Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка

в 21:14, , рубрики: diy или сделай сам, JEOL, в гараже, гаджеты, Научно-популярное, сканирующий электронный микроскоп, старое железо, физика, электронный микроскоп

Если вы пропустили предыдущие выпуски — обязатально почитайте.

Достаточный вакуум ($10^{-5}$ торр) уже получен, а значит, настало время двигаться дальше: установить катод, разобраться с высоковольтным блоком питания и пустить, наконец, электроны!

Так выглядят катоды и электронная пушка с фокусирующим электродом в реальности. Под катом простое объяснение того, как это работает, а также внутренности электронно-оптической колонны в 4K качестве.

1. Электронная пушка и катод

Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 2
В сканирующем электронном микроскопе исследуемый образец последовательно точка-за-точкой облучается тонким пучком электронов, и, очень желательно, чтобы они ещё и двигались с равной скоростью. Для создания такого пучка электронов служит и электронно-оптическая колонна с целой системой электростатических и электромагнитных линз. И первый элемент в ней — электронная пушка.

Известный учёный в области электронной оптики и электронной микроскопии Peter W. Hawkes в своей книге Electron optics and electron microscopy (1972 год) приводит такую схему электронной пушки (см. рисунок слева).

Непосредственным источником свободных электронов, из которых потом и формируется тот тонкий пучок, является катод.

Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 3
Такие электроны получаются вследствие явления термоэлектронной эмиссии. Вообще говоря, есть ещё автоэмиссия, и в современных микроскопах она используется, однако её использование сопряжено с дополнительными трудностями, поэтому пока не будем её рассматривать.
Термоэлектронная же эмиссия очень проста: катод представляет из себя вольфрамовую проволочку, согнутую в виде латинской буквы V, и нагреваемую путём пропускания через неё электрического тока. Для полноты картины приведу ещё одну иллюстрацию из вышеупомянутой книги, которая демонстрирует различные типы катодов, применяемые в электронных микроскопах.

Для понимания (и расчётов) удобно, когда говорят, что анод — это положительный электрод, а катод — отрицательный, но в электронном микроскопе анод — это вся колонна. Подавать на неё высокое напряжение в десятки киловольт — достаточно плохая идея. Поэтому делают по-другому: колонну (т.е. анод) заземляют, а на катод подают отрицательное высокое напряжение и подмешивают ток накала.

Полученный пучок электронов необходимо дополнительно подготовить прежде, чем направлять его в электромагнитные линзы. Исторически так сложилось, что вся конструкция термоэмиссионной электронной пушки претерпела мало изменений и состоит из катода, фокусирующего электрода, называемого венельтом и анода.

2. Разборка всей колонны

Момент, когда нужно будет пробовать электронную пушку и электромагнитные линзы в работе всё ближе и ближе, поэтому я решился провести тотальную инспекцию всей колонны.

Это стало возможным только после того, как хорошие люди подарили мне баночку высоковакуумной смазки (об этом ниже, в благодарностях). И, как оказалось, разбирал колонну не зря. Обнаружил и исправил там несколько проблем. И заснял всё в 4К качестве. Можете насладиться внутренним устройством микроскопа.

Первое видео — несколько длинное, я его не монтировал.

Краткое содержание-расследование первой части

Начал разбирать с электронной пушки, снял анод, верхнюю часть колонны и увидел достаточно много мусора (пыль, отпечатки пальцев, жир). Но это не самое страшное, самое печальное то, что туда уже кто-то лазил, и не очень умелыми руками. Разбирал-разбирал, и следы того, что туда лазили — везде.
В итоге выяснилось, что головки двух винтов были полностью сорваны, и на их место поставлены другие, которые больше по длине, и они просто упирались в тело. Поэтому анод стоял криво. Чтобы это компенсировать (а они, видимо, незаметили, что анод стоит под углом), конденсорную линзу тоже сместили в бок.
Мало того, когда они ставили обратно конденсорную линзу, то вообще не попали в соответствующие регулировочные пазы, поэтому плавную регулировку, как задумано производителем, было осуществлять очень тяжело.
Кстати, я в видео говорю конденсаторная линза для необычности. Видел в одной старой книге так называют. Почитал потом и оказалось, что слова конденсор и конденсатор — синонимы, и раньше даже обычный конденсатор называли конденсором. Но сейчас терминология сложилась так, что конденсатор называют конденсатором, а собирающую электромагнитную линзу — конденсорной линзой или просто конденсором.

Люди, посмотревшие это видео на моём канале до публикации статьи попросили сделать следующую часть более насыщенной событиями и меньшей по времени. Так и сделал, вырезал ненужные моменты, ускорил всякие откручивания-закручивания винтиков и выложил второе видео про разборку колонны. Там видна вся красота нижней части электронного микроскопа — отклоняющие катушки, стигматор, диафрагмы.

Краткое содержание-расследование второй части

Решил разобрать всё «до основания, а затем...». Увидел, что предыдущие владельцы разбирали тоже всё до основания. Промазали все-все прокладки вакуумной смазкой, даже те, что мазать было совсем не нужно. Ещё они слегка повредили обмотки стигматора, когда вставляли его обратно, но это оказалось не критично. Расправил, надел их обратно, должны работать. Сориентировал отклоняющие катушки правильно, вроде.

То, что не вошло в видео — это объективная диафрагма и починка предметного столика.

3. Апертура объективной линзы

Стоит в полюсном наконечнике объективной линзы, и работает по-сути, как диафрагма в фотокамере. Хотите большую глубину резкости — надо выбрать самое маленькое отверстие. Хотите максимум интенсивности пучка — выбираем самое большое отверстие.

По состоянию, можно сказать, всё более-менее в порядке. Ну, смотрите сами:
Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 4
Помятая, грязноватая, но все провода на месте, регулировки работают. Это хорошо! Традиционное отмыть, распрямить, смазать прокладку и вперёд.

В этом микроскопе доступны на выбор три апертуры, размещённые на одной полоске (предположительно, платиновая фольга).

Вот, что говорит на эту тему официальная инструкция к микроскопу:

  • 100 мкм — для наблюдений, которые требуют большой глубины резкости или низкую интенсивность пучка
  • 200 мкм — для обычных применений
  • 600 мкм — для рентгеновского анализатора или наблюдений в реальном времени

4. Предметный столик

К столику я давно хотел подобраться, но не было повода. И вот он нашёлся. Оказалось, что проводок, соединяющий вакуумный ввод для датчика поглощённого тока и сам столик — оборван. Не то, чтобы оборвался, а вообще нет целого куска провода. А заодно и всё остальное достаточно грязное. Посмотрите, как выглядело это до:
Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 5

А вот, как выглядит после небольшого обслуживания:
Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 6

Из чего сделать провод — это был большой вопрос. Обычный провод нельзя, т.к. изоляция будет испаряться в вакууме, и ни к чему хорошему это не приведёт. Даже материал самого проводника имеет значение, обычно в таких случаях используют бескислородную медь.
После долгих раздумий был найден вариант со специальной трубкой из стекловолокна, которая используются в качестве теплоизоляционного экрана для проводов. Она врядли будет испаряться, но на всякий случай промыл её в изопропиловом спирте от всяких загрязнений. А внутрь пустил медную жилу от витой пары, которая изготавливается из той самой бескислородной меди (поправьте, если ошибаюсь).

Спасибо!!!

В прошлый раз я написал список того, что поможет в этом проекте, что будет полезно для экспериментов. Огромное спасибо всем откликнувшимся! Я посетил несколько университетов и организаций, познакомился с очень интересными людьми.

Для реализации проектов получил очень важные компоненты. Например, маленький турбомолекулярный насосик вместе с контроллером:

Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка - 7

Думаю, что после окончательной отладки вакуумной системы микроскопа сменю масляный насос на этот турбомолекулярный.

Ещё досталась баночка высоковакуумной несиликоновой смазки Apiezon, которая открыла мне возможность наконец перебрать всю колонну и исправить все проблемы, про которые я написал выше.
Спасибо Goron_Dekar! Я очень воодушевлён после нашего общения. Обязательно заеду ещё пообщаться, и постараюсь что-то полезного привезти.

Благодарю Виктора из МФТИ, съездить в Пущино было полезным и увлекательным путешествием. У них там стоит чуть более старая модель подобного JEOL'а, работающая в режиме микроанализатора.

ZavDimka — спасибо за интересные и полезные штуки (хоть я их ещё не забрал :)).
Этот человек делает отличный высоковольтный блок питания. И ещё много всего. А т.к. микроскоп уже переходит в стадию электроники, то это сейчас очень актуально.

jar_ohty — хоть я ещё к вам не съездил, с удовольствием посещу познакомиться. Может и вторичноэлектронный умножитель задействуем как-то :)

И ещё много людей, которых тоже очень благодарю. Детекторы и катоды к микроскопу всё ещё ищу, но есть некоторая надежда.

В следующей серии — зажигаем катод :)

Автор: reactos

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля