電鏡應(yīng)用環(huán)境改善方案！

FEI（上海） 張毅 張承青

關(guān)鍵詞: 電磁干擾、消磁器、消磁器工作原理和性能測(cè)評(píng) 
       目錄
一．環(huán)境電磁干擾
二．低頻電磁干擾的改善途徑
三．主動(dòng)式消磁器的基本工作原理及適用范圍
四．主動(dòng)式消磁器性能改進(jìn)（雙線(xiàn)圈、雙探測(cè)器）
五．評(píng)測(cè)主動(dòng)式消磁器性能的主要指標(biāo)
六．主動(dòng)式消磁器性能測(cè)評(píng)

一．環(huán)境電磁干擾
    自從人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了電磁應(yīng)用以來(lái)，電磁能這種不能直接觀察到的物理現(xiàn)象正在日益深入我們生活的方方面面。電磁力給我們帶來(lái)許多便利，大大改善人們的工作和生活環(huán)境，但是在造福人類(lèi)的同時(shí)也帶來(lái)許多麻煩和困擾。在我們工作和生活的周?chē)臻g，處處都充斥著各種各樣的電磁波。有中低頻的電磁波，還有高頻和超高頻無(wú)線(xiàn)電波（其它如光波等電磁波這里就不討論了）。許多場(chǎng)合下，這些電磁波會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)奈：Α?，對(duì)于裝有心臟起搏器的人來(lái)說(shuō)，強(qiáng)電磁干擾很可能會(huì)奪去他們的生命。同樣，對(duì)于精密儀器和設(shè)備，電磁干擾也會(huì)使它們不能正常工作。
    對(duì)于電子顯微鏡和電子束曝光這一類(lèi)利用電子束在空間（往往是真空度很高的一個(gè)密閉的小區(qū)域）飛行及其衍生效應(yīng)來(lái)工作設(shè)備來(lái)說(shuō)，低頻（0. 1 到 350 赫茲）電磁干擾往往是不可忽視的。然而人們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于高頻電磁干擾，低頻電磁干擾是相當(dāng)難以屏蔽或消除的。
    針對(duì)各種高頻電磁干擾，采用不同材料制作的屏蔽就可以有效解決問(wèn)題。對(duì)于低頻電磁干擾，除了制作低頻電磁屏蔽外，還有別的方法。

二．低頻電磁干擾的改善途徑
    低頻電磁干擾的改善途徑有兩個(gè)，一是利用高導(dǎo)磁材料針對(duì)低頻電磁干擾的磁場(chǎng)分量直接分流磁力線(xiàn)，使大部分磁力線(xiàn)被會(huì)聚到導(dǎo)磁材料（屏蔽體）內(nèi)，被屏蔽的局部空間內(nèi)磁力線(xiàn)密度下降，低頻電磁干擾強(qiáng)度降低（請(qǐng)參考《低頻電磁屏蔽實(shí)踐（2014 修改稿）》一文，這里不再詳述）；二是根據(jù)電磁波是矢量的基本物理性質(zhì)，人為產(chǎn)生等幅反向的消磁磁場(chǎng)，使得被三維消磁線(xiàn)圈（因?yàn)殡姶鸥蓴_是全方向三維的，所以消磁磁場(chǎng)也必須是三維的）包圍的局部空間內(nèi)合成磁場(chǎng)強(qiáng)度下降。顯然，這兩種方法的物理機(jī)理不同，實(shí)施手段不同，實(shí)際效果也有差異，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇。

三．主動(dòng)式消磁器的基本工作原理及適用范圍 
    主動(dòng)式消磁器一般由三個(gè)部分構(gòu)成：三維探測(cè)器、三通道控制器和三個(gè)消磁線(xiàn)圈。三維探測(cè)器檢測(cè)空間磁場(chǎng)的三維立體場(chǎng)強(qiáng)及其變化（實(shí)際上只是三維探測(cè)器所在位置的一個(gè)很小區(qū)域）；三通道控制器根據(jù)得到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) PID 跟蹤運(yùn)算，并輸出三路連續(xù)跟蹤的反相消磁電流；三個(gè)消磁線(xiàn)圈相互垂直安裝，將需要消磁的空間區(qū)域包含在其中，產(chǎn)生波形和幅度相同、相位相反的電磁場(chǎng)將原來(lái)的電磁干擾抵消。必須指出的是，由于受到基本工作原理的限制，主動(dòng)式消磁器的效果時(shí)常不盡如人意。從時(shí)域上來(lái)看，無(wú)論如何提高控制器的速度，也仍然存在時(shí)間差；從磁場(chǎng)傳輸原理來(lái)看，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度與信號(hào)源（消磁線(xiàn)圈就是一個(gè)信號(hào)源）距離的平方成反比，反相消磁場(chǎng)強(qiáng)在三維消磁線(xiàn)圈所包圍的局部空間內(nèi)梯度變化很大，而環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的梯度往往是比較均勻的，故此，消磁后的合成磁場(chǎng)一般是不均勻的（參見(jiàn)圖一）。從圖一可以看見(jiàn)，探測(cè)器所在的 a 點(diǎn)位置合成磁場(chǎng)zui小，離開(kāi) a 點(diǎn)位置越遠(yuǎn)消磁效果越差。也就是說(shuō)，主動(dòng)式消磁器的實(shí)際效果往往遠(yuǎn)不如控制器自己顯示的那么好，實(shí)際有效空間也遠(yuǎn)小于三維消磁線(xiàn)圈所包圍的空間。

圖一. 環(huán)境磁場(chǎng)、反相消磁磁場(chǎng)（單線(xiàn)圈）和合成磁場(chǎng)

    許多主動(dòng)式消磁器的有效范圍都不大于 1 米，有效范圍內(nèi)的消磁效果大多都不會(huì)好于 0.5mGauss，選用時(shí)必須注意。主動(dòng)式消磁器一般適用于超凈廠房、潔凈室內(nèi)或空間狹小等難以施工制作磁屏蔽的情況。另外由于低頻電磁屏蔽的固有物理特性，對(duì)準(zhǔn)直流（Near DC）磁場(chǎng)消磁效果不佳，所以在有準(zhǔn)直流磁場(chǎng)的電磁干擾時(shí)，選用主動(dòng)式消磁器是目前*的選擇。安裝時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的要求不高，拆除和重新安裝都很方便，這是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

四．主動(dòng)式消磁器性能改進(jìn)（雙探測(cè)器、雙線(xiàn)圈）
    由主動(dòng)式消磁器的基本工作原理可知，在反相消磁線(xiàn)圈的作用范圍內(nèi)，其場(chǎng)強(qiáng)并不是均勻的。探測(cè)器所在位置消磁效果，逐漸遠(yuǎn)離探測(cè)器所在的位置時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)消磁效果逐漸變差，這種不均勻性是主動(dòng)式消磁器的固有弱點(diǎn)。主動(dòng)式消磁器的消磁效果以其探測(cè)器為中心向外遞減，其等強(qiáng)度面為球形，如圖二所示。

圖二. 單探測(cè)器消磁效果示意

    由于大多數(shù)情況下需要消磁的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)垂直圓柱形，為改進(jìn)效果可以使用雙探測(cè)器，其效果可以用圖三表示。一般兩個(gè)探測(cè)器間距 0.5 米～1 米，距離過(guò)大效果反而變差，距離過(guò)小則效果等同單探測(cè)器。

圖三. 雙探測(cè)器消磁效果示意

    實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙探測(cè)器對(duì)消磁效果的改善作用有限，而使用雙線(xiàn)圈對(duì)消磁效果的改善明顯。所謂雙線(xiàn)圈就是將原來(lái)單個(gè)消磁線(xiàn)圈擔(dān)負(fù)的工作由兩個(gè)相距足夠距離的同相線(xiàn)圈來(lái)完成，探測(cè)器盡量位于兩個(gè)線(xiàn)圈的中間。這樣一來(lái)，在三個(gè)方向就一共有六個(gè)線(xiàn)圈，所以又稱(chēng)為六線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)。單線(xiàn)圈與雙線(xiàn)圈效果的差異可以從圖四和圖五清楚地看到。

圖四. 環(huán)境磁場(chǎng)、反相消磁磁場(chǎng)（雙線(xiàn)圈）和合成磁場(chǎng)

圖五. 單線(xiàn)圈和雙線(xiàn)圈效果比較

    從圖五可以直觀地看到，雙線(xiàn)圈合成磁場(chǎng)曲線(xiàn)比單線(xiàn)圈要平坦得多，也就是說(shuō)，有效范圍大，雙線(xiàn)圈的效果比單線(xiàn)圈要好得多。現(xiàn)在，各家廠商各種品牌普遍都有雙探測(cè)器、雙線(xiàn)圈（也稱(chēng)為六線(xiàn)圈）的型號(hào)可以供應(yīng)。對(duì)于磁場(chǎng)超標(biāo)不多或者對(duì)于環(huán)境要求不高的場(chǎng)合，為降低費(fèi)用，大多選用只配備單探測(cè)器和單線(xiàn)圈（也稱(chēng)為三線(xiàn)圈）的型號(hào)。對(duì)于磁場(chǎng)較多或者對(duì)于環(huán)境要求較高的場(chǎng)合，就應(yīng)該選用配備雙探測(cè)器、雙線(xiàn)圈（也稱(chēng)為六線(xiàn)圈）的型號(hào)。對(duì)于*儀器的高標(biāo)準(zhǔn)要求，還是選用低頻電磁屏蔽更為穩(wěn)妥可靠（有準(zhǔn)直流磁場(chǎng)則再增配有消 Near DC 功能的主動(dòng)式消磁器補(bǔ)充）。

五．評(píng)測(cè)主動(dòng)式消磁器性能的主要指標(biāo)
評(píng)測(cè)主動(dòng)式消磁器性能主要應(yīng)有如下指標(biāo)：

1．消磁能力
2．消磁范圍
3．現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的便利性 
4．準(zhǔn)直流（Near DC）電磁干擾的消除性能

    測(cè)評(píng)消磁能力時(shí)不能只看消磁器自己的顯示數(shù)值，這種數(shù)值往往與近旁的其它檢測(cè)儀器顯示數(shù)值相差甚遠(yuǎn)。究其原因，一是顯示的不是峰峰值（peak-peak）而是有效值；二是不排除部分廠商虛構(gòu)信息（如某國(guó)外品牌顯示消磁狀態(tài)的磁場(chǎng)強(qiáng)度是 0.00 毫高斯，前已述及，那是不可能的）；三是顯示的數(shù)值只是探測(cè)器所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度。我們知道，在逐漸離開(kāi)探測(cè)器所在的位置時(shí)，消磁效果就隨之逐漸變差。一般探測(cè)器距離需要保護(hù)的區(qū)域距離大于 0.3 米，而消磁器的有效工作區(qū)域直徑不過(guò) 1 到 2 米。消磁能力還應(yīng)從兩方面去看：1）zui低場(chǎng)強(qiáng)。指無(wú)論環(huán)境磁場(chǎng)多么小，消磁器所能達(dá)到的zui低場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值。例如同在 0.5 毫高斯的環(huán)境下，一臺(tái)消磁器可以達(dá)到0.2 毫高斯，而另一臺(tái)只能達(dá)到 0.3 毫高斯，當(dāng)然前者優(yōu)于后者。2）在一定環(huán)境
場(chǎng)強(qiáng)下可以達(dá)到的zui低數(shù)值。例如在 5 毫高斯的環(huán)境下，一臺(tái)消磁器可以達(dá)到 1 毫高斯，而另一臺(tái)只能達(dá)到 2 毫高斯，優(yōu)劣自現(xiàn)。消磁范圍是指在同樣條件下、相同場(chǎng)強(qiáng)的球面直徑范圍。例如同在 3 毫高斯的環(huán)境下，一臺(tái)消磁器的 0.8 毫高斯等強(qiáng)度球面直徑為 1 米，而另一臺(tái)能達(dá)到 2 米，說(shuō)明后者保護(hù)范圍比前者大。某些品牌或型號(hào)的消磁器控制器除了數(shù)值顯示外只有少數(shù)幾個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，看上去自動(dòng)化程度很高，但在許多電磁環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合就顯出調(diào)節(jié)范圍過(guò)小的弊端。在目前國(guó)內(nèi)的具體條件下，可以在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器有其現(xiàn)實(shí)的便利性。不少品牌或型號(hào)的消磁器具有消除準(zhǔn)直流（Near DC）電磁干擾的功能，雖然大多數(shù)情況下不需要此功能，但是在距離地鐵很近（200 米內(nèi)）的地方，準(zhǔn)直流電磁干擾強(qiáng)度很大，這時(shí)是否具有 Near DC（部分品牌簡(jiǎn)稱(chēng)為 DC）功能往往是決定性的。

六．主動(dòng)式消磁器性能測(cè)評(píng)
    綜上所述，對(duì)一套主動(dòng)式消磁器性能進(jìn)行測(cè)評(píng)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備另外一臺(tái)測(cè)試儀器，在距離探測(cè)器不同距離的各個(gè)方向，等間距地測(cè)試全套數(shù)據(jù)，如此才能正確判定其消磁能力和消磁范圍。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)評(píng)時(shí)，應(yīng)檢測(cè)需要保護(hù)范圍內(nèi)的zui遠(yuǎn)點(diǎn)，確保其數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)。下面以?xún)蓚€(gè)實(shí)例來(lái)具體說(shuō)明。

一．對(duì)于 FEI 公司的 NNS450 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡而言，8 毫高斯（峰-峰值）的電磁環(huán)境大大超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)是不大于 3 毫高斯）。安裝某品牌主動(dòng)式消磁器后，在電子槍、樣品室及二次電子探測(cè)器等位置，由另一套儀器測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)均不大于2.5 毫高斯（峰-峰值）。故此，該消磁器滿(mǎn)足使用要求。

二．另一臺(tái) FEI 公司的 Tecnai F20 透射電子顯微鏡，從電子槍到樣品室、再到透射電子探測(cè)器約 2.2 米，直徑約 0.35 米的區(qū)域都需要電磁干擾（EMI）小于 0.8 毫高斯(水平方向)。安裝另一品牌主動(dòng)式消磁器后，由另一套儀器測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)在樣品室處合格，但在電子槍附近達(dá)到 1.2 毫高斯（峰-峰值）。故此，該消磁器不能滿(mǎn)足使用要求。

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