勀杰科技团队 编译
本篇文章编译自：https://www.vibeng.com/blogs-and-case-studies/dc-ac-magnetic-field-challenges-and-solutions-for-high-resolution-transmission-electron-microscopes/
由于透射电子显微镜 (TEM) 具有严格的磁场要求，其电子束柱的长度使得磁场缓解与主动磁场消除成为一个重大的挑战。与扫描电子显微镜 (SEM)、聚焦离子束仪器 (FIB) 或双束显微镜不同，TEM 的电子束柱相对较短，长度约为 1-2 英尺，这使得其对来自显微镜顶部（接近电子源）及底部（接近探测器）的磁场特别敏感。虽然房间屏蔽是一种选择，但其成本高昂，且可能会显著延误专案进度。此外，传统的 1/4 英吋铝屏蔽仅能有效抵御交流磁场，对直流磁场则无法发挥作用。因此，即使在屏蔽室内，也必须配备直流磁场消除系统来减少磁场对 TEM 的干扰。本文将介绍 TEM 的磁场缓解策略，并探讨为何双重消除系统被认为是应对极高解析度 TEM 所需的最适合的主动磁场消除方案。
磁场消除系统概述
磁场消除系统旨在优化单点场的消除效果。通常，有两个关键因素会影响其功能：
1.电缆布局：电缆的布局决定了消除场的均匀性。
2.感测器位置：感测器位置的选择至关重要，因为它确定了空间中最优化的磁场消除点。
单一消除系统通常适用于大多数电子束管柱较短的显微镜，如扫描式电子显微镜 (SEM)、聚焦离子束仪器 (FIB) 和双束显微镜。在这些情况下，则需设计电缆布局以实现均匀的消除性能，并根据关键位置来定位感测器，以达到最佳的消除效果。
高分辨率 TEM 的挑战
然而，对于长柱的透射电子显微镜 (TEM)，则面临更大的挑战。单一消除系统设计通常会选择双环配置来沿电子束柱实现均匀的场消除，并将感测器置于柱中心以优化消除效果。
这一策略在两种情况下会显示出其缺陷：
高场梯度：当显微镜的顶部与底部之间的磁场存在显著的梯度时，将消除重心集中于柱中心会导致两端的消除效果不均：一端可能被过度消除，而另一端则消除不足。
严格的规格要求：当规格极为严格，尤其是在 20-10 nT(纳特斯拉)的峰值范围内，任何场的变化或梯度都变得极难控制，这对于维持稳定的消除效果构成挑战。
案例分析
以某个具有高架管道或电磁干扰 (EMI) 源的场景为例，假设显微镜顶部的磁场梯度为 100 nT(纳特斯拉)，底部靠近探测器的磁场梯度为 20 nT(纳特斯拉)。在这种情况下，即使单一消除系统经过最佳化以集中消除中心的场，也无法有效地处理顶部和底部的场梯度差异。最终，顶部的消除效果可能不足，而底部则可能过度消除。这使得将显微镜的源和探测器水平调整至符合规格变得更加困难。 在这种情况下，即使是经过最佳化的单一消除系统，其所能达到的效果也有限，通常只能在源级达到 50 nT(纳特斯拉)，探测器级达到 30 nT(纳特斯拉)，而这些数值已经超出了显微镜所需的规格范围。
屏蔽、工作原理及注意事项
由于高解析度 TEM 具有严格的规格要求，仪器成本高昂且操作极为重要，客户通常会竭尽全力来保护 TEM 免受电磁干扰。实现这一目标的一种方法是透过房间屏蔽。以下将介绍几种常见的屏蔽技术、它们的物理原理及应用时的注意事项。
涡流屏蔽 – 交流磁场材料
材料：通常使用铝
涡流屏蔽是透过在导电材料内感应反向电流来减弱外部磁场的影响。这一原理基于冷次定律（Lenz’s law），即感应电流产生的磁场将会抵消外部磁场的作用。当导体如铜、铝或其他合金暴露于变化的磁场时，会在其内部产生涡流，这些涡流进一步产生磁场，抵消外来磁场，从而降低被屏蔽区域的磁场强度。
涡流屏蔽的有效性受几个因素的影响，包括材料的选择、厚度及设计配置。在电子显微镜实验室中，常使用 1/4 英吋厚的铝板，并且会在墙壁、天花板和地板上进行接缝焊接，这样可以有效阻隔交流磁场。然而，铝对于直流磁场或低速变动的磁场的屏蔽效果较差，因为直流磁场无法有效地感应出涡流。
磁通分流 – 直流与交流磁场
材料：通常使用矽铁或 Mu-Metal
对于直流磁场的屏蔽，通常需要高磁导率的材料，如某些镍、铁或钴合金，这些材料具有有效改变方向和吸收磁通线的特性。直流磁场屏蔽的设计依赖于选择合适的材料及其厚度。较厚的高磁导率金属层可以提供更高程度的磁场衰减。
此外，屏蔽的形状和配置也对其效果有重要影响，封闭目标区域的设计可以改变屏蔽区域周围的磁通量，从而增强其屏蔽效果。在安装过程中，承包商必须仔细处理接缝和屏蔽材料，避免漏磁，保持材料的连续性，因为任何缺陷或间隙都可能使磁通穿透，降低屏蔽效率。对于磁场的屏蔽效果，屏蔽材料相对于磁场的方向也是关键因素。将屏蔽材料与磁场方向对齐，有助于最大化材料对磁通的重新定向与吸收能力。
虽然 Mu-Metal（穆金属）在屏蔽效果上非常出色，由于其高磁导率和高镍含量，其价格较为昂贵且交货时间较长。另一种较为经济且易于取得的选择是 矽铁屏蔽，尽管其效果较差，但对于某些应用场景仍然足够有效。
双重消除系统解决方案
在 TEM 实验室中，当存在显著的场梯度时，勀杰科技团队与原厂Spicer Consulting讨论出了一种双重消除系统，该系统利用两个独立的消除系统来解决这些问题。此解决方案不仅对位于显微镜顶部、接近光源处的一个消除系统进行了优化，同时对位于显微镜底部、接近图像过滤器处的另一个消除系统进行了优化。这一系统通过分别消除显微镜顶部和底部不同的磁场强度来应对房间内的场梯度，有效解决了剧烈场梯度带来挑战。
以带有架空电线管的 TEM 实验室为例，利用双重消除系统，可以针对显微镜顶部较高的磁场进行优化并进行消除，并在显微镜底部优化第二个系统，针对较低的场进行消除，最终使整个电子束柱的磁场达到规格要求。下图显示了这两个系统协同工作时，顶部 100 nT 和底部 20 nT 之间的磁场平稳过渡，形成了有效的抵消场。
具有虚拟感测器的双重消除系统
由于传统的磁场消除系统通常针对单一消除点进行优化，将感测器安置在电子束柱中心往往不现实。为了解决这一问题，虚拟感测器技术被引入。 Spicer 磁场消除系统允许设置虚拟感测器，这种方式通过混合来自两个磁性感测器的数据，将消除点动态移动到最适合的电子束柱中心位置。
混合两个感测器的数据的另一个好处是，它允许我们将感测器放置在离电子束柱稍远的地方。感测器必须检测环境磁场，而不是显微镜产生的磁场。由于只能使用一个感测器，其他供应商通常会尝试将感测器放置在尽可能靠近立柱的位置，从而导致来自磁透镜和显微镜上的其他磁场源的场数据受到污染。虚拟感测器可让系统优化电子束柱中心的消除，而无需靠近其他磁场来源，这可能会导致对房间内环境场的读数不准确。
与其他配置相比的优势 – 硬连线消除梯度
其他 EMI 消除公司透过将梯度硬连线到磁场消除回路来处理场梯度。具体来说，如果显微镜顶部的磁场水平较高，我们发现竞争对手会在显微镜顶部安装比底部更多的线圈的消除系统。透过在显微镜顶部比底部硬接线更多的线圈，竞争对手在柱顶部创建比在底部更高的消除水平。虽然这适用于稳定的单源场，但设定是静态的，无法适应场水平随时间的变化或来自不同方向的多个源的场。
双抵消系统动态适应变化的场梯度
另外，Spicer双重消除系统是动态的，可以适应来自不同方向的变化的场梯度。假设我们的 TEM 实验室有来自架空电线管的交流场和来自下方地铁的间歇性直流场变化。双重消除系统透过显微镜顶部的更高场梯度来补偿交流场，并管理来自下方地铁的直流场变化。它会不断调整以消除交流场和直流场的变化，即使来自多个方向的梯度也会改变。
与涡流被动屏蔽集成
尽管双重消除系统可以消除直流和交流磁场，但一些客户仍然希望在其 TEM 室中安装铝涡流交流磁场屏蔽，主要是如果房间需要大规模改造才能安装显微镜。在这些情况下，我们仍然会安装双重消除系统，以保护 TEM 免受直流场间歇性变化的影响，并维持整个电子束柱的仪器规格。双重消除系统与涡流被动屏蔽的结合，使客户能够获得交流被动屏蔽的诸多好处，同时保护 TEM 免受间歇性直流场的影响，而无需考虑使用穆金属或其他镍合金材料进行直流屏蔽的成本和进度影响。
满足高分辨率 TEM 的磁场规格具有挑战性，尤其是在场梯度较高的实验室中。双抵消系统解决了长柱和严格磁场规格的 TEM 中单抵消系统布局的缺点。勀杰科技技术团队可以将此系统作为独立解决方案或与被动屏蔽一起安装。
