電子顕微鏡実験室環境における電磁波シールドの効果（その4）：低周波振動環境の改善

まず、低周波振動の原因について説明します

。

繰り返しのテストにより、低周波振動は主に建物の共振によって引き起こされることが判明しました。産業用建物と民間建物の建築仕様は、床の高さ、深さ、スパン、梁と柱のセクション、壁、床梁、いかだスラブなどの点で一般に類似しています。ただし、特に低周波共振に関しては、いくつかの違いがある場合があります。共通の特徴を特定できます。

建物の振動で観察されるいくつかのパターンを次に示します:

１．線形または点形のフロアプランを持つ建物は、より大きな低周波共振を示す傾向がありますが、T、H、L、S、または U などの他の形状の建物はより小さな共振を示します。

２．直線的なフロアプランを持つ建物では、長軸に沿った振動が短軸に沿った振動よりも顕著になることがよくあります[9]。

3. 同じ建物内では、通常、地下室のない 1 階の振動が最も小さくなります。床の高さが高くなると、振動がひどくなります。地下室のある建物の 1 階の振動は 2 階の振動と同様であり、通常、最も低い振動は地下の最下層で観察されます。[11]

４．垂直方向の振動は一般に水平方向の振動より大きく、床面の高さには依存しません。[13]

5．床スラブが厚いと、垂直振動と水平振動の差が小さくなります。ほとんどの場合、垂直振動は水平振動よりも大きくなります。[15]

6．重大な振動源がない限り、建物の同じフロア内の振動は一般に一定です。これは、部屋の中央の場所だけでなく、壁、柱、または頭上の梁の近くの場所にも当てはまります。ただし、同じ場所で移動せずに数分間隔で測定した場合でも、値は異なる可能性があります。

低周波振動の発生源と特性がわかったので、対象を絞った改善措置を講じ、特定の環境における振動状態を高度に評価できるようになります。

低周波振動の改善にはコストがかかる場合があり、環境上の制約により実現できない場合もあります。したがって、実際の応用においては、電子顕微鏡実験室を運営するのに適した場所を選択したり、そこに移転したりすることが有利であることが多い[21]。

次に、低周波振動の影響と考えられる解決策について説明します。

次の図に示すように、20 Hz 未満の振動は電子顕微鏡に重大な破壊的な影響を与えます。

画像 1

<31​​

画像 2

画像 1 と画像 2 は、同じ Sキャニング E電子 M顕微鏡 (両方とも 300kx) で撮影されました。倍率）。ただし、振動干渉の存在により、画像 1 は水平方向 (セグメント内) に顕著なギザギザがあり、画像の鮮明さと解像度が大幅に低下します。 画像 2振動干渉を除去した後に同じサンプルから得られた結果です。

テストの結果、顕微鏡を設置する場所に過度の振動があることが示された場合は、適切な措置を講じなければなりません。そうしないと、顕微鏡メーカーは、設置後の顕微鏡の性能が最適な設計基準を満たすことを保証できません。一般に、問題を改善または解決するには、防振基礎、受動防振プラットフォームの使用など、いくつかの方法を選択できます。 または アクティブ防振プラットフォーム .

An 防振 基礎 は現場での施工が必要であり、特別な措置を講じる必要があります（弾性クッション層を設けるなど）底部とその周囲）。従来の工法では、低周波振動（20Hz未満）が増加する可能性があります。建設工事では大量の建設資材が出入りするため、周辺環境への影響は避けられません。 防振の概略図 財団は画像3で見ることができます。

画像 3

質量約 50 トンのコンクリート防振台は、一般に 2Hz 以上の周波数で -2 ～ -10dB の振動低減効果を達成します。コンクリート防振台の質量が大きいほど、振動低減効果が高くなります。条件が許せば、できるだけ大きくする必要があります。

さまざまな場所で実施された複数のテストに基づくと、重量 5 トン未満の防振プラットフォームは 1 ～ 10Hz の低周波数範囲で共​​振を示し、振動が増加します。 20トン未満のものは効果がなく、30トンを超えると有効範囲が始まります。 30 ～ 40 トンについてはデータがないため、50 トン未満の重量は避けることをお勧めします。北京の大学は、重さ約100～200トンの防振プラットフォームで良好な成果を上げている。重慶の研究機関では、地面のコンクリートが巨大な岩の上に直接注がれ、結果として振動は最小限に抑えられた[87]。

パッシブ振動ダンパーの中で、ゴム、スチール スプリング、空気スプリング (シリンダー) などの一般的に使用されるオプションは、20 Hz 未満の低周波数範囲での性能が劣ります。共振により振動が増幅されることが多いため、適切とは考えられていません

。

磁気ダンパーのみが許容可能な低周波性能を示していますが、その性能はアクティブ ダンパーよりもはるかに劣っています (コンクリート防振プラットフォームの振動低減効果と同様)。 図 4 は、いくつかの方法の有効性を比較しています。

図 4

図 4 を注意深く観察すると、次の結論を導き出すことができます:

1.炭素鋼ばねの共振周波数（f_h）は約50Hzです。 70 Hz 以下では減衰効果が得られず、実際には共振による振動が増幅されます。ゴム製パッドのf_hは約 25 Hz ですが、35 Hz 未満では減衰効果がなく、共振による振動も増幅します。

2. 容量が 5 トン未満のコンクリート ダンパーは 10 Hz 未満の共振を示し、多くの場合、ダンパーをまったく使用しない場合よりも効果が低くなります。

3.空気バネの f_hは約 15 Hz で、25 Hz を超えると良好な減衰が得られ、40 Hz を超えると優れた減衰が得られます。光学プラットフォームなどの精密機器の防振用途に広く使用されています。しかし、それらは 20 Hz 以下で顕著な共振を示すため、減衰電子顕微鏡には適していません (ただし、一部の電子顕微鏡では最後の手段として空気バネを使用しています)。

4.磁気ダンパーは満足のいく低周波減衰を提供し、厳しい要件が課されていない場合に使用できます。

5.優れた制振効果を実現する各種アクティブダンパー。共振周波数は 1 Hz 未満であり、2 ～ 10 Hz の範囲で最大 -10 ～ -22 dB のダンピングを提供できるため、低周波数範囲で効果的なダンピングを必要とするアプリケーションに最適です。

一般に、20 Hz 未満の振動は電子顕微鏡に大きな影響を与えると考えられており、軽減することが困難です。ほとんどの人は 20 Hz 未満の振動を知覚できないため、重大な低周波振動が存在する場合、振動が存在しないという誤解が生じることがよくあります。

パッシブダンパーは、質量や固有の振動伝達特性などの減衰デバイスの物理的特性を利用して、電子顕微鏡に影響を与える外部振動を隔離および減衰します。パッシブ ダンパーの動作原理は、 図 5.

で参照できます。

図 5

アクティブ ダンパーの動作原理はパッシブ ダンパーとは大きく異なります。各種アクティブダンパーも同様の動作原理を持っており、3次元センサーが外部からの3方向の振動を検知します。センサーは情報を PID (比例積分微分) コントローラーに送信し、振幅が等しいが位相が逆の制御信号を生成します。これらの制御信号はアクチュエータによって使用され、等しい振幅で逆位相の内部振動を生成し、外部振動に対抗または低減します。アクティブダンパーの動作原理は図6.

を参照してください。

図 6

一般に使用されるアクティブ ダンパーには、圧電セラミック ダンパー、空気圧ダンパー、および電磁ダンパーが含まれます。それらの違いは主に作動メカニズムにありますが、3D 検出器と PID コントローラーは比較的似ています。

圧電CセラミックDアンペア:

セラミック材料の圧電効果を利用して、振幅が等しく逆位相の三次元内部振動を生成します。

空気圧 Dアンペア:

PID コントローラーによって制御される入口バルブと出口バルブは、特殊シリンダー内の連続圧縮空気を変調して、振幅が等しく逆位相の 3 次元内部振動を生成します。

電磁Dアンペア:

PID コントローラーは 3 組の電磁コイルを制御し、等振幅、逆位相の 3 次元内部振動を生成します。

アクティブダンパーは、20 Hz を超えると約 -22 ～ -28 dB の振動低減効果を達成できます (-38 dB を達成するという主張もありますが、ほとんど根拠がありません)。

アクティブ ダンパーのタイプが異なると、価格も大きく異なります。一般に、ダンパーは電子顕微鏡を設置する前に準備され、顕微鏡と同時に設置されます。

さらに、特定の条件下では、防振トレンチも良好な減衰効果を達成できます。

図 7 は、防振溝が存在する状況を示しています。

図 7

図 8

図 8 は、振動トレンチの非効果的なシナリオを表しています。

一般に、振動溝が深いほど、減衰効果はより良くなります（溝の幅は減衰効果にほとんど影響を与えません）。以下は、いくつかの一般的な減衰方法の比較です: