张承青电镜实验室环境约稿[3]：低频电磁屏蔽实践

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本期将分享张承青老师为大家整理的关于电镜实验室环境对电镜的影响的系列约稿经验分享，以下为系列之三，以飨读者。（本文经授权发布,分享内容为作者个人观点, 仅供读者学习参考,不代表本网观点）

系列之三 低频电磁屏蔽实践

《低频电磁屏蔽实践》一文第一稿于2007年11月完成，曾被不知名朋友鼓捣到百度上置顶数年（未署名），本篇主要内容来自该文。此次经补充修改，第一次署名。孔乙己有名言：偷书不算偷，我抄自己的当然更不算啦。怕产生误解，特此说明一下。

这里我们讨论一下低频电磁屏蔽的机理及推导计算（以下不加说明均指磁路分流法），和在实际工作中必须要加以注意的事项。对“感生反相电磁场法”感兴趣的朋友，请参见本系列之五《几种改善电磁环境方法比较》。

许多“专业文献”在分析低频电磁屏蔽机理的机理时套用了中高频电磁屏蔽的理念和计算方法，致使计算和设计与实际结果偏差很大。有些中高频电磁屏蔽理念被盲目照搬到低频领域，造成不少误解、产生不少浪费和失误。

众所周知，电磁波是磁场-电场交替传播的，既有电性又有磁性。所以往往很自然地推导出电磁波既可以用电场来度量，也可以用磁场来度量。可是这必需要做具体讨论。

实际上泛泛谈论“电磁波”对讨论基本物理原理而言固然没错，但实际工作中，还必须结合频率来考虑。

在频率趋于0时（频率等于零时，那就是直流磁场啦），电磁波的磁场分量趋强，电场分量渐弱；在频率升高时，电场分量趋强而磁场分量减弱。这是一个渐变的过程，没有一个明显的转变点。一般从零到几千赫兹时，用磁场分量可以较好地表征、度量和计算，所以一般我们用“高斯”或“特斯拉”做场强的单位；而在100kHz以上时，用电场分量表征比较好，这时就用伏特/米来做场强的单位。对于低频电磁环境，直截了当从减弱磁场分量入手应该是一个好办法。

下面重点讨论屏蔽体内体积为40～120m³，屏蔽前磁场强度在0.5～50mGauss p-p(毫高斯 峰-峰值) 范围的低频（0～300Hz）电磁场屏蔽的实际应用（一般电镜实验室环境大致就是这样的）。

考虑到性价比，屏蔽体材料如无特殊情况，一般应选择低碳钢板 Q195（旧牌号为A3）。

我们先来建立一个数学模型：

1．计算式推导

因为低频电磁波的能量主要由磁场能量构成，所以我们可以使用高导磁材料来提供磁旁路通道以降低屏蔽体内部的磁通密度，并借用并联分流电路的分析方法来推导磁路并联旁路的计算式。

这里有以下一些定义：

Ho： 外磁场强度

Hi： 屏蔽内空间的磁场强度

Hs： 屏蔽体内磁场强度

A： 磁力线穿过屏蔽体的面积 A=L×W

Φo：空气导磁率

Φs：屏蔽材料导磁率

Ro: 屏蔽内空间的磁阻

Rs: 屏蔽材料的磁阻

L： 屏蔽体长度

W： 屏蔽体宽度

h： 屏蔽体高度（亦即磁通道长度）

b： 屏蔽体厚度

由示意图一可以得到以下二式

Ro=h/( A×Φo)=h/(L×W×Φo) (1)

Rs=h/(2b×W+2b×L)Φs (2)

由等效电路图二可以得到下式

Rs= Hi×Ro/（Ho- Hi） (3)

将(1)、(2)代入(3)，整理后得到屏蔽体厚度b的计算式(4)

 b=L×W×Φo(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi                 (4)

注意：在(4) 式中磁通道长度h已在整理时约去，在实际计算中Φo、Φs 、Ho、Hi等物理单位也将约去，我们只需注意长度单位一致即可。

由(4) 式可以看出，屏蔽效果与屏蔽材料的导磁率、厚度以及屏蔽体的大小有关。屏蔽材料导磁率越高、屏蔽材料越厚则磁阻越小、涡流损耗越大，屏蔽效果越好；在导磁率、厚度等相同的情况下，屏蔽体积越大屏效越差。

因为整体材料的涡流损耗比多层叠加（总厚度相同）的涡流损耗要大，所以如无特殊情况不宜选用薄的多层材料而选用厚的单层材料。

2．计算式校验

我们用（4）式计算并取Φo=1, L=5m，W=4m，Φs=4000，计算结果与实测数据（收集这些数据花了好几个月呢）对照比较（参见表1），发现差别很大：

表1

注：1．外磁场强度为5～20mGaussp-p。

2．为便于比较将计算数值及实测数值都归算为百分数。

3．实测值系由不同条件下的多次测试折算而得。由于各次的测试条件不完全相同，所以只能取其大约平均数。

事实上，由于各种因素的影响，试图建立一个简单的数学模型直接去分析和计算低频电磁屏蔽的效果是相当困难的。

通过分析，发现计算与实测相比偏差较大主要有两方面的原因。

并联分流电路的函数关系是线性的，而在磁路中，导磁率、磁通密度、涡流损耗等都不是完全线性关联，许多参数互为非线性函数关系（只是在某些区间线性度较好而已）。我们在推导磁路并联旁路的机理时，为避免繁杂的计算，忽略或近似了一些参数，简化了一些条件，把磁路线性化后计算。这些因素是造成计算精度差的主要原因。

另一方面，商品低碳钢板的规格一般为1.22m×2.44m，按一个长×宽×高为5×4×3m3的房间来算，焊接缝至少五六十条，即便是全部满焊，焊缝厚度也往往小于钢板的厚度。另外屏蔽体上难免有开口和间隙，这些因素造成的共同结果就是：屏蔽体磁阻增大，整体导磁率下降。

用并联分流电路的分析方法推导出的磁路屏蔽计算式必须加以修正才能接近实际情况。

3．修正后的计算公式

在(4)式基础上，我们引入修正系数μ，且考虑到空气导磁率近似为1，得到(5)式

b=μ〔L×W(Ho-Hi)/ (W+L) 2Φs Hi 〕                     (5)

μ在3.2～4.0之间选取。屏蔽体体积小、工艺水平高可取小值，反之取较大值为好。

我们用（5）式取μ=3.4计算出的结果与实测数据对照比较（参见表2），啊哈，这下吻合度基本可以满意。

表2

注：其它情况与表1相同。

必须指出的是，多次测试数据表明，虽然(5)式计算结果与多次的现场实测结果吻合度较高，但后来也发现个别相差较大的实例，究其原因是属于现场施工的问题。以下是在现场施工中可能发生的几种情况：

1．个别部位（如门）用了薄钢板；

2．钢板没有连续焊接且拼接缝过大；

3．钢板焊缝深度不足，焊缝处导磁率变小，形成多处“瓶颈”；

4．屏蔽体在设备基础部位开口过大且波导口处理不当；

5．随意缩短波导管的长度或加工时有偷工减料现象；

6．波导管壁厚过小；

7．屏蔽体多点接地致使屏蔽材料中有不均匀电流；

8．屏蔽体与电源中性线相连。

一两处小小疏忽就会造成屏蔽效果严重劣化。这有点类似于“水桶理论” ：水桶的容量取决于最短的那块木板。对于这类隐蔽项目，质量往往由工艺保证。所以在选择一个可靠的施工单位、严格遵照设计工艺要求、加强现场施工监理、实施分阶段验收等方面，都是一定要引起高度注意的。

屏蔽体的开口设计：

设计一个屏蔽体，一定会碰到开口问题。常见开口设计的理论方法大多难以在低频磁屏蔽设计中直接应用。下面以一个房间的屏蔽设计为例来讨论。

1．小型开口

房间内安装的被屏蔽设备，一般都需要供应动力、能源和冷却水等等。这些辅助设施大多位于屏蔽室之外，通过进出水管、进排气管和电缆连接进来。我们可以将这些管道和电缆适当集中，统一经由一个或数个小孔穿过屏蔽体。小孔可用与屏蔽体相同的材料做成所谓 “波导口”，长径比为一般认为至少要达到3～4﹕1（现场条件允许的话长些更好）。例如小孔直径为80mm，则长度至少为240～320mm。

2．中型开口

空调的通风口、换气扇的进排气口等直径（或者正方形、长方形的边长）一般在400～600mm左右，这样算来波导口的长度将达到1200～2400mm，这在实际施工中是无法承受的。这时可以用栅格将原来的开口分隔为几个同样大小的小口。例如将一个400×400mm的进风口分隔为九个等大的栅格，则长度由1200～1600mm减少为400～530mm（栅格增加的风阻很小，可以忽略不计）。

设计和加工时注意以下几点：

1）栅格的材料与屏蔽体相同，不要随意减小材料的厚度；

2）栅格的截面尽量接近正方形；

3）在长度可以接受的情况下，尽量减少栅格的数量，以减少加工难度和风阻；

4）栅格各处都要连续焊接，以免磁阻增大；

5）各个开口接缝处，可以增加硅钢板就，以增加导磁性。

3．可关闭的大型开口

一般房间的门窗等开口都在1m×2m以至更大，这时应该依照门窗（均为与屏蔽体同样的材料制成）关闭后的非导磁间隙来设计波导口。设门窗关闭后的非导磁间隙为5mm（这在技术上并不困难，个别难以处理的地方可以加道折边），则波导口的长度为15～20mm。考虑到间隙是狭长的，这个长度尽量长些为好。注意这里的波导口并不是只由门窗的框构成，在所有的非导磁间隙处都要有一定厚度的折边，保证波导口的长度。

为保证特殊情况下的安全撤离，屏蔽室的门框应特别加强，屏蔽门最好向外开启。

下面有一个实际设计的例子：

房间的长、宽、高分别为5米、4米和3.3米，原磁场强度x=10mGauss，y=8mGauss，z=12mGauss，试设计一低频电磁屏蔽，要求屏蔽体内任一方向的磁场强度小于2mGauss。参见图三。

1．选用商品低碳钢板，Φs=4000，规格为1.22m×2.44m；

2．按照（5）式分别从x、y、z三个方向来计算钢板厚度：

μ取3.8，L×W分别以条件所给的长、宽、高代入，且与x、y、z等方向的原磁场强度对应。

b_x=3.8〔3.3m×4m×(10mGauss -2mGauss)/(4m+3.3m) 2×4000×2mGauss〕

=3.43mm

b_y=3.8〔3.3m×5m×(8mGauss -2mGauss)/(5m+3.3m) 2×4000×2mGauss〕

=2.83mm

b_z=3.8〔5m×4m×(12mGauss -2mGauss)/(4m+5m) 2×4000×2mGauss〕

=5.28mm (若取长宽分别为10、6米，则可计算得b=2280/56000=8.91mm)

全部钢板厚度至少为6mm（为防止环境磁场变化留有裕量亦可选用8～10mm），单层。

全部焊缝要求连续焊接，并尽量使焊缝深度接近母材厚度。

3．波导口处理

（略。参见屏蔽体的开口设计）。

以上实例完工后检测，完全达到设计要求。

需要注意的是：由于磁屏蔽不能改善DC干扰环境，在需要改善DC电磁干扰环境时，需与具有消除DC功能的主动式消磁器配合使用。

另有一种情况，对于电源线、变压器等产生电磁干扰的，也用铁管铁盒套住，是不是也可以改善呢？千万不要！多地多处的多次测试证明，电源线用铁管套住后磁场往往不会减少反而增大，似乎可以解释为这是加大了“源”的体积，提高了磁场发散效率。

2020.10

张承青

作者简介

作者张承青，退休前在某电镜公司工作多年，曾经做过约两千个（次）电镜环境调查、测试，参与多个电镜实验室设计及改造设计规划，在低频电磁环境改善和低频振动改善等方面有些体会，迄今仍在这些方面继续探索。

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附2：张承青系列约稿发布回顾

附3：相关专家系列约稿

安徽大学林中清扫描电镜系列约稿