Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение

В самой первой статье ^[1] я написал примерный план нашего сериала, заключительный пункт которого — работа с электроникой. Пора уже к нему переходить. Всё остальное подточено, утечки найдены и исправлены, вакуумная система начищена до зеркального блеска.

Из электроники для экспериментов у нас есть:

• различные микроконтроллеры (популярные платы Arduino Nano, Due, менее популярный, но интересный Stellaris Launchpad; одноплатные компьютеры Raspberry Pi 3 B+ и Intel Edison)
• АЦП (AD7715, ADS7816) и ЦАП (DAC8512)
• Операционные усилители обычные и прецизионные, малошумящие
• Остальные электронные компоненты по мелочи, а также «донорские» устройства (вышедшие из строя ATX блоки питания, ИБП, CD-ROM drives и т.п.)

Из больших, независимых устройств есть высоковольтный блок питания от микроскопа Amray примерно 1990 года выпуска, неизвестной работоспособности, со следами ремонта русскоговорящим человеком.

Надо разобраться, как им управлять, как подключить к нашей колонне и вообще, проверить, работает ли он. А то подозрительно там внутри всё подписано по-русски маркером :)

Небольшое видео для тех, кому интересней посмотреть всё «вживую», увидеть как горит катод внутри микроскопа, и всё это как можно быстрее :)

Высоковольтный блок питания состоит из двух частей

• Управляемый источник высокого напряжения от 0 до -30кВ
• Аквариум

I. Источник высокого напряжения

Стабилизированный, управляемый, достаточно мощный, специально разработанный для электронных микроскопов — это всё про него. Чудо техники 1990-х годов, которое выпускается до сих пор одной американской компанией. Напряжение питания — 110 В, частота 60 Гц. На мой официальный вопрос «будет ли работать от 110 В 50 Гц», отправленный месяц назад, компания так и не посчитала нужным ответить.

Справа внизу, а также везде внутри и видны те самые следы пребывания. Скорее всего, этот прибор сломался, и был в починке. Насколько удачным оказался ремонт — ещё предстоит выяснить.

Плата, лежащая на нём, так и «шла в комплекте» с этим блоком питания. С ней никаких проблем нет. Во-первых, она также заботливо подписана маркером, где там +5 В, а где 10 В. Во-вторых, суть её понять было относительно легко.
Этот источник напряжения управляется аналоговым сигналом. Он сам предоставляет опорное напряжение 10 В, которое соответствует -30кВ на выходе. Поэтому, инженеры Amray сделали простое решение. Поставили 12-разрядный (битный) цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), из которого задействовали для управления только 9 бит в виде отдельных проводков, и 5 В питание для ЦАП. Итого, уровней выходного напряжения, что соответствует шагу в В.
Но инженеры пошли дальше, и сделали каждому биту гальваническую развязку ^[2] с помощью оптопар (это те самые девять однотипных микросхемок на плате).

Осталось только подключить эти биты к микроконтроллеру, задействовав его GPIO ^[3] выходы, и можно выбирать ускоряющее напряжение непосредственно с управляющего компьютера.

Пока я этого делать не стал, а просто подключал их к 5 В (что соответствует логической единице, а подтягивающие резисторы ^[4] там уже стоят, подтягивают к нулю).

При включении в сеть слышно, что блок пищит, т.е. что-то там происходит. Высоковольтного вольтметра у меня нет, что же делать?
Первая идея — это попробовать его «качественно», т.е. генерирует ли он достаточно мощное и высокое напряжение вообще. Откачиваем форвакуум, подключаем к той же проволочке, что и в видео про высоковольтные разряды ^[5] в вакууме.

И вот результат:

Разряд есть, блок питания отключается по перегрузке, потом снова включается.

Раз высокое напряжение он генерирует, то дальше хочется проанализировать его «количественно», или, проще говоря, измерить выходное напряжение.
Задумался о делителе напряжения ^[6], перерыл все запасы радиодеталей пассивных электронных компонентов, а точнее мегаомных резисторов.

Нашёл зелёненькие ВЗРы.

Но даже на самый максимальный по току делитель нужно 30Мом. И вообще, тестировать этот источник на максимальном токе — не вариант.

Купил тридцать 10Мом резисторов мощностью 1Вт и спаял из них вот такой делитель:

Бумажки притягиваются эффектно, а советский стрелочный прибор добавляет атмосферности.

Но, дело в том, что (и меня об этом честно предупреждали знающие люди), резисторы эти рассчитаны максимум на 500 В. А в нашем случае падение напряжения на каждом составляет В. В результате для небольших значений напряжений удалось увидеть, что регулировка работает. При увеличении напряжения выше 15кВ начинается пробой в различных местах (по звуку слышно), и получить какие-либо достоверные показания уже не получается.

Резисторов на более высокое напряжение под рукой не оказалось, но и этих хватило для того, чтобы убедится — источник выдаёт высокое напряжение и позволяет его регулировать, в некоторых пределах.

Надо идти дальше!

II. Аквариум

Достаточно красивое устройство, особенно в сравнении с залитыми маслом блоками питания старых микроскопов.

Аквариум выполняет три основных функции:

• Регулируемый накала катода
• Управление первой электростатической линзой (цилиндр Венельта)
• Имеет розетку, в которую включается высоковольтная вилка микроскопа :)

Сложность состоит в том, что весь катод находится под отрицательным высоким напряжением, и нужно к этому напряжению ещё «подмешать» напряжение, необходимое для накала катода. В те времена делать импульсные источники питания было, видимо, не модно, поэтому тут сделан переменный трансформатор с приводом от моторчика, и огромный трансформатор для подмешивания этого напряжения в высоковольтную часть.

Напряжение смещения цилиндра Венельта изменяется вращением переменного резистора (простейшая реализация, т.к. особая точность там не требуется).

А вот с розеткой возникла сложность — она, очевидно, совсем не от этого микроскопа. Но, имея токарный и фрезерный станки, а также желание, энтузиазм и свободный вечер, эта задача превращается из проблемы в удовольствие.

На первом видео ^[7] в этой статье показано, как это происходило.

Ну что ж, теперь дело за малым — нагреть катод на своём месте, включить высокое напряжение и смотреть эмиссию свободных электронов.

Но, остался ещё один неразгаданный элемент. В аквариуме есть плата, которая должна управлять этим всем. Проблема в том, что все разъёмы отключены, документации нет.

Мне удалось догадаться, куда подключать переменный трансформатор накала катода (на самом деле этот разъём единственный, который очевидно подходил) и трансформатор ввода в высоковольтную часть (там номера разъёмов отличались на единичку, вероятно, удлинительный кабель был). В остальном я не уверен, и алгоритм работы странный: одно реле на самоподхвате через оптопару, второе просто управляется с разъёма. Из подсказок там там есть только несколько надписей.

Быть может подскажете свежие идеи?

Встреча в Москве

С 11 по 13 апреля в Москве в Сокольниках будет проходить выставка ВакуумТехЭкспо (вход бесплатный при условии, если вы озаботитесь электронным билетом ^[8] заранее).

Быть может, кому-то из вас интересно и лично со мной пообщаться? В гараж все не поместимся :), а выставка представляет достаточно тематическую атмосферу, хорошо соответствующую проекту. Предпочтительное время пишите в комментариях, на наверное это около 12:00.

Благодарю за прочтение, всегда рад прочитать ваши комментарии и к статье, и к видео ^[9]. До новых встреч, надеюсь электронный луч тоже будет к следующей серии :)

Автор: reactos

Источник ^[10]