勀杰科技團隊 編譯

本篇文章編譯自：https://www.vibeng.com/blogs-and-case-studies/dc-ac-magnetic-field-challenges-and-solutions-for-high-resolution-transmission-electron-microscopes/

由于透射電子顯微鏡 (TEM) 具有嚴格的磁場要求，其電子束柱的長度使得磁場緩解與主動磁場消除成為一個重大的挑戰(zhàn)。與掃描電子顯微鏡 (SEM)、聚焦離子束儀器 (FIB) 或雙束顯微鏡不同，TEM 的電子束柱相對較短，長度約為 1-2 英尺，這使得其對來自顯微鏡頂部（接近電子源）及底部（接近探測器）的磁場特別敏感。雖然房間屏蔽是一種選擇，但其成本高昂，且可能會顯著延誤專案進度。此外，傳統(tǒng)的 1/4 英吋鋁屏蔽僅能有效抵御交流磁場，對直流磁場則無法發(fā)揮作用。因此，即使在屏蔽室內(nèi)，也必須配備直流磁場消除系統(tǒng)來減少磁場對 TEM 的干擾。本文將介紹 TEM 的磁場緩解策略，并探討為何雙重消除系統(tǒng)被認為是應對極高解析度 TEM 所需的最適合的主動磁場消除方案。

磁場消除系統(tǒng)概述

磁場消除系統(tǒng)旨在優(yōu)化單點場的消除效果。通常，有兩個關鍵因素會影響其功能：

1.電纜布局：電纜的布局決定了消除場的均勻性。

2.感測器位置：感測器位置的選擇至關重要，因為它確定了空間中最優(yōu)化的磁場消除點。

單一消除系統(tǒng)通常適用于大多數(shù)電子束管柱較短的顯微鏡，如掃描式電子顯微鏡 (SEM)、聚焦離子束儀器 (FIB) 和雙束顯微鏡。在這些情況下，則需設計電纜布局以實現(xiàn)均勻的消除性能，并根據(jù)關鍵位置來定位感測器，以達到最佳的消除效果。

高分辨率 TEM 的挑戰(zhàn)

然而，對于長柱的透射電子顯微鏡 (TEM)，則面臨更大的挑戰(zhàn)。單一消除系統(tǒng)設計通常會選擇雙環(huán)配置來沿電子束柱實現(xiàn)均勻的場消除，并將感測器置于柱中心以優(yōu)化消除效果。

這一策略在兩種情況下會顯示出其缺陷：

高場梯度：當顯微鏡的頂部與底部之間的磁場存在顯著的梯度時，將消除重心集中于柱中心會導致兩端的消除效果不均：一端可能被過度消除，而另一端則消除不足。

嚴格的規(guī)格要求：當規(guī)格極為嚴格，尤其是在 20-10 nT(納特斯拉)的峰值范圍內(nèi)，任何場的變化或梯度都變得極難控制，這對于維持穩(wěn)定的消除效果構(gòu)成挑戰(zhàn)。

案例分析

以某個具有高架管道或電磁干擾 (EMI) 源的場景為例，假設顯微鏡頂部的磁場梯度為 100 nT(納特斯拉)，底部靠近探測器的磁場梯度為 20 nT(納特斯拉)。在這種情況下，即使單一消除系統(tǒng)經(jīng)過最佳化以集中消除中心的場，也無法有效地處理頂部和底部的場梯度差異。最終，頂部的消除效果可能不足，而底部則可能過度消除。這使得將顯微鏡的源和探測器水平調(diào)整至符合規(guī)格變得更加困難。 在這種情況下，即使是經(jīng)過最佳化的單一消除系統(tǒng)，其所能達到的效果也有限，通常只能在源級達到 50 nT(納特斯拉)，探測器級達到 30 nT(納特斯拉)，而這些數(shù)值已經(jīng)超出了顯微鏡所需的規(guī)格范圍。

屏蔽、工作原理及注意事項

由于高解析度 TEM 具有嚴格的規(guī)格要求，儀器成本高昂且操作極為重要，客戶通常會竭盡全力來保護 TEM 免受電磁干擾。實現(xiàn)這一目標的一種方法是透過房間屏蔽。以下將介紹幾種常見的屏蔽技術、它們的物理原理及應用時的注意事項。

渦流屏蔽 – 交流磁場材料

材料：通常使用鋁

渦流屏蔽是透過在導電材料內(nèi)感應反向電流來減弱外部磁場的影響。這一原理基于冷次定律（Lenz’s law），即感應電流產(chǎn)生的磁場將會抵消外部磁場的作用。當導體如銅、鋁或其他合金暴露于變化的磁場時，會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這些渦流進一步產(chǎn)生磁場，抵消外來磁場，從而降低被屏蔽區(qū)域的磁場強度。

渦流屏蔽的有效性受幾個因素的影響，包括材料的選擇、厚度及設計配置。在電子顯微鏡實驗室中，常使用 1/4 英吋厚的鋁板，并且會在墻壁、天花板和地板上進行接縫焊接，這樣可以有效阻隔交流磁場。然而，鋁對于直流磁場或低速變動的磁場的屏蔽效果較差，因為直流磁場無法有效地感應出渦流。

磁通分流 – 直流與交流磁場

材料：通常使用矽鐵或 Mu-Metal

對于直流磁場的屏蔽，通常需要高磁導率的材料，如某些鎳、鐵或鈷合金，這些材料具有有效改變方向和吸收磁通線的特性。直流磁場屏蔽的設計依賴于選擇合適的材料及其厚度。較厚的高磁導率金屬層可以提供更高程度的磁場衰減。

此外，屏蔽的形狀和配置也對其效果有重要影響，封閉目標區(qū)域的設計可以改變屏蔽區(qū)域周圍的磁通量，從而增強其屏蔽效果。在安裝過程中，承包商必須仔細處理接縫和屏蔽材料，避免漏磁，保持材料的連續(xù)性，因為任何缺陷或間隙都可能使磁通穿透，降低屏蔽效率。對于磁場的屏蔽效果，屏蔽材料相對于磁場的方向也是關鍵因素。將屏蔽材料與磁場方向?qū)R，有助于最大化材料對磁通的重新定向與吸收能力。

雖然 Mu-Metal（穆金屬）在屏蔽效果上非常出色，由于其高磁導率和高鎳含量，其價格較為昂貴且交貨時間較長。另一種較為經(jīng)濟且易于取得的選擇是 矽鐵屏蔽，盡管其效果較差，但對于某些應用場景仍然足夠有效。

雙重消除系統(tǒng)解決方案

在 TEM 實驗室中，當存在顯著的場梯度時，勀杰科技團隊與原廠Spicer Consulting討論出了一種雙重消除系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩個獨立的消除系統(tǒng)來解決這些問題。此解決方案不僅對位于顯微鏡頂部、接近光源處的一個消除系統(tǒng)進行了優(yōu)化，同時對位于顯微鏡底部、接近圖像過濾器處的另一個消除系統(tǒng)進行了優(yōu)化。這一系統(tǒng)通過分別消除顯微鏡頂部和底部不同的磁場強度來應對房間內(nèi)的場梯度，有效解決了劇烈場梯度帶來挑戰(zhàn)。

以帶有架空電線管的 TEM 實驗室為例，利用雙重消除系統(tǒng)，可以針對顯微鏡頂部較高的磁場進行優(yōu)化并進行消除，并在顯微鏡底部優(yōu)化第二個系統(tǒng)，針對較低的場進行消除，最終使整個電子束柱的磁場達到規(guī)格要求。下圖顯示了這兩個系統(tǒng)協(xié)同工作時，頂部 100 nT 和底部 20 nT 之間的磁場平穩(wěn)過渡，形成了有效的抵消場。

具有虛擬感測器的雙重消除系統(tǒng)

由于傳統(tǒng)的磁場消除系統(tǒng)通常針對單一消除點進行優(yōu)化，將感測器安置在電子束柱中心往往不現(xiàn)實。為了解決這一問題，虛擬感測器技術被引入。 Spicer 磁場消除系統(tǒng)允許設置虛擬感測器，這種方式通過混合來自兩個磁性感測器的數(shù)據(jù)，將消除點動態(tài)移動到最適合的電子束柱中心位置。

混合兩個感測器的數(shù)據(jù)的另一個好處是，它允許我們將感測器放置在離電子束柱稍遠的地方。感測器必須檢測環(huán)境磁場，而不是顯微鏡產(chǎn)生的磁場。由于只能使用一個感測器，其他供應商通常會嘗試將感測器放置在盡可能靠近立柱的位置，從而導致來自磁透鏡和顯微鏡上的其他磁場源的場數(shù)據(jù)受到污染。虛擬感測器可讓系統(tǒng)優(yōu)化電子束柱中心的消除，而無需靠近其他磁場來源，這可能會導致對房間內(nèi)環(huán)境場的讀數(shù)不準確。

與其他配置相比的優(yōu)勢 – 硬連線消除梯度

其他 EMI 消除公司透過將梯度硬連線到磁場消除回路來處理場梯度。具體來說，如果顯微鏡頂部的磁場水平較高，我們發(fā)現(xiàn)競爭對手會在顯微鏡頂部安裝比底部更多的線圈的消除系統(tǒng)。透過在顯微鏡頂部比底部硬接線更多的線圈，競爭對手在柱頂部創(chuàng)建比在底部更高的消除水平。雖然這適用于穩(wěn)定的單源場，但設定是靜態(tài)的，無法適應場水平隨時間的變化或來自不同方向的多個源的場。

雙抵消系統(tǒng)動態(tài)適應變化的場梯度

另外，Spicer雙重消除系統(tǒng)是動態(tài)的，可以適應來自不同方向的變化的場梯度。假設我們的 TEM 實驗室有來自架空電線管的交流場和來自下方地鐵的間歇性直流場變化。雙重消除系統(tǒng)透過顯微鏡頂部的更高場梯度來補償交流場，并管理來自下方地鐵的直流場變化。它會不斷調(diào)整以消除交流場和直流場的變化，即使來自多個方向的梯度也會改變。

與渦流被動屏蔽集成

盡管雙重消除系統(tǒng)可以消除直流和交流磁場，但一些客戶仍然希望在其 TEM 室中安裝鋁渦流交流磁場屏蔽，主要是如果房間需要大規(guī)模改造才能安裝顯微鏡。在這些情況下，我們?nèi)匀粫惭b雙重消除系統(tǒng)，以保護 TEM 免受直流場間歇性變化的影響，并維持整個電子束柱的儀器規(guī)格。雙重消除系統(tǒng)與渦流被動屏蔽的結(jié)合，使客戶能夠獲得交流被動屏蔽的諸多好處，同時保護 TEM 免受間歇性直流場的影響，而無需考慮使用穆金屬或其他鎳合金材料進行直流屏蔽的成本和進度影響。

滿足高分辨率 TEM 的磁場規(guī)格具有挑戰(zhàn)性，尤其是在場梯度較高的實驗室中。雙抵消系統(tǒng)解決了長柱和嚴格磁場規(guī)格的 TEM 中單抵消系統(tǒng)布局的缺點。勀杰科技技術團隊可以將此系統(tǒng)作為獨立解決方案或與被動屏蔽一起安裝。