電鏡應用環(huán)境改善方案！

FEI（上海） 張毅 張承青

關鍵詞: 電磁干擾、消磁器、消磁器工作原理和性能測評 
       目錄
一．環(huán)境電磁干擾
二．低頻電磁干擾的改善途徑
三．主動式消磁器的基本工作原理及適用范圍
四．主動式消磁器性能改進（雙線圈、雙探測器）
五．評測主動式消磁器性能的主要指標
六．主動式消磁器性能測評

一．環(huán)境電磁干擾
    自從人類發(fā)現(xiàn)了電磁應用以來，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，但是在造福人類的同時也帶來許多麻煩和困擾。在我們工作和生活的周圍空間，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線電波（其它如光波等電磁波這里就不討論了）。許多場合下，這些電磁波會產生相當?shù)奈：Α?，對于裝有心臟起搏器的人來說，強電磁干擾很可能會奪去他們的生命。同樣，對于精密儀器和設備，電磁干擾也會使它們不能正常工作。
    對于電子顯微鏡和電子束曝光這一類利用電子束在空間（往往是真空度很高的一個密閉的小區(qū)域）飛行及其衍生效應來工作設備來說，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)，相對于高頻電磁干擾，低頻電磁干擾是相當難以屏蔽或消除的。
    針對各種高頻電磁干擾，采用不同材料制作的屏蔽就可以有效解決問題。對于低頻電磁干擾，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，一是利用高導磁材料針對低頻電磁干擾的磁場分量直接分流磁力線，使大部分磁力線被會聚到導磁材料（屏蔽體）內，被屏蔽的局部空間內磁力線密度下降，低頻電磁干擾強度降低（請參考《低頻電磁屏蔽實踐（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，人為產生等幅反向的消磁磁場，使得被三維消磁線圈（因為電磁干擾是全方向三維的，所以消磁磁場也必須是三維的）包圍的局部空間內合成磁場強度下降。顯然，這兩種方法的物理機理不同，實施手段不同，實際效果也有差異，應根據(jù)具體情況選擇。

三．主動式消磁器的基本工作原理及適用范圍 
    主動式消磁器一般由三個部分構成：三維探測器、三通道控制器和三個消磁線圈。三維探測器檢測空間磁場的三維立體場強及其變化（實際上只是三維探測器所在位置的一個很小區(qū)域）；三通道控制器根據(jù)得到的信號進行實時 PID 跟蹤運算，并輸出三路連續(xù)跟蹤的反相消磁電流；三個消磁線圈相互垂直安裝，將需要消磁的空間區(qū)域包含在其中，產生波形和幅度相同、相位相反的電磁場將原來的電磁干擾抵消。必須指出的是，由于受到基本工作原理的限制，主動式消磁器的效果時常不盡如人意。從時域上來看，無論如何提高控制器的速度，也仍然存在時間差；從磁場傳輸原理來看，由于磁場強度與信號源（消磁線圈就是一個信號源）距離的平方成反比，反相消磁場強在三維消磁線圈所包圍的局部空間內梯度變化很大，而環(huán)境場強的梯度往往是比較均勻的，故此，消磁后的合成磁場一般是不均勻的（參見圖一）。從圖一可以看見，探測器所在的 a 點位置合成磁場zui小，離開 a 點位置越遠消磁效果越差。也就是說，主動式消磁器的實際效果往往遠不如控制器自己顯示的那么好，實際有效空間也遠小于三維消磁線圈所包圍的空間。

圖一. 環(huán)境磁場、反相消磁磁場（單線圈）和合成磁場

    許多主動式消磁器的有效范圍都不大于 1 米，有效范圍內的消磁效果大多都不會好于 0.5mGauss，選用時必須注意。主動式消磁器一般適用于超凈廠房、潔凈室內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，對準直流（Near DC）磁場消磁效果不佳，所以在有準直流磁場的電磁干擾時，選用主動式消磁器是目前*的選擇。安裝時對現(xiàn)場的要求不高，拆除和重新安裝都很方便，這是它的另一個優(yōu)點。

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

圖二. 單探測器消磁效果示意

    由于大多數(shù)情況下需要消磁的區(qū)域為一個垂直圓柱形，為改進效果可以使用雙探測器，其效果可以用圖三表示。一般兩個探測器間距 0.5 米～1 米，距離過大效果反而變差，距離過小則效果等同單探測器。

圖三. 雙探測器消磁效果示意

    實測時發(fā)現(xiàn)，雙探測器對消磁效果的改善作用有限，而使用雙線圈對消磁效果的改善明顯。所謂雙線圈就是將原來單個消磁線圈擔負的工作由兩個相距足夠距離的同相線圈來完成，探測器盡量位于兩個線圈的中間。這樣一來，在三個方向就一共有六個線圈，所以又稱為六線圈結構。單線圈與雙線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、反相消磁磁場（雙線圈）和合成磁場

圖五. 單線圈和雙線圈效果比較

    從圖五可以直觀地看到，雙線圈合成磁場曲線比單線圈要平坦得多，也就是說，有效范圍大，雙線圈的效果比單線圈要好得多?，F(xiàn)在，各家廠商各種品牌普遍都有雙探測器、雙線圈（也稱為六線圈）的型號可以供應。對于磁場超標不多或者對于環(huán)境要求不高的場合，為降低費用，大多選用只配備單探測器和單線圈（也稱為三線圈）的型號。對于磁場較多或者對于環(huán)境要求較高的場合，就應該選用配備雙探測器、雙線圈（也稱為六線圈）的型號。對于*儀器的高標準要求，還是選用低頻電磁屏蔽更為穩(wěn)妥可靠（有準直流磁場則再增配有消 Near DC 功能的主動式消磁器補充）。

五．評測主動式消磁器性能的主要指標
評測主動式消磁器性能主要應有如下指標：

1．消磁能力
2．消磁范圍
3．現(xiàn)場調節(jié)的便利性 
4．準直流（Near DC）電磁干擾的消除性能

    測評消磁能力時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儀器顯示數(shù)值相差甚遠。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信息（如某國外品牌顯示消磁狀態(tài)的磁場強度是 0.00 毫高斯，前已述及，那是不可能的）；三是顯示的數(shù)值只是探測器所在位置的磁場強度。我們知道，在逐漸離開探測器所在的位置時，消磁效果就隨之逐漸變差。一般探測器距離需要保護的區(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 1 到 2 米。消磁能力還應從兩方面去看：1）zui低場強。指無論環(huán)境磁場多么小，消磁器所能達到的zui低場強數(shù)值。例如同在 0.5 毫高斯的環(huán)境下，一臺消磁器可以達到0.2 毫高斯，而另一臺只能達到 0.3 毫高斯，當然前者優(yōu)于后者。2）在一定環(huán)境
場強下可以達到的zui低數(shù)值。例如在 5 毫高斯的環(huán)境下，一臺消磁器可以達到 1 毫高斯，而另一臺只能達到 2 毫高斯，優(yōu)劣自現(xiàn)。消磁范圍是指在同樣條件下、相同場強的球面直徑范圍。例如同在 3 毫高斯的環(huán)境下，一臺消磁器的 0.8 毫高斯等強度球面直徑為 1 米，而另一臺能達到 2 米，說明后者保護范圍比前者大。某些品牌或型號的消磁器控制器除了數(shù)值顯示外只有少數(shù)幾個按鈕開關，看上去自動化程度很高，但在許多電磁環(huán)境復雜的場合就顯出調節(jié)范圍過小的弊端。在目前國內的具體條件下，可以在現(xiàn)場手動調節(jié)控制器有其現(xiàn)實的便利性。不少品牌或型號的消磁器具有消除準直流（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）的地方，準直流電磁干擾強度很大，這時是否具有 Near DC（部分品牌簡稱為 DC）功能往往是決定性的。

六．主動式消磁器性能測評
    綜上所述，對一套主動式消磁器性能進行測評時，應準備另外一臺測試儀器，在距離探測器不同距離的各個方向，等間距地測試全套數(shù)據(jù)，如此才能正確判定其消磁能力和消磁范圍。在現(xiàn)場測評時，應檢測需要保護范圍內的zui遠點，確保其數(shù)值在規(guī)定范圍內。下面以兩個實例來具體說明。

一．對于 FEI 公司的 NNS450 場發(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（標準是不大于 3 毫高斯）。安裝某品牌主動式消磁器后，在電子槍、樣品室及二次電子探測器等位置，由另一套儀器測得場強均不大于2.5 毫高斯（峰-峰值）。故此，該消磁器滿足使用要求。

二．另一臺 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)。安裝另一品牌主動式消磁器后，由另一套儀器測得場強在樣品室處合格，但在電子槍附近達到 1.2 毫高斯（峰-峰值）。故此，該消磁器不能滿足使用要求。

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