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消磁器工作原理和性能測評
閱讀：8206 發(fā)布時間：2016-8-9
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(jìn)（雙線圈、雙探測器）
五．評測主動式消磁器性能的主要指標(biāo)
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(yīng)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(chǎn)生相當(dāng)?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(shè)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(yīng)來工作設(shè)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)磁材料（屏蔽體）內(nèi)，被屏蔽的局部空間內(nèi)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(zhì)，人為產(chǎn)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(nèi)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(yīng)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(gòu)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(jìn)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(chǎn)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(nèi)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(yuǎn)消磁效果越差。也就是說，主動式消磁器的實際效果往往遠(yuǎn)不如控制器自己顯示的那么好，實際有效空間也遠(yuǎn)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(nèi)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(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，對準(zhǔn)直流（Near DC）磁場消磁效果不佳，所以在有準(zhǔn)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(jìn)（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(nèi)，其場強并不是均勻的。探測器所在位置消磁效果，逐漸遠(yuǎn)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(jìn)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(dān)負(fù)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(jié)構(gòu)。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(yīng)。對于磁場超標(biāo)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(yīng)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(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(biāo)
評測主動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(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(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 1 到 2 米。消磁能力還應(yīng)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(dá)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(dá)到0.2 毫高斯，而另一臺只能達(dá)到 0.3 毫高斯，當(dāng)然前者優(yōu)于后者。2）在一定環(huán)境
場強下可以達(dá)到的zui低數(shù)值。例如在 5 毫高斯的環(huán)境下，一臺消磁器可以達(dá)到 1 毫高斯，而另一臺只能達(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(dá)到 2 米，說明后者保護(hù)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(guān)，看上去自動化程度很高，但在許多電磁環(huán)境復(fù)雜的場合就顯出調(diào)節(jié)范圍過小的弊端。在目前國內(nèi)的具體條件下，可以在現(xiàn)場手動調(diào)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(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(jìn)行測評時，應(yīng)準(zhǔn)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(yīng)檢測需要保護(hù)范圍內(nèi)的zui遠(yuǎn)點，確保其數(shù)值在規(guī)定范圍內(nèi)。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(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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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