Введение. Бойтесь своих желаний…..Дед Мороз существует!!!
Я уже выкладывал на Хабре статью про советский растровый электронный микроскоп МРЭМ-200. С тех пор я всерьез увлекся электронными микроскопами, и у меня появилась мечта заполучить «старшего брата» этого микроскопа, микроскоп МРЭМ-100, который выпускался с 1986 г. по 1992 г. Было произведено всего 125 штук, к середине 1989 г. только 69 экземпляров.
Реализация мечты казалась практически невыполнимой. В интернете практически отсутствует информация об этом микроскопе. Фотографий и документации нет. Было найдено только несколько статей, в которых указывались исследования на таком микроскопе и одна Лабораторная работа на нем [1]. Очень интересной оказалась информация о том, что для встраивания вовнутрь камеры образцов существовали компактные сканирующие туннельные микроскопы [2]. На сайтах некоторых ЦКП указывается наличие у них микроскопов МРЭМ -100, но по факту они давно списаны в утиль. На многие запросы так и не было получено ответа. Я по крупицам собирал документацию и отдельные сохранившиеся узлы и не терял надежду найти хоть что-то. И тут на Новый 2026 год Дед Мороз (это не шутка) подарил мне «хоть что-то». Этим «хоть что-то» оказался микроскоп в идеальном состоянии в самой богатой комплектации по набору детекторов, массой всего 492 кг. Год выпуска 1992. С большой долей вероятности можно говорить, что это последний из выпущенных заводом микроскопов МРЭМ-100. Дед Мороз существует на самом деле! И это не вымысел!!!
Знакомство. Микроскоп Растровый электронный малогабаритный 09ИОЭ-100-005 (МРЭМ-100).
Производитель: Академия наук СССР. Научно-техническое объединение «Экспериментальный завод научного приборостроения» г. Черноголовка.
Для начала фотография микроскопа из его инструкции (рис. 1).
Рис. 1. Фотография МРЭМ-100 из инструкции по эксплуатации. Книга 1.
Микроскоп сразу после перевозки и распаковки представлен на рисунке 2. А на рисунках 3 и 4 показаны стойка электроники и вид на органы управления и межблочные кабели. Крышки стоек все в наличии. Они были сняты для доступа и визуального осмотра.
Рис. 2. МРЭМ-100 общий вид после распаковки.
Рис. 3. Стойка электроники с органами управления.
Рис. 4. Стойка электроники. Вид сзади на межблочные кабели.
На рисунке 3 видно несметное количество кнопок и переключателей, что указывает на достаточно большой набор возможностей этого микроскопа. И все это электронное великолепие дополняет камера образцов (рис. 5).
Рис. 5. Камера образцов с детекторами.
Многообразие детекторов, большой объем камеры с развитой механизацией перемещения столика с образцом по всем возможным координатам, а также дополнительное поле гермовводов органично дополняют картину обилия кнопок и ручек стойки электроники.
Назначение и основные технические данные и характеристики из инструкции. Книга 1. Назначение.
Микроскоп предназначен для получения с высокой разрешающей способностью изображений поверхности объектов во вторичных, отраженных и поглощенных электронах, наведенном токе и лучах катодолюминесценции. Микроскоп может быть использован в заводских и лабораторных условиях для оперативного контроля технологии изготовления полупроводниковых приборов, готовых изделий микроэлектроники, а также для проведения исследований в физике твердого тела, химии, металлургии, биологии и других областях науки и техники.
Условия эксплуатации микроскопа – температура от +10 до +35 °С. Относительная влажность воздуха до 80 %.
Основные технические данные и характеристики.
-
Разрешающая способность во вторичных электронах не хуже 6 нм;
-
Диапазон увеличений на медленных развертках 20-200000;
-
Диапазон увеличений на телевизионном стандарте 100-100000;
-
Ускоряющее напряжение 0.75-30 кВ;
-
Электронный поворот растра на объекте 0-360 °;
-
Измерение тока зонда в диапазоне 10-11 - 10-9 А;
-
Режимы Y-модуляции, электронной лупы с плавной подвижкой по экрану в 2-х координатах и увеличениях 2 и 5 раз, γ –коррекции, дифференцирования;
-
Индикация увеличения на полупроводниковых цифровых индикаторах;
-
Наличие на экранах буквенно-цифровой информации об основных режимах прибора и его увеличении;
-
Возможность проводить измерения непосредственно на экране с помощью координатной сетки и электронной подвижки;
-
Суммирование и вычитание сигналов с двух датчиков;
-
Двойное изображение на одном экране определенного участка объекта от сигналов различных датчиков;
-
Шесть скоростей развертки: ТВ (625 строк), малокадровая развертка (306 строк), 1 кадр/с (512 строк), 1 кадр/5 с (1024 строки), 1 кадр/40 с (1024 строки), 1 кадр/80 с (1024 строки);
-
Перемещение объекта исследования по координатам X и Y 60 мм, по Z 30 мм;
-
Наклон столика до 60 ° с коррекцией формы растра сканирования;
-
Вращение столика 360 °;
-
Максимальный диаметр образца 100 мм с возможностью замены через шлюзовое устройство;
-
Подключение видеомагнитофона для записи;
-
Рабочий вакуум обеспечивается магниторазрядным насосом НМД- 0.1;
-
Полностью автоматизированное управление вакуумной системой.
Заявленный список возможностей впечатляет даже в сравнении с некоторыми современными аналогичными микроскопами. Разумеется, при условии, что в итоге удастся микроскоп включить.
Описание основных узлов микроскопа.
Принимая во внимание всю сложность предстоящей задачи по запуску микроскопа, было решено процесс вывода из спячки и пробуждения микроскопа осуществить в несколько этапов, с описанием каждого из них в отдельной статье. Пока микроскоп стоит у меня в гараже. Так проще приносить его электронику домой по частям для ревизии. После пробного запуска и устранения возможных неполадок микроскоп будет перевезен ко мне на работу и установлен в лаборатории рядом со своим собратом МРЭМ-200. Место уже найдено и расчищено. Во всех этих праведных трудах самое деятельное участие принимают студенты – физики нашего факультета: Геннадий Чулухадзе, Рувим Хохоев и Матвей Санакоев.
Данная статья будет посвящена просто обзору электронных блоков с их фотографиями. Далее планируется статья с описанием камеры образцов с системой детекторов и колонной магнитной оптики и статья с описанием вакуумной системы. Заключительной станет статья с фотографиями, описывающая процесс выхода микроскопа из спячки и его работу. Дело несколько усложняется тем, что у меня нет полной документации на микроскоп. Из двух книг есть только Книга 1, которая состоит из инструкции по эксплуатации и подробного описания работы всех узлов. Книга 2 с электрическими схемами отсутствует. Правда, есть отдельные схемы межблочных соединений и плат электроники. Некоторые узлы полностью одинаковые с узлами МРЭМ-200. А на него вся документация имеется в наличии. Поэтому в процессе описания конструкции микроскопа хочется восполнить отсутствие информации по МРЭМ-100 в интернете. Надеюсь, что кому-то эти сведения будут интересными, а может и полезными. Уникальный и обойденный вниманием интернета прибор, на мой взгляд, заслуживает подробного рассказа о себе.
Описание следует начинать по сложившейся традиции с блоков питания. Здесь и далее названия блоков будут даны в соответствии с их обозначениями в инструкции к микроскопу. Начать стоит со схемы межблочных соединений микроскопа (рис 6).
Рис. 6. Схема межблочных соединений микроскопа.
Как можно увидеть, схема вполне соответствует реальному изобилию кабелей, представленных на рисунке 4.
Блок питания БП-71.
Этот блок можно назвать «главным», потому что именно к нему подключается силовой трехфазный кабель питания. Микроскоп начинается с БП-71. От самого блока питаются прибор микрозондовый (отдельная стойка с вакуумной системой и колонной магнитной оптики), форвакуумный насос 2НВР-5ДМ, вакуумметр ВМБ-14, нагреватель регенератора цеолитовой ловушки паров масла и раздается питание 220 В по всем остальным потребителям. Внутреннее устройство и задняя панель с электрическими разъемами показаны на рисунках 7 и 8.
Рис. 7. Внутреннее устройство БП-71.
Рис. 8. Вид на разъемы БП-71.
После внимательного изучения блока выяснилось, что трехфазное питание нужно только для форвакуумного насоса, а к остальным потребителям идет обычное питание 220 В. Это позволяет запустить микроскоп от обычной розетки, запитав форвакуумный насос от частотного преобразователя. Частотный преобразователь был приобретен и насос с ним успешно протестирован. В блоке находятся реле всевозможных блокировок и управления клапанами вакуумной системы, а также электроника датчика ПМТ-4, который контролирует вакуум в шлюзе. При необходимости можно переключателем вручную открывать и закрывать главный вакуумный затвор и управлять нагревателем регенератора цеолитовой ловушки паров масла из форвакуумного насоса.
Блок питания БП-69.
Этот блок обеспечивает питанием Блоки индикации (мониторы) и оконечные усилители кадровой и строчной разверток. На каждый Блок индикации предусмотрен индивидуальный трансформатор для исключения влияния обмоток друг на друга (два трансформатора рядом). Отдельно стоящий трансформатор с двумя конденсаторами по 33 000 мкф обеспечивает двухполярное питание оконечных строчных и кадровых усилителей отклоняющей системы колонны магнитной оптики. Внутреннее устройство и задняя панель с электрическими разъемами показаны на рисунках 9 и 10.
Рис.9. Внутреннее устройство БП-69.
Рис. 10. Вид на разъемы БП-69.
На рисунке 9 блок представлен с откинутой стенкой, на которой закреплены фильтрующие конденсаторы цепей вторичного электропитания, и процесс их замены на новые. Все нагрузки подключаются к разъемам, показанным на рисунке 10.
Рядом с блоками питания в нижней части стойки расположен вакуумметр магнитный блокировочный ВМБ-14 (рис. 11).
Рис. 11. Вакуумметр магнитный блокировочный ВМБ-14.
После профилактической замены конденсаторов ВМБ-14 был включен в сеть 220 В без датчика вакуума, в соответствии с инструкцией к вакуумметру. Вся индикация работает правильно и реагируют адекватно на кнопки и вращение резисторов, задающих моменты включения/выключения блокировок. ВМБ-14 в составе микроскопа контролирует наличие высокого вакуума и выдает сигналы разрешения на включение высоковольтного блока и блоков питания ФЭУ и сцинтиллятора, а также включения мониторов Блоков индикации. Средний и низкий вакуум контролируются вакуумметром 13ВТ3-003 с датчиком ПМТ-6. Логика работы следующая: вакуумметр 13ВТ3-003 выдает сигнал на разрешение работы ВМБ-14, а тот в свою очередь включает все остальное. Вакуумметр 13ВТ3-003 и блок питания магниторазрядного насоса НМД-0.1 находятся в отдельном блоке, который, к сожалению, мне не достался. Это единственное, что отсутствовало в микроскопе. Вакуумметр 13ВТ3-003 уже найден, а блок питания к магниторазрядному насосу мне предстоит еще найти.
Блок питания высоковольтный БП-68.
Этот блок предназначен для управления электронной пушкой микроскопа. В составе блока находятся высоковольтный источник питания; источник питания накала термоэмиссионного катода; источник напряжения смещения на электроде Венельта. На рисунке 12 показана передняя панель блока с органами управления и контроля.
Рис. 12. Высоковольтный источник питания БП-68. Передняя панель с органами управления и контроля.
Как видно на рисунке 12, на передней панели расположены следующие органы управления: выключатель питания; переключатель контроля полного тока высокого напряжения или тока насыщения; переключатель выбора высокого напряжения (рис.13). Значения токов контролируются с помощью стрелочного прибора. Десятиоборотным переменным резистором плавно регулируется ток накала термоэмиссионного катода. Переключатель выбора высокого напряжения позволяет выбрать любое из 11 значений в диапазоне от 750 В до 30 кВ.
Рис. 13. Переключатель выбора высокого напряжения.
Переключатель имеет три секции. Набор резисторов одной из секций задает величину высокого напряжения, а резисторы двух других секций управляют токами в линзах конденсоров и фокуса, а также токами коррекции размера растра сканирования на образце для сохранения неизменным выбранного увеличения при изменении ускоряющего напряжения. Для каждого ускоряющего напряжения существуют оптимальные токи в линзах конденсоров и фокусировки, а также в катушках отклоняющей системы, формирующей растр сканирования на поверхности образца. Если их автоматически не менять одновременно с изменением ускоряющего напряжения, то будет происходить дефокусировка электронного луча и изменение размера растра, что потребует каждый раз ручной подстройки. Физика этого явления следующая: скорость электронов в вакууме можно вычислить по простой формуле V=590 √U, где U ускоряющее напряжение. Электроны, летящие с разными скоростями, соответствующими различным ускоряющим напряжениям, находятся разное время в пределах действия магнитных полей фокусировки и отклоняющей системы. Соответственно они отклоняются на разные углы при неизменных магнитных полях. Что и приводит к описанным выше сложностям. Блок обеспечивает также неизменный ток электронной пушки при изменении ускоряющего напряжения, автоматически меняя напряжение смещения на электроде Венельта. Все три источника питания, входящие в состав блока, выполнены по схемам двухтактных инверторов с обратными связями для стабилизации режимов.
Рис. 14. Вид на внутренне устройство блока БП-68.
На рисунке 14 представлен блок с откинутой стенкой, на которой закреплена плата электроники. Внешней стенкой блока служит массивный радиатор с развитым вертикальным оребрением. В середине блока находится высоковольтный модуль, состоящий из трансформаторов и умножителя напряжения, полностью залитый специальным компаундом.
Рис. 15. Вид на разъемы блока БП-68.
На рисунке 15 можно увидеть отверстие для высоковольтного кабеля, идущего к электронной пушке. К разъему ХТ4 подключается питающий блок кабель. Остальные два разъема соединяются с электроникой микроскопа.
После профилактической замены конденсаторов блок был включен отдельно от микроскопа для проверки работы. В качестве имитатора катода использовалась миниатюрная лампочка накаливания на 7 В 0.5 А. По изменению яркости ее свечения можно судить о работоспособности цепей накала и их правильной реакции на поворот резистора, регулирующего ток накала катода. Для проверки работы высоковольтной части к блоку подключался осциллограф через высоковольтный зонд-пробник (рис. 16).
Рис. 16. Высоковольтный зонд-пробник АТАКОМ АСА-6039.
Все проверки показали, что блок исправен, все напряжения в норме и БП-68 можно смело включать в составе микроскопа.
Блок БП-67.
Этот блок имеет в своем составе высокоточный термостабилизированный источник питания фокусирующей линзы, источники питания трехконденсорной магнитной оптики, источники питания корректоров астигматизма пучка и юстировки пучка по оси колонны. Также в составе блока находятся источники питания фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), сцинтиллятора и втягивающей сетки для детектора Эверхарта-Торнли (рис. 17). Напряжение на втягивающей сетке возможно менять по полярности и величине в зависимости от желаемого режима работы детектора.
Рис. 17. Блок БП-67. Передняя панель с органами управления.
Для точной регулировки используются десятиоборотные переменные резисторы. Все вышеперечисленные источники питания выполнены по инверторным схемам. Конструктивно источники питания для ФЭУ и сцинтиллятора полностью идентичны аналогичным источникам питания в составе растрового электронного микроскопа МРЭМ-200.
Рис. 18. Внутреннее устройство БП-67.
На рисунке 18 представлено внутреннее устройство блока. Для наглядности электронные платы были извлечены из своих разъемов внутри корзины.
Рис. 19. БП-67 вид на разъемы.
На рисунке 19 показана задняя панель, на которой помимо разъемов для подключения межблочных кабелей можно увидеть три массивных радиатора силовых транзисторов управления токами в конденсорных линзах. Радиатор силового транзистора управления фокусирующей линзой расположен внутри блока.
Блок электроники.
В функции этого блока входят выбор увеличения ступенями и плавно внутри ступеней; выбор режима работы развертки микроскопа; электронный поворот растра сканирования на образце; коррекция формы растра сканирования в зависимости от угла наклона столика с образцом; переключение выбранного рабочего расстояния для правильного расчета фактического увеличения; электронная подвижка растра на образце; регулировка полосы пропускания и коэффициента усиления для двух каналов обработки сигналов от детекторов. Отдельная кнопка, расположенная в правом верхнем углу, включает на мониторах координатную сетку, по которой возможно оценивать реальные размеры объектов на поверхности образца исследования. Передняя панель с органами управления показана на рисунке 20. А на рисунке 21 можно увидеть внутреннее устройство блока.
Рис. 20. Блок электроники. Передняя панель с органами управления.
Рис. 21. Внутренне устройство блока электроники.
Для большей наглядности на рисунке 21 электронные платы были извлечены из своих гнезд в корзине. Плата, закрытая экраном - синхрогенератор микроскопа. Две одинаковые платы с мощными транзисторами – оконечные усилители для строчной и кадровой разверток колонны магнитной оптики. На рисунке 22 представлена задняя стенка с расположенными на ней электрическими разъемами блока.
Рис. 22. Блок электроники. Вид на разъемы, расположенные на задней стенке.
Коаксиальные разъемы служат для подключения детекторов, расположенных на камере образцов. К разъему ХТ-15 подключается видеомагнитофон. Сигналы кадровых, строчных синхроимпульсов и сигнал яркости передаются по отдельным контактам. В планах на будущее самостоятельная сборка отдельного узла, объединяющего эти сигналы в стандартный аналоговый видеосигнал.
Блок цифровой индикации.
Этот блок предназначен для коммутации сигналов, подаваемых на блоки индикации (мониторы микроскопа) от различных источников сигналов, и вывод на светодиодный индикатор фактического увеличения. Стрелочный прибор показывает ток электронного зонда на образце. С помощью кнопок можно программировать цифровые шифры образцов исследования для их впечатывания в изображение на мониторах. Отдельное поле кнопок и светодиодов предназначено для управления вакуумной системой микроскопа. На рисунке 23 представлена панель управления блоком.
Рис. 23. Панель управления Блоком цифровой индикации.
На рисунке 24 показано внутреннее устройство блока.
Рис. 24. Внутреннее устройство Блока цифровой индикации.
Как и при описании предыдущих блоков, электронные платы извлечены из своих гнезд в корзине блока.
Этот блок содержит формирователь информации об увеличении, ускоряющем напряжении, масштабном отрезке и его фактическом размере, а также номере образца исследования, которые выводятся на мониторы микроскопа одновременно с изображением исследуемого образца по аналогии с меню на экране телевизора. В микроскопе обработка сигналов с детекторов аналоговая, а управление всеми режимами разверток – цифровое. Поэтому микроскоп можно смело отнести к аналогово-цифровым приборам. Блок – схема формирования цифровой информации на экране мониторов представлена на рисунке 25.
Рис. 25. Блок – схема формирователя цифровых сигналов.
На рисунке 26 представлен принцип формирования символов.
Рис. 26. Принцип формирования символов.
Обе фотографии взяты из инструкции к микроскопу. Здесь хочется отметить, что в инструкции присутствует подробное изложение работы всех узлов и блоков прибора в привязке к принципиальным схемам. Это должно в теории помогать местному квалифицированному персоналу эксплуатирующей организации в поиске неисправностей.
Точно такой же подход и в имеющихся у меня инструкциях по эксплуатации микроскопа МРЭМ-200 и вакуумного универсального поста ВУП 5.
ПЗУ знакогенератора находится в микросхеме Р556РТ4А. Возникло желание прочитать информацию из нее, тем более, что микросхема была вставлена в панельку с позолоченными контактами. После чтения микросхемы и анализа протокола формирования символов, а также путем долгого и вдумчивого изучения инструкции, информация была успешно расшифрована и представлена в графическом виде на ЖК экране, подключенном к микроконтроллеру, который и считывал данные из ПЗУ, используя написанную специально для этого случая программу. Фотографии символов из знакогенератора представлены на рисунке 27.
Рис. 27. Символы из ПЗУ Р556РТ4А.
На рисунке нолики соответствуют реальным отдельным пикселям на мониторах микроскопа. В результате получилось успешное резервное копирование информации. Можно увидеть, что информация в полной сохранности. На рисунке 28 показана задняя стенка блока с электрическими разъемами.
Рис. 28. Блок цифровой индикации. Вид на электрические разъемы.
Блок индикации.
Этот блок предназначен для визуального представления информации об объекте исследования. Передняя панель с экраном ЭЛТ трубки и органами управления показана на рисунке 29.
Рис. 29. Блок индикации. ЭЛТ монитор и органы управления.
Блок имеет в своем составе кинескоп с длительным послесвечением и видимой областью 12х9 см., органы регулировки яркости и контрастности, а также так называемый «γ-корректор». Корректор предназначен для логарифмического усиления сигналов яркости за счет использования нелинейности p-n переходов диодов, входящих в его состав. Благодаря этому возможно уменьшение чрезмерной яркости отдельных участков изображения с одновременным увеличением яркости слишком темных участков. В результате улучшается качество и разборчивость изображения на экране. Отдельные кнопки позволяют рассматривать изображение в позитивном и негативном виде. А комбинация их нажатия выводит на экран градиентную «пилу» для правильной настройки яркости и контрастности.
В составе микроскопа находятся два таких полностью идентичных между собой блока индикации БИ-1 и БИ-2. Это позволяет независимо друг от друга наблюдать изображения с различных датчиков и реализовывать режим «электронная лупа», при котором выбранный участок изображения на одном мониторе в увеличенном виде отображается на другом. На рисунке 30 представлено внутреннее устройство Блока индикации.
Рис. 30. Блок индикации. Внутреннее устройство.
Плата с двумя транзисторами на игольчатых радиаторах – оконечный усилитель кадровой развертки. Блок в литом корпусе с залитым компаундом умножителем – высоковольтный блок кинескопа. Эти два узла полностью идентичны аналогичным узлам в микроскопе МРЭМ-200. На рисунке 31 показан вид на электрические разъемы, расположенные на задней стенке блока.
Рис. 31. Блок индикации. Вид на электрические разъемы.
Думаю, что краткий рассказ о внутреннем устройстве микроскопа МРЭМ-100 на этом можно закончить. Обзор затронул все электронные блоки, входящие в стойку электроники.
В заключении хочется выразить искренние персональные благодарности людям, без которых моя мечта так бы и не осуществилась…..Итак: ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН и лично директору Бурцеву И. Н., и м. н. с. лаборатории петрографии Шуйскому А. С.; ГБПОУ «Владикавказский колледж электроники» и лично директору Дзугкоеву Р. М.; ИПТМ РАН г. Черноголовка и лично заведующему лабораторией растровой электронной микроскопии к.ф.-м.н. Казьмируку В. В.; ОмГУ им. Ф. М. Достоевского и лично к. ф.-м.н, доценту Ковивчаку В. С.; ИМАШ РАН и лично научному сотруднику Кулакову О. И.
Послесловие.
В процессе поиска информации по МРЭМ-100 я получил полный скан инструкции к микроскопу, фотография которого показана на рисунке 32.
Рис. 32. Микроскоп растровый малогабаритный ЭМР.П-120-008.
Этот микроскоп выпускался параллельно с МРЭМ – 100 и МРЭМ – 200 и является своего рода результатом их скрещивания между собой. Называется Микроскоп растровый электронный малогабаритный ЭМР.П-120-008. Колонна магнитной оптики вместе с диффузионным насосом от МРЭМ-200 состыкована с немного переработанной электроникой от МРЭМ-100. Серийный номер этого экземпляра 22. Про этот микроскоп не удалось найти больше никакой информации и упоминаний, кроме его инструкции. Может быть, кто-нибудь прольет свет на этот микроскоп. Заранее благодарен.
Ссылки.
Автор: FIZIK-TECHNIK
