Ihre Spicer Consulting Vertretung - Magnetfeldkompensation für REM und TEM
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Allgemeine Informationen
zur Magnetfeldkompensation

 
Das elektromagnetische Spektrum wird allgemein in sieben Bereiche unterteilt. Um den Betrieb von Elektronenmikroskopen und ähnlichen Systemen sicherzustellen oder deren Leistung zu optimieren ist es wichtig, Störungen durch Gleichfelder sowie nieder- und hochfrequente Wechselfelder weitgehend zu eliminieren.
 

Elektromagnetisches Spektrum

Frequenz

Bezeichung der Bereiche

0 Hz - 0,1 Hz

Gleichfelder

0,1 Hz - 30 kHz

niederfrequente Wechselfelder

30 kHz - 300 GHz

hochfrequente Wechselfelder

300 GHz - 300 THz

Infrarotstrahlung

> 300 THz

Lichtstrahlung

> 3x1014 Hz

Röntgenstrahlung

> 3x1018 Hz

Gammastrahlung

 
Gleichfelder
Ändert ein elektrisches oder magnetisches Feld seine Richtung nicht (oder nur über extrem lange Zeit), so spricht man von einem Gleichfeld; auch "statisches Feld" genannt. Die Frequenz eines Gleichfeldes beträgt zwischen 0 und 0,1 Hz (Hertz).
Klassisches Beispiel für ein magnetisches Gleichfeld sind der Stabmagnet oder der Dauermagnet eines Lautsprechers. Man findet Gleichfelder aber auch in medizinischen Geräten (Tomographen), Röhrengeräten (alte Bildröhren und Radios mit Röhrentechnik) oder bei schienengebundenen Fahrzeugen mit Oberleitung (Straßen- und U-Bahnen).

Nieder- und hochfrequente Wechselfelder
Felder im Bereich von 0,1 Hz bis 30 kHz werden als niederfrequente Wechselfelder, Felder von 30 kHz bis 300 GHz als hochfrequente Wechselfelder bezeichnet. Der Strom aus der Steckdose hat in Europa beispielsweise 50 Hz und fällt damit in den Bereich der niederfrequenten Wechselfelder. Aber auch viele Haushalts-, Büro- und Laborgeräte erzeugen ein niederfrequentes Wechselfeld. Hochfrequente Wechselfelder kommen beispielsweise bei drahtloser Funkübertragung (Rundfunk, Handy, Fernbedienung) oder Haushaltsgeräten wie der Mikrowelle zum Einsatz.

Magnetische Felder
Magnetische Felder entstehen, sobald in einem elektrischen Leiter Strom fließt. Die Größe des Magnetfeldes (Magnetische Flussdichte) wird in "Tesla" (T) oder seltener in Gauß (Gs oder G) angegeben. Da die magnetische Flussdichte oft sehr gering ist, sind Angaben in Mikrotesla (µT), Nanotesla (nT) oder Pikotesla (pT) gebräuchlich.
Magnetische Felder breiten sich kreisförmig aus und sind in der Lage, die meisten Materialien ungehindert zu durchdringen. Eine Abschirmung gegen magnetische Felder ist daher nicht nur äußerst aufwändig, sondern auch extrem kostspielig - und unterbleibt meist.

Natürliche Störfelder
Überall im Universums gibt es Quellen, die natürliche elektromagnetische Felder erzeugen. Die Größe dieser Felder reicht von "klein" bis "fast unvorstellbar". Das bedeutendste elektromagnetische "Störfeld" geht beim Einsatz empfindlicher Gerätesysteme in Mitteleuropa vom Magnetfeld unserer Erde aus. Da das Erdmagnetfeld jedoch (weitgehend) statisch ist, spielt es nur dann für Gerätesysteme eine Rolle, wenn diese sich "im Raum bewegen".

Künstliche Störfelder
Für den Betrieb empfindlicher Gerätesysteme wie REM, FIB-REM oder TEM spielen meist "von Menschen verursachte", niederfrequente magnetische Felder eine Rolle, wie sie beispielsweise von Stromversorgungsleitungen, Schienenfahrzeugen, Fahrstühlen etc. ausgehen.
 
Kompensation von Störfeldern
Die passive Abschirmung eines Gerätesystems gegen elektromagnetische Felder wäre extrem teurer und aufwändig. Zudem schützen passive Lösung nur gegen statische, sich nicht verändernde Felder.
Als kostengünstige Lösung erzeugt man zum Störfeld ein entsprechendes "Gegenfeld" mit umgekehrter Polarität, um das Störfeld zu neutralisieren. Um das zu schützende Gerät herum werden Spulen verlegt. Ein Sensor misst den elektromagnetischen Ist-Wert in der Nähe des Arbeitspunktes. Das Magnetfeldkompensationsgerät erzeugt in Echtzeit ein gleichförmiges Gegenfeld, welches das Störfeld weitgehend eliminiert.
 

 
Verlegung von Raumspulen
Es gibt mehrere Möglichkeiten Kabelschleifen (Spulen) zu verlegen.ein.

Meist werden Kabelkanäle für die Verlegung der Spulen genutzt.
Sie sind einfach zu verlegen, leicht an die gegebene Raumsituation anpassbar und schützen die Spulenkabel vor Beschädigungen. Bei Räumen mit abgehängter Decke kann zumindest das Z-Kabel zwischen Abhängung und Decke versteckt werden.

Bei Neu- und Umbauten können um den Aufstellort des Gerätes herum auch direkt Leerrohre unterputz verlegt werden. In die Leerrohre kommen dann später die Spulenkabel. Die Lösung ist natürlich am elegantesten, bedarf aber größerer Vorplanung und Arbeit vor Ort.

Ist die Verlegung von Kabelkanälen nicht möglich oder nicht erlaubt, können die Spulen zur Not auch mit Hilfe von selbstklebenden Kabelschellen fixiert werden.

Als vierte Möglichkeit bietet sich die Aufstellung eines "Helmholtzrahmens" an, der um das Gerät errichtet wird. Die Nutzung eines "Helmholtzrahmens" kann je nach Raumsituation auch zwingend notwendig sein.
 

Einfache Raumspule
Die sogenannte "einfache Raumspule" ist die am häufigsten genutzte Art der Kompensierung und reicht für die meisten Bedürfnisse aus. Sie besteht aus einem einzelnen Spulenkabel pro Achse und ist dadurch mit relativ einfachem Aufwand zu installieren. Die Verlegung kann wie oben beschrieben vorgenommen werden. Grenzen für die Verwendung von einfachen Raumspulen werden durch die Homogenität des Signals und der Größe des zu schützenden Gerätes gesetzt.
 

Spulenverlegung einfache Raumspule

 
Doppelte Raumspule
Die "doppelte Raumspule" (kurz DR oder auch “Two-Loop” / “Double-Loop” genannt) besteht aus zwei parallelen Spulenkabeln pro Achse. Die Kabel werden im Raum verlegt. Die doppelte Raumspule ist notwendig, wenn das zu kompensierende Signal zu inhomogen ist. Die Verlegung einer doppelten Raumspule ist zwar einiges aufwändiger und teurer als die Verlegung einer einfachen Raumspule, schafft aber ein homogeneres Feld und bietet klare Vorteile bei Leistung und Dynamik der Magnetfeldkompensation.
 

Spulenverlegung Doppelte Raumspule

 
Helmholtzrahmen
Alternativ zur doppelten Raumspule kann auch ein Helmholtzrahmen eingesetzt werden. Der Helmholtzrahmen ist eine Art Käfig, der um die Säule herum aufgebaut wird. An den Streben des Rahmens sind die Spulenkabel auf besondere Weise verlegt (siehe Skizze).
 

Spulenverlegung an einem Helmholtzrahmen

 
Doppelsensor
Alle Spicer Magnetfeldkompensationsgeräte bieten die Möglichkeit, zwei Sensoren an ein Gerät anzuschließen. Die Signale der beiden Sensoren werden über einen sogenannten "Mixer" gemischt. Auf diese Weise kann das Kompensationsfeld optimal angepasst werden. Gerade bei großen Geräten wie SIMS und TEM kann die Verwendung zweier Sensoren für optimale Ergebnisse angeraten sein.
 

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