Электронный микроскоп в гараже. Катод и пушка

Если вы пропустили предыдущие выпуски — обязатально почитайте ^[1].

Достаточный вакуум ( 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

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 ^[2].

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 ^[3].

Такие электроны получаются вследствие явления термоэлектронной эмиссии ^[4]. Вообще говоря, есть ещё автоэмиссия ^[5], 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 ^[6] — 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 ^[7] 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.

Люди, посмотревшие это видео на моём канале ^[8] 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.

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:

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:

А вот, как выглядит после небольшого обслуживания:

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:

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 ^[9]! 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 ^[10] — 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 ^[11] — 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 ^[12]