تأثيرات التدريع الكهرومغناطيسي في بيئة مختبر الفحص المجهري الإلكتروني (الجزء 4): تحسين بيئة الاهتزازات منخفضة التردد

أولاً، دعونا نناقش أسباب الاهتزازات ذات التردد المنخفض.

أثبتت الاختبارات المتكررة أن الاهتزازات ذات التردد المنخفض تنتج في المقام الأول عن رنين المبنى. تتشابه مواصفات البناء للمباني الصناعية والمدنية عمومًا من حيث ارتفاع الأرضية، والعمق، والامتداد، ومقاطع العوارض والأعمدة، والجدران، وعوارض الأرضية، وألواح الطوافة، وما إلى ذلك. وعلى الرغم من أنه قد تكون هناك بعض الاختلافات، خاصة فيما يتعلق بالرنين منخفض التردد، ويمكن تحديد الخصائص المشتركة.

وإليك بعض الأنماط التي لوحظت في اهتزازات البناء:

1. تميل المباني ذات المخططات الأرضية الخطية أو النقطية إلى إظهار رنين أكبر منخفض التردد، في حين أن المباني ذات الأشكال الأخرى مثل T أو H أو L أو S أو U لها رنين أصغر.

2. في المباني ذات المخططات الأرضية الخطية، غالبًا ما تكون الاهتزازات على طول المحور الطويل أكثر وضوحًا من تلك الموجودة على طول المحور القصير.

3. في نفس المبنى، عادةً ما يتعرض الطابق الأول بدون طابق سفلي لأصغر الاهتزازات. ومع زيادة ارتفاع الأرضية، تزداد الاهتزازات سوءًا. الاهتزازات في الطابق الأول من المبنى الذي يحتوي على طابق سفلي تشبه تلك الموجودة في الطابق الثاني، وعادة ما يتم ملاحظة أقل الاهتزازات في أدنى مستوى من الطابق السفلي.

4. تكون الاهتزازات العمودية بشكل عام أكبر من الاهتزازات الأفقية وتكون مستقلة عن مستوى الأرضية.

5. تؤدي ألواح الأرضية السميكة إلى اختلافات أصغر بين الاهتزازات الرأسية والأفقية. وفي أغلب الحالات تكون الاهتزازات الرأسية أكبر من الاهتزازات الأفقية.

6. ما لم يكن هناك مصدر اهتزاز كبير، فإن الاهتزازات الموجودة في نفس الطابق من المبنى تكون متسقة بشكل عام. ينطبق هذا على المواقع الموجودة في منتصف الغرفة وكذلك تلك القريبة من الجدران أو الأعمدة أو العوارض العلوية. ومع ذلك، حتى لو تم أخذ القياسات في نفس الموقع دون أي حركة وبفاصل زمني بضع دقائق، فمن المرجح أن تختلف القيم.

الآن بعد أن عرفنا مصادر وخصائص الاهتزازات منخفضة التردد، يمكننا اتخاذ تدابير التحسين المستهدفة وإجراء تقييمات متقدمة لظروف الاهتزاز في بيئات معينة.

قد يكون تحسين الاهتزازات منخفضة التردد مكلفًا، وفي بعض الأحيان لا يكون ممكنًا بسبب القيود البيئية. وبالتالي، في التطبيقات العملية، غالبًا ما يكون من المفيد اختيار موقع أفضل أو الانتقال إليه لتشغيل مختبر المجهر الإلكتروني.

بعد ذلك، دعونا نناقش تأثير الاهتزازات منخفضة التردد والحلول المحتملة.

الاهتزازات الأقل من 20 هرتز لها تأثير تخريبي كبير على المجاهر الإلكترونية، كما هو موضح في الأشكال التالية.

الصورة 1

الصورة 2

الصورة 1 والصورة 2 بواسطة نفس Sالتعليب Eالكترون Mالمجهر (كلاهما بسرعة 300 كيلو × التكبير). ومع ذلك، نظرًا لوجود تداخل الاهتزاز، الصورة 1 بها خشونة ملحوظة في الاتجاه الأفقي (في المقاطع)، ويتم تقليل وضوح الصورة ودقتها بشكل كبير. الصورة 2هي النتيجة التي تم الحصول عليها من نفس العينة بعد إزالة تداخل الاهتزاز.

إذا كانت نتائج الاختبار تشير إلى أن الموقع الذي سيتم تركيب المجهر به اهتزازات مفرطة، فيجب اتخاذ التدابير المناسبة؛ خلاف ذلك، لا يمكن للشركة المصنعة للمجهر ضمان أن أداء المجهر بعد التثبيت يمكن أن يلبي معايير التصميم الأمثل. بشكل عام، يمكن اختيار عدة طرق لتحسين المشكلة أو حلها، مثل استخدام مضاد للاهتزاز الأساس، منصة عزل الاهتزاز السلبي، أو منصة عزل الاهتزاز النشط.

An مضاد للاهتزاز الأساس يتطلب إنشاءًا في الموقع ويجب اتخاذ تدابير خاصة (مثل وجود طبقة وسادة مرنة في الأسفل والمناطق المحيطة). قد تؤدي طرق البناء التقليدية إلى زيادة الاهتزازات منخفضة التردد (أقل من 20 هرتز). إن عملية البناء التي تنطوي على كمية كبيرة من مواد البناء الداخلة والخارجة قد تؤثر حتماً على البيئة المحيطة. رسم تخطيطي لـ مقاوم للاهتزاز كريم الأساس يمكن رؤيته في Image3.

صورة3

تحقق منصة عزل الاهتزاز الخرسانية بكتلة تبلغ حوالي 50 طنًا عمومًا تأثير تقليل الاهتزاز من -2 إلى -10 ديسيبل عند ترددات أعلى من 2 هرتز. كلما زادت كتلة منصة عزل الاهتزاز الخرسانية، كلما كان تقليل الاهتزاز أفضل. وإذا سمحت الظروف بذلك، ينبغي أن تكون كبيرة قدر الإمكان.

استنادًا إلى اختبارات متعددة تم إجراؤها في مواقع مختلفة، تظهر منصات عزل الاهتزاز التي يقل وزنها عن 5 أطنان رنينًا في نطاق التردد المنخفض من 1 إلى 10 هرتز، مما يزيد من الاهتزاز. أما تلك التي يقل وزنها عن 20 طنًا فهي غير فعالة، ويبدأ المدى الفعال بأكثر من 30 طنًا. لا تتوفر بيانات عن 30-40 طنًا، لذا ينصح بتجنب الأوزان التي تقل عن 50 طنًا. حققت إحدى الجامعات في بكين نتائج جيدة مع منصة عزل الاهتزازات التي تزن حوالي 100-200 طن. وفي معهد أبحاث في تشونغتشينغ، تم صب الخرسانة الأرضية مباشرة على صخور ضخمة، مما أدى إلى الحد الأدنى من الاهتزاز.

من بين مخمدات الاهتزاز السلبية، توفر الخيارات شائعة الاستخدام مثل المطاط والينابيع الفولاذية والينابيع الهوائية (الأسطوانات) أداءً ضعيفًا في نطاق التردد المنخفض أقل من 20 هرتز. وهي غالباً ما تقوم بتضخيم الاهتزازات بسبب الرنين، لذا فهي لا تعتبر مناسبة.

فقط المخمدات المغناطيسية هي التي تظهر أداءً مقبولاً للتردد المنخفض، لكن أدائها لا يزال أقل بكثير من المخمدات النشطة (على غرار تأثير تقليل الاهتزاز لمنصات عزل الاهتزاز الخرسانية). الشكل 4 يقارن فعالية عدة طرق.

الشكل 4

وبالملاحظة الدقيقة للشكل 4، يمكننا استخلاص النتائج التالية:

1. يبلغ تردد الرنين (f_h) لزنبرك الفولاذ الكربوني حوالي 50 هرتز. لا يوفر أي تأثير تخميد أقل من 70 هرتز، وفي الواقع، يضخم الاهتزاز بسبب الرنين. تحتوي الوسادة المطاطية على f_h حوالي 25 هرتز ولا توفر أي تأثير تخميد أقل من 35 هرتز، كما تعمل أيضًا على تضخيم الاهتزاز بسبب الرنين.

2. المخمدات الخرسانية التي تقل سعتها عن 5 طن تظهر رنينًا أقل من 10 هرتز وغالبًا ما تكون أقل فعالية من عدم استخدام المخمدات على الإطلاق.

3. تحتوي النوابض الهوائية على f_h بقدر 15 هرتز تقريبًا، مما يوفر تخميدًا جيدًا فوق 25 هرتز وتخميدًا ممتازًا فوق 40 هرتز. يتم استخدامها على نطاق واسع لعزل الاهتزاز في المعدات الدقيقة مثل المنصات البصرية. ومع ذلك، فإنها تظهر رنينًا كبيرًا أقل من 20 هرتز، مما يجعلها غير مناسبة لتخميد المجاهر الإلكترونية (على الرغم من أن بعض المجاهر الإلكترونية تستخدم النوابض الهوائية كملاذ أخير).

4. توفر المخمدات المغناطيسية تخميدًا مرضيًا منخفض التردد ويمكن استخدامها عندما لا يتم فرض متطلبات صارمة.

5. تحقق المخمدات النشطة المختلفة تأثيرات تخميد ممتازة. يمكن أن تكون ترددات الرنين أقل من 1 هرتز، ويمكن أن توفر تخميدًا يصل إلى -10 إلى -22 ديسيبل في نطاق 2-10 هرتز، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب تخميدًا فعالًا في نطاق التردد المنخفض.

بشكل عام، تعتبر الاهتزازات التي تقل عن 20 هرتز لها تأثير كبير على المجاهر الإلكترونية ويصعب تخفيفها. نظرًا لأن معظم الأشخاص لا يستطيعون إدراك الاهتزازات التي تقل عن 20 هرتز، فغالبًا ما يؤدي ذلك إلى اعتقاد خاطئ بأنه لا يوجد اهتزاز عند وجود اهتزازات كبيرة منخفضة التردد.

تستخدم المخمدات السلبية الخصائص الفيزيائية لأجهزة التخميد، مثل كتلتها وخصائص نقل الاهتزاز الكامنة، لعزل وتخفيف الاهتزازات الخارجية التي تؤثر على المجهر الإلكتروني. يمكن الرجوع إلى مبدأ عمل المخمدات السلبية في الشكل 5.

الشكل 5

يختلف مبدأ عمل المخمدات النشطة بشكل كبير عن المخمدات السلبية. تتمتع أنواع مختلفة من المخمدات النشطة بمبادئ عمل مماثلة، والتي تتضمن مستشعرًا ثلاثي الأبعاد يكتشف الاهتزازات الخارجية في ثلاثة اتجاهات. يرسل المستشعر المعلومات إلى وحدة التحكم PID (المشتق المتناسب والتكاملي)، والتي تولد إشارات تحكم ذات سعة متساوية ولكن في الطور المعاكس. يتم بعد ذلك استخدام إشارات التحكم هذه بواسطة مشغل لتوليد اهتزازات داخلية بسعة متساوية وأطوار متقابلة لمواجهة الاهتزازات الخارجية أو تقليلها. يمكن الإشارة إلى مبدأ عمل المخمدات النشطة كما هو موضح في الشكل 6.

الشكل 6

تشمل المخمدات النشطة شائعة الاستخدام المخمدات الخزفية الكهروضغطية، والمخمدات الهوائية، والمخمدات الكهرومغناطيسية. تكمن الاختلافات بينهما بشكل أساسي في آلية التشغيل، في حين أن أجهزة الكشف ثلاثية الأبعاد ووحدات التحكم PID متشابهة نسبيًا.

كهرضغطية جسيراميك دأمبير:

إنها تستخدم التأثير الكهرضغطي للمادة الخزفية لتوليد اهتزازات داخلية ثلاثية الأبعاد بسعة متساوية وطور معاكس.

هوائي د أمبير:

يتم التحكم فيها بواسطة وحدة تحكم PID، وتقوم صمامات الدخول والخروج بتعديل الهواء المضغوط المستمر في أسطوانة خاصة لتوليد اهتزازات داخلية ثلاثية الأبعاد بسعة متساوية وطور معاكس.

الكهرومغناطيسي Dالأمبير:

تتحكم وحدة التحكم PID في ثلاث مجموعات من الملفات الكهرومغناطيسية لتوليد اهتزازات داخلية ثلاثية الأبعاد بسعة متساوية وطور معاكس.

يمكن للمخمدات النشطة تحقيق تأثيرات تقليل الاهتزاز بحوالي -22 إلى -28 ديسيبل فوق 20 هرتز (على الرغم من وجود ادعاءات بتحقيق -38 ديسيبل، إلا أنها في الغالب غير مثبتة).

تحتوي الأنواع المختلفة من المخمدات النشطة أيضًا على اختلافات كبيرة في الأسعار. بشكل عام، يتم تحضير المخمدات قبل تركيب المجهر الإلكتروني ويتم تركيبها بالتزامن مع المجهر.

بالإضافة إلى ذلك، في ظل ظروف محددة، يمكن لخندق عزل الاهتزاز أيضًا تحقيق تأثيرات تخميد جيدة.

الشكل 7 يصور الحالة التي يوجد فيها خندق عزل الاهتزاز.

الشكل 7

الشكل 8

الشكل 8 يمثل سيناريو غير فعال لخندق الاهتزاز.

بشكل عام، كلما كان خندق الاهتزاز أعمق، كان تأثير التخميد أفضل (عرض الخندق له تأثير ضئيل على تأثير التخميد). فيما يلي مقارنة بين العديد من طرق التخميد الشائعة: