتسبب العوامل الخارجية مثل المجالات المغناطيسية والاهتزازات الأرضية والضوضاء في الهواء وتدفقات الهواء في انحراف شعاع الإلكترون عن المسار المقصود، مما يؤدي إلى تدهور جودة التصوير. ولذلك، لا بد من تلبية متطلبات محددة للبيئة المحيطة.

كما هو معروف، تتكون الموجات الكهرومغناطيسية من مجالات مغناطيسية وكهربائية متناوبة. ومع ذلك، من المهم أخذ التردد في الاعتبار عند قياس الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام المجالات المغناطيسية أو الكهربائية. ومن الناحية العملية، من الضروري أخذ التردد بعين الاعتبار.

عند الترددات المنخفضة جدًا (حيث يميل التردد إلى الصفر، أي ما يعادل المجال المغناطيسي المستمر)، يصبح المكون المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية أقوى بينما يضعف المكون الكهربائي. ومع زيادة التردد، يقوى المكون الكهربائي ويقل المكون المغناطيسي. وهذا انتقال تدريجي دون نقطة تحول واضحة. بشكل عام، من صفر إلى بضعة كيلو هرتز، يمكن تحديد مكون المجال المغناطيسي بشكل جيد، ويتم استخدام وحدات مثل غاوس أو تسلا لقياس شدة المجال. فوق 100 كيلو هرتز، يتم قياس مكون المجال الكهربائي بشكل أفضل، والوحدة المستخدمة لشدة المجال هي فولت لكل متر (V/m). عند التعامل مع بيئة كهرومغناطيسية منخفضة التردد مع مكون مجال مغناطيسي قوي، فإن تقليل المجال المغناطيسي بشكل مباشر هو أسلوب فعال.

التالي، سوف نركز على التطبيق العملي لحماية مجال كهرومغناطيسي منخفض التردد (0-300 هرتز) مع قوة مجال مغناطيسي تتراوح من 0.5 إلى 50 ملليجاوس (من الذروة إلى الذروة) في حجم محمي يبلغ 40-120 مترًا مكعبًا . مع الأخذ في الاعتبار فعالية التكلفة، فإن مادة التدريع المستخدمة عادة ما تكون عبارة عن لوحة فولاذية منخفضة الكربون Q195 (المعروفة سابقًا باسم A3).

نظرًا لأن فقدان التيار الدوامي لمادة سميكة واحدة أكبر من فقدان الطبقات الرقيقة المتعددة (بنفس السماكة الإجمالية)، يفضل استخدام المواد ذات الطبقة الواحدة الأكثر سمكًا ما لم تكن هناك متطلبات محددة. لنقم بإنشاء نموذج رياضي:

1. اشتقاق الصيغة

نظرًا لأن طاقة الموجات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد تتكون بشكل أساسي من طاقة المجال المغناطيسي، فيمكننا استخدام مواد عالية النفاذية لتوفير مسارات تجاوز مغناطيسية لتقليل كثافة التدفق المغناطيسي داخل حجم التدريع. من خلال تطبيق طريقة تحليل دوائر التحويل المتوازية، يمكننا استخلاص صيغة الحساب للتحويل المتوازي لمسارات التدفق المغناطيسي.

وإليك بعض التعاريف:

هو:قوة المجال المغناطيسي الخارجي

مرحبًا: قوة المجال المغناطيسي داخل حجم التدريع

Hs: قوة المجال المغناطيسي داخل مادة التدريع

أ: المنطقة التي تمر من خلالها الخطوط المغناطيسية عبر الدرع A = L × W

Φo: نفاذية الهواء

Φs: نفاذية مادة التدريع

Ro: المقاومة المغناطيسية للمساحة الداخلية للدرع

روبية: المقاومة المغناطيسية لمادة التدريع

L: طول حجم التدريع

ث: عرض حجم التدريع

ح: ارتفاع حجم التدريع (أي طول القناة المغناطيسية)

ب: سمك مادة التدريع

من الرسم التخطيطي (الشكل 1) يمكننا الحصول على المعادلات التالية:

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

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

من مخطط الدائرة المكافئة (الشكل 2) يمكننا الحصول على المعادلة التالية:

Rs = مرحبا × رو / (هو - مرحبا) (3)

من خلال استبدال المعادلتين (1) و (2) في المعادلة (3) وإعادة الترتيب، نحصل على الصيغة (4) لحساب سمك مادة التدريع ب:

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

ملاحظة:

في المعادلة (4)، يتم حذف طول القناة المغناطيسية h أثناء عملية التبسيط، ويتم أيضًا حذف الوحدات الفيزيائية مثل Φo وΦs وHo وHi وغيرها. من الضروري فقط التأكد من تناسق وحدات الطول.

من المعادلة (4)، يمكن ملاحظة أن فعالية التدريع ترتبط بنفاذية وسمك مادة التدريع، وكذلك حجم حجم التدريع. تؤدي النفاذية الأعلى ومواد التدريع الأكثر سمكًا إلى انخفاض المقاومة المغناطيسية وارتفاع خسائر التيار الدوامي، مما يؤدي إلى فعالية تدريع أفضل. عندما تكون النفاذية والسماكة متماثلتين، سيؤدي حجم التدريع الأكبر إلى أداء تدريع أقل.

2. التحقق من صحة الصيغة

يمكننا استخدام المعادلة (4) Φo=1, L=5m, W=4m, Φs=4000 لحساب سمك مادة التدريع ومقارنة النتائج المحسوبة مع البيانات التجريبية (التي استغرق جمعها عدة أشهر):

الجدول 1

ملاحظة:

1. تتراوح قوة المجال المغناطيسي الخارجي بين 5-20 ملليجاوس (من الذروة إلى الذروة).

2. يتم الحصول على القيم المقاسة عن طريق تحويل اختبارات متعددة في ظل ظروف مختلفة. وبما أن شروط الاختبار لكل قياس ليست هي نفسها، فإن القيم المقدمة تمثل قياسات متوسطة تقريبية.

في الواقع، نظرًا لعوامل مختلفة، من الصعب جدًا إنشاء نموذج رياضي بسيط لتحليل وحساب فعالية التدريع الكهرومغناطيسي منخفض التردد. يمكن أن تعزى الانحرافات الكبيرة بين النتائج المحسوبة والبيانات التجريبية إلى الأسباب التالية.

أولا،العلاقة الوظيفية في دائرة التحويل الموازية خطية، بينما في الدوائر المغناطيسية، لا تظهر النفاذية وكثافة التدفق المغناطيسي وخسائر التيار الدوامي علاقات خطية. العديد من المعلمات عبارة عن وظائف غير خطية لبعضها البعض (على الرغم من أنها قد تظهر خطية جيدة في نطاقات معينة). أثناء اشتقاق آلية التحويل المتوازية في الدوائر المغناطيسية، تم حذف بعض المعلمات، وتم إجراء تقديرات تقريبية، وتم تبسيط الشروط لتجنب الحسابات المعقدة، مما أدى إلى جعل الدائرة المغناطيسية خطية. هذه العوامل هي الأسباب الرئيسية للاختلافات في الدقة بين الحسابات والتجارب.

ثانيًا،عادةً ما تكون مواصفات الألواح الفولاذية التجارية منخفضة الكربون بحجم 1.22 م × 2.44 م. مع الأخذ في الاعتبار حجم الغرفة 5 م × 4 م × 3 م كمثال، حتى مع اللحام الكامل، سيظل هناك أكثر من 50 لحام، وغالبًا ما يكون سمك اللحامات أصغر من سمك اللوحة الفولاذية. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون هناك فتحات وفجوات في مادة التدريع، مما يؤدي إلى زيادة إجمالية في المقاومة المغناطيسية وانخفاض في النفاذية. ولذلك، فإن صيغة حساب التدريع المغناطيسي المستمدة من دائرة التحويل المتوازية تحتاج إلى تعديل لتقترب من الظروف الفعلية.

3. صيغة الحساب المعدلة

بناءً على المعادلة (4)، نقدم معامل تصحيح μ ونعتبر نفاذية الهواء تساوي 1 تقريبًا. المعادلة المعدلة لحساب سمك مادة التدريع هي كما يلي (المعادلة 5):

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

يتم تحديد قيمة μ بين 3.2 و4.0. تُفضل القيمة الأصغر لأحجام التدريع الأصغر ومستويات المعالجة الأعلى، بينما تكون القيمة الأكبر أفضل لأحجام التدريع الأكبر. باستخدام المعادلة (5) مع μ = 3.4، تتم مقارنة النتائج المحسوبة مع البيانات التجريبية (انظر الجدول 2)، مما يدل على تحسن كبير في الاتفاق.

الجدول 2

ملاحظة: تظل الشروط الأخرى كما هي في الجدول 1.

تجدر الإشارة إلى أن بيانات الاختبار المتعددة تؤكد التزامن العالي بين النتائج التي تم الحصول عليها من المعادلة (5) والقياسات المختلفة في الموقع. ومع ذلك، كانت هناك حالات معزولة مع انحرافات كبيرة. يمكن أن تعزى هذه الحالات إلى قضايا البناء.

في ما يلي العديد من المواقف التي قد تحدث أثناء الإنشاء:

1. ألواح فولاذية رقيقة تستخدم في المناطق الفردية (مثل الأبواب).

2. اللحام غير المستمر أو وجود فجوات كبيرة في الوصلات الملحومة.

3. عدم كفاية عمق اللحامات، مما يؤدي إلى انخفاض النفاذية في مواقع اللحام و"الاختناقات" المتعددة.

4. فتحات أكبر في المناطق المحمية والمعاملة غير السليمة لفتحات الدليل الموجي.

5. تقصير تعسفي لطول الدليل الموجي أو معالجة دون المستوى المطلوب.

6. سمك جدار الدليل الموجي غير كافٍ.

7. تؤدي نقاط التأريض المتعددة في مادة التدريع إلى توزيع تيار غير منتظم.

8. توصيل مادة التدريع بالسلك المحايد لمصدر الطاقة.

حتى الإهمال البسيط يمكن أن يؤدي إلى تدهور كبير في الفعالية، تعتمد سعة الدلو على أقصر قطعة من الخشب. بالنسبة للمشاريع المخفية مثل هذه، غالبًا ما يتم ضمان الجودة من خلال الحرفية. لذلك، من المهم إيلاء اهتمام دقيق لاختيار شركة بناء موثوقة، والالتزام الصارم بمتطلبات التصميم والعمليات، وتعزيز الإشراف على البناء في الموقع، وتنفيذ عمليات التفتيش على مراحل.

تصميم فتحة غلاف التدريع:

عند تصميم حاوية التدريع، سيواجه المرء حتما مسألة الفتحات. يصعب تطبيق الأساليب النظرية المستخدمة بشكل شائع لتصميم الفتحة بشكل مباشر على تصميم التدريع المغناطيسي منخفض التردد. هنا، سنناقش مثال تصميم درع الغرفة.

1. الفتحات الصغيرة: في الغرف ذات الأجهزة الصغيرة المحمية، عادة ما تكون هناك متطلبات لإمدادات الطاقة وإمدادات الطاقة ومياه التبريد. تقع هذه المرافق الإضافية في الغالب خارج حاوية التدريع وتتصل عبر أنابيب المياه وأنابيب الهواء والكابلات. يمكن أن تكون هذه الأنابيب والكابلات مركزية بشكل مناسب وتمريرها عبر حاوية التدريع باستخدام فتحة صغيرة واحدة أو عدة فتحات. تسمى هذه الثقوب، المصنوعة من نفس مادة غلاف التدريع، "فتحات الدليل الموجي". تعتبر نسبة الطول إلى القطر لفتحات الدليل الموجي على الأقل 3-4:1 (إذا سمحت الظروف في الموقع، فالطول هو الأفضل). على سبيل المثال، إذا كان قطر الثقب الصغير 80 مم، فيجب أن يكون الطول 240-320 مم على الأقل.

2. فتحات متوسطة الحجم: عادةً ما يبلغ قطر فتحات التهوية لتكييف الهواء وفتحات العادم للمراوح (أو الأطوال الجانبية للمربعات أو المستطيلات) حوالي 400-600 ملم. إن حساب طول فتحة الدليل الموجي بناءً على هذه الأبعاد سيؤدي إلى أطوال تتراوح بين 1200-2400 مم، وهو أمر غير ممكن في البناء العملي. في هذه الحالة، يمكن تقسيم الفتحة الأصلية إلى عدة فتحات أصغر بنفس الحجم باستخدام الشبكة. على سبيل المثال، إذا تم تقسيم مدخل الهواء 400×400mm إلى تسع شبكات متساوية الحجم، فسيتم تقليل الطول من 1200-1600mm إلى 400-530mm (الزيادة في مقاومة تدفق الهواء بسبب الشبكات لا تذكر).

عند التصميم والتصنيع يجب الانتباه إلى النقاط التالية:

- يجب أن تكون مادة الشبكات هي نفس مادة غلاف التدريع، ولا ينبغي تقليل سمك المادة بشكل تعسفي.

- يجب أن يكون المقطع العرضي للشبكات أقرب إلى المربع قدر الإمكان.

- حاول تقليل عدد الشبكات قدر الإمكان، ضمن أطوال مقبولة، لتقليل صعوبات المعالجة ومقاومة تدفق الهواء.

- التأكد من اللحام المستمر في جميع مواقع الشبكات لمنع زيادة المقاومة المغناطيسية.

- زيادة النفاذية المغناطيسية بإضافة صفائح من السيليكون الصلب عند تقاطعات الشبكات.

3. فتحات كبيرة قابلة للإغلاق:عادةً ما تحتوي أبواب ونوافذ الغرفة على فتحات بقياس 1 م × 2 م أو أكبر. في هذه الحالة، يجب تصميم فتحات الدليل الموجي بناءً على الفجوات غير المغناطيسية عند إغلاق الأبواب والنوافذ (مصنوعة من نفس مادة غلاف التدريع). بافتراض وجود فجوة غير مغناطيسية تبلغ 5 مم (وهو أمر لا يمثل تحديًا تقنيًا، ويمكن إضافة طيات حافة إضافية في المناطق التي يصعب التعامل معها)، يجب أن يكون طول فتحة الدليل الموجي 15-20 مم. ونظرا لأن الفجوة ضيقة وطويلة، فمن الأفضل أن تكون أطول. لاحظ أن فتحات الدليل الموجي لا تتشكل فقط من إطارات الأبواب والنوافذ؛ يجب أن يكون هناك سماكة معينة لطيات الحواف في جميع مواقع الفجوات غير المغناطيسية لضمان طول فتحة الدليل الموجي. لضمان الإخلاء الآمن في الظروف الخاصة، يجب تعزيز إطارات أبواب غرفة التدريع، ويجب أن تفتح أبواب التدريع للخارج.

إليك مثال عملي للتصميم:

أبعاد الغرفة هي الطول 5 م، العرض 4 م، والارتفاع 3.3 م، مع شدة المجال المغناطيسي الأصلية x=10mGauss، y=8mGauss، و z=12mGauss. الهدف هو تصميم درع كهرومغناطيسي منخفض التردد يضمن أن تكون قوة المجال المغناطيسي في أي اتجاه داخل العلبة أقل من 2 مللي غاوس. انظر الشكل 3.

1. اختر ألواح فولاذية تجارية منخفضة الكربون بـ Φs=4000 ومواصفات 1.22m×2.44m.

2. استخدم المعادلة (5) لحساب سمك الألواح الفولاذية من اتجاهات x وy وz:

بأخذ μ كـ 3.8، استبدل الطول والعرض والارتفاع المحدد في L×W، بما يتوافق مع شدة المجال المغناطيسي الأصلية في اتجاهات x وy وz.

bx=3.8〔3.3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3.3m) 2×4000×2mGauss〕

=3.43 ملم

بواسطة=3.8م3.3م×5م×(8مجاوس -2مجاوس)/(5م+3.3م) 2×4000×2مجاوس〕

=2.83 ملم

bz=3.8〔5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGauss〕

=5.28 ملم (إذا كان الطول والعرض 10 أمتار و6 أمتار، على التوالي، فإن السُمك المحسوب سيكون b=2280/56000=8.91 ملم)

يجب أن يكون سمك جميع الألواح الفولاذية 6 مم على الأقل (للسماح بتغيرات المجال المغناطيسي البيئي، ويمكن استخدام 8-10 مم أيضًا) كطبقة واحدة.

يجب أن تكون جميع طبقات اللحام مستمرة ومحاولة تحقيق عمق قريب من سمك المادة الأساسية.

3. معالجة فتح الدليل الموجي

(تم الحذف. راجع القسم الخاص بتصميم فتحة حاوية التدريع).

بعد الانتهاء، تم اختبار حاوية التدريع واستيفاء متطلبات التصميم بالكامل.

ملاحظة: لا يمكن للدرع المغناطيسي تحسين بيئات تداخل التيار المستمر. عندما تكون هناك حاجة لتحسين بيئات التداخل الكهرومغناطيسي DC، يجب استخدامه جنبًا إلى جنب مع أجهزة إزالة المغناطيسية التي تتمتع بقدرات إزالة التيار المستمر.