蔡司 GeminiSEM 系列的安装要求里,振动这一项没有给 VC 曲线,而是按方向、按三个频段直接给出速度限值。水平方向在 10Hz 以下小于 5 μm/s,10 到 60Hz 小于 10 μm/s,60Hz 以上小于 14 μm/s;垂直方向对应 4、14、20 μm/s。测点定在样品室高度 1.0 到 1.5 m,取值方式为时域有效值。
这种写法带来两个直接后果。现场验收不能拿一条曲线去套,要按表逐段核对;用 VC 曲线做对照时,也不能把两边的数字并排比较,因为统计口径不同。很多争议出在第二步上。
本文把这张表拆开讲。数值怎么读,测点为什么放在样品室高度,超标之后按什么顺序排查与选方案,都按手册给出的条件来。场地本身有多少振动、该怎么先测一遍,方法见实验室楼板振动自查方法。
10Hz 以下的振动主要来自建筑与地面。楼板与梁的自振、邻近道路与轨道交通、人员走动与重型车辆经过,能量集中在这一段。10 到 60Hz 之间,泵组、风机、空调机组与冷水机组的转频及其谐波是主要来源,实验室所在楼层的设备间往往就落在这个区间。60Hz 以上多为管路振动、局部设备的高频分量,以及声场与结构的耦合。
频段与来源不是一一对应,现场经常出现跨段的峰值。这里给的是排查时的起点,不是结论。
三个频段的限值逐段放宽,垂直方向从 4 到 14 再到 20 μm/s,水平方向从 5 到 10 再到 14 μm/s。这个走向反映的是设备的敏感度随频率下降,高频的位移幅值小,同样的速度值对应的位移更小,对成像的影响也弱一些。
判断依据: 不能因为高频限值宽松就认为高频不重要。60Hz 以上的限值放宽了,但这一段的激励源往往离设备更近,泵组与管路就在几米之内,实际超标的情况并不少见。
同一频段内,垂直方向的限值都比水平方向严。10Hz 以下垂直 4、水平 5,10 到 60Hz 垂直 14、水平 10,60Hz 以上垂直 20、水平 14。前两段垂直更严,第三段反过来。
这个分布与电子光学柱的结构有关。镜筒是竖直的,样品台在样品室内做平面移动,垂直方向的相对位移直接影响工作距离与焦面。到了高频段,水平方向的限值反而更紧,与样品台、光阑等部件的横向响应有关。
| 频段 | 水平方向 x/y | 垂直方向 z | 常见的激励来源 |
|---|---|---|---|
| 10Hz 以下 | 小于 5 μm/s | 小于 4 μm/s rms | 建筑结构、地面交通、人员走动 |
| 10 到 60Hz | 小于 10 μm/s | 小于 14 μm/s rms | 泵组、风机、空调与冷水机组 |
| 60Hz 以上 | 小于 14 μm/s | 小于 20 μm/s rms | 管路、局部设备、声场与结构耦合 |
来源:ZEISS GeminiSEM Series Instruction Manual,文件编号 349500-8038-000,3.4 节 Installation Requirements。手册中水平方向写作 μm/s,垂直方向明确标注 rms,取值方式为时域测量,测点在样品室高度 1.0 到 1.5 m。
| 分界 | 水平方向的变化 | 垂直方向的变化 | 对判定的影响 |
|---|---|---|---|
| 10Hz | 5 到 10 μm/s,放宽 2 倍 | 4 到 14 μm/s,放宽 3.5 倍 | 峰值落在 10Hz 哪一侧,结论可能相反 |
| 60Hz | 10 到 14 μm/s,放宽 1.4 倍 | 14 到 20 μm/s,放宽 1.4 倍 | 影响较小,按段归属即可 |
垂直方向在 10Hz 处的台阶较大。同一个 5 μm/s 的峰值,中心频率在 9.8Hz 时超过限值,在 10.2Hz 时就落在宽松的一段里。测量分辨率: 这种情况要求用窄带谱判断峰值的中心频率,1/3 倍频程在 10Hz 附近的分辨率不足,会把跨段的能量摊到相邻两带上,两头都读不出真实峰值。
手册把测点定在样品室高度,范围 1.0 到 1.5 m,并且要求时域取值。这一条经常被忽略,现场只在地面测一次就下结论。
设备本体在部分频段会放大楼面振动。镜筒、样品室、外罩与管路的局部模态落在中高频,地面测到的 10 μm/s 传到样品室可能已经放大。结论: 地面测点合格,只说明楼板这一侧没问题,不能替代样品室高度的验收测量。隔振平台装好之后,复测点同样要回到样品室高度。
VC 曲线给的是 1/3 倍频程带宽内的速度有效值,按中心频率逐带给出限值,VC-D 为 6.25 μm/s,VC-E 为 3.12 μm/s。GeminiSEM 给的是三个宽带内的总有效值,1 到 10Hz 算一个数,10 到 60Hz 算一个数。
宽带值是把带内所有频率分量叠加后的结果。各分量互不相关时,合成值约等于各分量平方和的开方。带宽越宽,包含的分量越多,同样的单带水平合成出来的总有效值越大。两套数字放在一起比大小,没有意义。
按互不相关的近似合成估算。10 到 60Hz 内有 8 个 1/3 倍频程,中心频率从 10Hz 到 50Hz,若每一带都停在 VC-D 的 6.25 μm/s,合成后约为 17.7 μm/s,高于水平方向 10 μm/s 的限值。1 到 10Hz 内有 11 个带,同样条件下合成约 20 μm/s,与 4 和 5 μm/s 的限值差得更远。
这个估算说明一件事,逐带满足 VC-D 的楼面不一定满足 GeminiSEM 的要求。反过来,某个宽带读数超过 VC-D 的单带限值,也不等于场地不合格。可用做法: 验收按手册的三段限值判,VC 曲线只在横向比较不同场地、或与同楼层其它设备共用同一套隔振方案时作参考。VC 曲线的分级与适用设备见VC 曲线与电镜振动等级的对应关系。
第三方隔振厂商公开的 GeminiSEM 安装报告里,隔振前的楼面实测多在 VC-E 到 VC-F,隔振后做到 VC-G。这些报告采用的判据仍是厂商的三段限值,VC 等级只是便于阅读的表达方式。
同一系列内不同型号的限值是同一张表。GeminiSEM 360、460、560 共用这份安装要求,选型时不按型号区分振动指标。透射电镜的要求比扫描电镜更严,差别在哪几项,见透射电镜与扫描电镜在振动要求上的差别。
| 项目 | 手册限值 | 说明 |
|---|---|---|
| 环境温度 | 约 21 °C ± 4 °C | |
| 温度变化速率 | 0.5 °C/h | 短时波动 |
| 长期温度稳定性 | 2 °C/24 h | 长时间实验适用 |
| 相对湿度 | 小于 65% | |
| 海拔 | 不超过 2000 m | 保证不受干扰运行 |
| 污染等级 | 2 |
温度这一项与振动会互相伪装。热漂移造成的像移是缓慢的单调位移,振动造成的是高频抖动,两者在图像上的表现不同,但在低倍下容易混淆。判断顺序上,先看时间尺度,再看频谱。
手册给出两条限值。直流分量 0.5 mG 每 5 分钟以内,交流分量在 10Hz 到 1kHz 之间峰峰值小于 1 mG。
磁场与振动是两条独立的传递路径,处理手段也不同。隔振平台对磁场没有作用,消磁装置对振动也没有作用。现场如果同时存在两类问题,测量要分开做,方案也要分开定。电子束受磁场干扰的表现与消磁器选型是另一个题目,本站另有文章讨论。
| 频段 | 声压级限值 |
|---|---|
| 120Hz 以下 | 小于 52 dB |
| 120 到 450Hz | 小于 43 dB |
| 450Hz 以上 | 小于 47 dB |
声学噪声通过两种方式影响成像。一是声场直接激励设备外罩与镜筒,形成结构振动;二是声场在样品室内形成压力波动。隔振平台处理不了这两条路径,需要从声源与围护结构入手。声学与振动的关系另有一篇专门讨论。
第一步不是选方案,是把超标的位置定下来。需要三个信息:哪个方向超标、峰值中心频率落在哪一段、这个峰值是稳态还是间歇出现。
间歇出现的峰值往往与设备运行状态相关。泵组启停、空调压缩机切换、邻近实验室开机,都会在谱图上留下间歇分量。连续测一段时间的瀑布图比单次采样更能说明问题。
| 超标频段 | 适合的方式 | 可用的型号能力 |
|---|---|---|
| 1Hz 以下 | 主动隔振 | AVI-400 隔振起始频率 0.5Hz |
| 1 到 10Hz | 主动隔振 | AVI-200 起始 1Hz;AVI-600 标准配置 1Hz,配 LFS 前馈系统后 0.5Hz |
| 10Hz 以上 | 被动隔振 | 气浮平台固有频率 1.5 到 3Hz,10Hz 以上效率高 |
| 全频段 | 主动加被动组合 | 主动负责低频,被动负责中高频与承载 |
来源:HERZ AVI 系列与 UNICORN HS 华山、GS 冈山系列的产品资料。气浮平台的固有频率标称值在 1.5 到 3Hz 之间,同负载与实际使用情况相关。
载荷口径: 选型按含隔振平台与配重的总重计算。AVI-200 的负载能力为 0 到 318 kg 或 0 到 455 kg(按型号分档),AVI-400 为 0 到 800 kg,AVI-600 为 0 到 1200 kg,可扩展至 1680 kg。两类方案的频段边界与判断依据见主动隔振与被动隔振的边界。
第一类是设备自身与附属设备产生的振动。真空泵、压缩机、循环水机如果与主机刚性连接或放在同一块楼板上,振动从设备内部或近场传入,隔振平台装在主机下面拦不住。处理办法是把泵组单独隔振,管路改成柔性连接。
第二类是声学激励。前面已经说过,声场走的是空气路径,与地基路径并行。声压级超标时先查声源与围护,不要先调隔振参数。
| 误区 | 事实 |
|---|---|
| GeminiSEM 的振动要求就是 VC-D | 手册给的是三段速度限值,没有给 VC 等级。VC 曲线是 1/3 倍频程口径,两者不能直接换算 |
| 地面测点合格就可以装机 | 手册的测点在样品室高度 1.0 到 1.5 m。地面与样品室之间的传递会放大中高频 |
| 装了隔振平台,所有超标都能解决 | 平台只处理地基传递路径。泵组近场激励与声学激励需要另外处理 |
| 三个频段里高频限值较宽,可以先不管 | 高频段的激励源往往离设备更近,实际超标并不少见 |
| 同一系列里高配型号的振动要求更严 | GeminiSEM 360、460、560 共用同一份安装要求,振动指标不随型号变化 |
问:GeminiSEM 的振动要求是不是 VC-D?
答:不是。手册给的是按方向、按三个频段的速度限值,水平方向为 5、10、14 μm/s,垂直方向为 4、14、20 μm/s,没有给 VC 等级。VC 曲线按 1/3 倍频程给限值,与这三个宽带值不是同一口径,不能直接换算或并排比较。
问:地面测到合格,为什么装机后还要做隔振?
答:手册的测点在样品室高度 1.0 到 1.5 m,取值方式为时域有效值。设备本体在部分频段会放大楼面振动,地面合格不等于样品室高度合格。另外泵组、气路与声学激励不在楼面测点的覆盖范围内。
问:10Hz 和 60Hz 两个分界处的限值为什么会跳变?
答:手册按段给限值,段边界处存在台阶,垂直方向在 10Hz 处由 4 跳到 14 μm/s,是幅度较大的一处。分析时要用窄带谱判断峰值中心频率落在哪一段,1/3 倍频程在分界附近会跨段,读不出真实峰值。
问:被动气浮平台能不能满足 GeminiSEM?
答:看超标频段。气浮平台的固有频率在 1.5 到 3Hz 之间,10Hz 以上隔振效率高且不需要供电;若超标峰值出现在 1 到 10Hz,需要主动方案或主动加被动的组合方案。
问:磁场这一项要不要和振动一起测?
答:要测,但要分开测、分开定方案。手册给的杂散磁场限值是直流分量 0.5 mG 每 5 分钟以内,交流分量在 10Hz 到 1kHz 之间峰峰值小于 1 mG。隔振平台对磁场没有作用,消磁装置对振动也没有作用。
按这张表核场地,顺序是三步。先用窄带谱把超标的方向与频段定下来,再按频段选隔振方式,最后回到样品室高度复测。中间两步容易做反,先选方案再找问题,往往装完才发现峰值落在了方案覆盖不到的频段。
现场条件还会带来别的约束。楼面不能打孔、架空地板承重不足、设备连同平台超过楼板局部承载,这些会改变支承方式的选择,处理思路见免锚固条件下减振方案的确定方法。产品页里有各系列隔振模块与气浮平台的参数、负载分档与频段覆盖,可以按超标频段对照查看。
ZEISS GeminiSEM Series Instruction Manual, en02, 349500-8038-000。(3.4 Installation Requirements,环境要求表)
IEST-RP-CC012.2, Considerations in Cleanroom Design. Institute of Environmental Sciences and Technology。(VC 曲线限值与测量频段)
《建筑工程容许振动标准》GB 50868-2013。(精密仪器与显微镜的容许振动值)
《工程隔振设计标准》GB 50463-2019。(隔振体系固有频率与传递率)
第三方隔振厂商公开的 ZEISS GeminiSEM 安装报告(隔振前后实测数据与判据口径)。
蔡司 GeminiSEM 的振动敏感度与隔振要求
设备太重、地面不能打孔,减振方案怎么定
实验室建在设备间楼上,振动怎么处理
透射电镜对振动的要求为什么比扫描电镜更严