전자현미경 연구실 환경에서 전자파 차폐 효과(4부): 저주파 진동 환경 ​​개선

먼저 저주파 진동의 원인에 대해 논의해 보겠습니다.

반복 테스트 결과 저주파 진동은 주로 건물의 공진에 의해 발생하는 것으로 나타났습니다. 산업 및 민간 건물의 건축 사양은 일반적으로 바닥 높이, 깊이, 스팬, 빔 및 기둥 섹션, 벽, 바닥 빔, 뗏목 슬래브 등 측면에서 유사합니다. 특히 저주파 공진과 관련하여 약간의 차이가 있을 수 있지만, 공통적인 특징을 확인할 수 있습니다.

건물 진동에서 관찰되는 몇 가지 패턴은 다음과 같습니다.

1. 선형 또는 점 모양의 평면도를 가진 건물은 저주파 공진이 더 큰 경향이 있는 반면 T, H, L, S 또는 U와 같은 다른 모양의 건물은 공진이 더 작습니다.

2. 선형 평면도를 갖춘 건물에서는 장축을 따르는 진동이 단축을 따르는 진동보다 더 두드러지는 경우가 많습니다.

3. 같은 건물에서 지하가 없는 1층은 일반적으로 진동이 가장 적습니다. 바닥 높이가 높아질수록 진동이 심해집니다. 지하가 있는 건물의 1층에서의 진동은 2층에서의 진동과 유사하며, 일반적으로 지하의 가장 낮은 층에서 가장 낮은 진동이 관찰된다.

4. 수직 진동은 일반적으로 수평 진동보다 크며 바닥 수준과 무관합니다.

5. 바닥 슬래브가 두꺼울수록 수직 진동과 수평 진동 간의 차이가 작아집니다. 대부분의 경우 수직진동은 수평진동보다 크다.

6. 상당한 진동원이 없는 한 건물의 같은 층 내 진동은 일반적으로 일관됩니다. 이는 방 중앙뿐만 아니라 벽, 기둥 또는 머리 위 들보 근처에도 적용됩니다. 그러나 같은 위치에서 아무런 움직임 없이 몇 분 간격으로 측정하더라도 그 값은 다를 수 있다.

이제 저주파 진동의 원인과 특성을 알았으므로 목표한 개선 조치를 취하고 특정 환경의 진동 조건에 대한 고급 평가를 수행할 수 있습니다.

저주파 진동을 개선하는 것은 비용이 많이 들 수 있으며 환경적 제약으로 인해 실현 불가능한 경우도 있습니다. 따라서 실제 적용에서는 전자현미경 연구실을 운영하기에 더 나은 장소를 선택하거나 이전하는 것이 유리한 경우가 많습니다.

다음으로 저주파 진동의 영향과 잠재적인 솔루션에 대해 논의하겠습니다.

20Hz 이하의 진동은 다음 그림과 같이 전자현미경에 심각한 파괴적인 영향을 미칩니다.

그림 1

그림 2

이미지 1과 이미지 2는 동일한 S캐닝 E전자 Micrscope (둘 다 300kx에서)로 촬영되었습니다. 확대). 그러나 진동 간섭으로 인해 이미지 1 은 수평 방향(세그먼트 단위)으로 눈에 띄게 들쭉날쭉한 부분이 나타나며 이미지의 선명도와 해상도가 크게 저하됩니다. 그림 2는 동일한 시료에서 진동 간섭을 제거한 후 얻은 결과이다.

검사 결과 현미경을 설치할 위치에 과도한 진동이 있는 것으로 나타나면 적절한 조치를 취해야 합니다. 그렇지 않으면 현미경 제조업체는 설치 후 현미경의 성능이 최적의 설계 표준을 충족할 수 있다고 보장할 수 없습니다. 일반적으로 문제를 개선하거나 해결하기 위해 진동 방지 파운데이션, 수동 진동 차단 플랫폼을 사용하는 등 여러 가지 방법을 선택할 수 있습니다. 또는 능동형 제진 플랫폼.

An 방진 기초 현장 시공이 필요하고 특별한 조치가 필요합니다(예: 탄성 쿠션층 구비) 하단 및 주변 지역). 기존의 건설 방법은 잠재적으로 저주파 진동(20Hz 미만)을 증가시킬 수 있습니다. 다량의 건축자재가 들어오고 나가는 건축과정은 필연적으로 주변환경에 영향을 미칠 수 있습니다. 진동 방지의 개략도 파운데이션 이미지3에서 보실 수 있습니다.

이미지3

질량 50톤 내외의 콘크리트 제진대는 일반적으로 2Hz 이상의 주파수에서 -2~-10dB의 제진효과를 얻는다. 콘크리트 방진 플랫폼의 질량이 클수록 진동 감소 효과가 더 좋습니다. 여건이 허락한다면 최대한 크게 만들어야 한다.

다양한 위치에서 수행된 여러 테스트에 따르면 무게가 5톤 미만인 제진 플랫폼은 1~10Hz의 저주파 범위에서 공진을 나타내어 진동이 증가합니다. 무게가 20톤 미만인 것은 효과가 없으며, 유효 범위는 30톤 이상부터 시작됩니다. 30~40톤에 대한 데이터는 없으므로 50톤 미만의 무게는 피하는 것이 좋습니다. 베이징의 한 대학은 무게가 약 100~200톤에 달하는 진동 격리 플랫폼으로 좋은 결과를 얻었습니다. 충칭의 한 연구소에서는 지상 콘크리트를 거대한 암석에 직접 타설하여 진동이 최소화되었습니다.

패시브 진동 댐퍼 중에서 일반적으로 사용되는 고무, 강철 스프링, 공기 스프링(실린더) 등의 옵션은 20Hz 미만의 저주파수 범위에서 성능이 좋지 않습니다. 공진으로 인해 진동이 증폭되는 경우가 많아 적합하지 않습니다.

자기식 댐퍼만이 허용 가능한 저주파 성능을 보이지만 능동형 댐퍼에 비해 성능은 여전히 ​​훨씬 뒤떨어집니다(콘크리트 제진 플랫폼의 제진 효과와 유사). 그림 4 는 여러 방법의 효율성을 비교합니다.

그림 4

그림 4를 주의 깊게 살펴보면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.

1. 탄소강 스프링의 공진 주파수(f_h)는 약 50Hz입니다. 70Hz 미만에서는 감쇠 효과가 없으며 실제로 공진으로 인해 진동이 증폭됩니다. 고무 패드는 약 25Hz의 f_h 를 가지며 35Hz 미만에서는 감쇠 효과를 제공하지 않으며 공진으로 인해 진동을 증폭시킵니다.

2. 5톤 이하 용량의 콘크리트 댐퍼는 10Hz 이하에서 공진을 나타내어 댐퍼를 전혀 사용하지 않는 것보다 효과가 떨어지는 경우가 많다.

3. 에어 스프링의 f_h 는 약 15Hz로 25Hz 이상에서는 우수한 댐핑을 제공하고 40Hz 이상에서는 탁월한 댐핑을 제공합니다. 광학 플랫폼과 같은 정밀 장비의 진동 절연에 널리 사용됩니다. 그러나 20Hz 미만에서 상당한 공진을 나타내기 때문에 감쇠 전자 현미경에 적합하지 않습니다(일부 전자 현미경은 최후의 수단으로 공기 스프링을 사용하지만).

4. 자기 감쇠기는 만족스러운 저주파 감쇠를 제공하며 엄격한 요구 사항이 적용되지 않는 경우에도 사용할 수 있습니다.

5. 다양한 액티브 댐퍼로 탁월한 감쇠 효과를 얻을 수 있습니다. 공진 주파수는 1Hz 미만일 수 있으며 2~10Hz 범위에서 최대 -10~-22dB의 감쇠를 제공할 수 있으므로 저주파 범위에서 효과적인 감쇠가 필요한 응용 분야에 이상적입니다.

일반적으로 20Hz 미만의 진동은 전자현미경에 심각한 영향을 미치는 것으로 간주되며 완화하기 어렵습니다. 대부분의 사람들은 20Hz 이하의 진동을 인지하지 못하기 때문에 저주파 진동이 심할 때 진동이 없다고 오해하는 경우가 많다.

패시브 댐퍼는 전자현미경에 영향을 미치는 외부 진동을 격리하고 감쇠시키기 위해 질량 및 고유 진동 전달 특성과 같은 감쇠 장치의 물리적 특성을 활용합니다. 패시브 댐퍼의 작동 원리는 그림 5에 나와 있습니다.

그림 5

액티브 댐퍼의 작동 원리는 패시브 댐퍼와 크게 다릅니다. 다양한 유형의 액티브 댐퍼는 작동 원리가 유사하며, 3방향의 외부 진동을 감지하는 3차원 센서가 포함됩니다. 센서는 진폭은 동일하지만 위상은 반대인 제어 신호를 생성하는 PID(비례-적분-미분) 컨트롤러에 정보를 보냅니다. 그런 다음 이러한 제어 신호는 액추에이터에서 외부 진동에 대응하거나 감소시키기 위해 진폭이 동일하고 위상이 반대인 내부 진동을 생성하는 데 사용됩니다. 액티브 댐퍼의 작동 원리는 그림 6과 같다.

그림 6

일반적으로 사용되는 능동형 댐퍼에는 압전 세라믹 댐퍼, 공압 댐퍼, 전자기 댐퍼 등이 있다. 차이점은 주로 작동 메커니즘에 있는 반면, 3D 감지기와 PID 컨트롤러는 상대적으로 유사합니다.

압전 C세라믹 D앰퍼:

세라믹 재료의 압전 효과를 이용하여 진폭은 동일하고 위상은 반대인 3차원 내부 진동을 발생시킵니다.

공압식 D앰퍼:

PID 컨트롤러에 의해 제어되는 입구 및 출구 밸브는 특수 실린더 내 연속 압축 공기를 조절하여 진폭이 동일하고 위상이 반대인 3차원 내부 진동을 생성합니다.

전자기 D암페어:

PID 제어기는 3세트의 전자기 코일을 제어하여 진폭은 동일하고 위상은 반대인 3차원 내부 진동을 생성합니다. 액티브 댐퍼는 20Hz 이상에서 약 -22~-28dB의 진동 감소 효과를 얻을 수 있습니다(-38dB를 달성한다는 주장도 있지만 대부분 입증되지 않았습니다).

또한 특정 조건에서는 진동 차단 트렌치가 좋은 감쇠 효과를 얻을 수도 있습니다.

그림 7은 제진 트렌치가 있는 상황을 보여준다.

그림 7

그림 8

일반적으로 진동 트렌치가 깊을수록 감쇠 효과가 좋아집니다(트렌치의 너비는 감쇠 효과에 거의 영향을 미치지 않습니다). 다음은 몇 가지 일반적인 감쇠 방법을 비교한 것입니다.