Электронный микроскоп: эпизод II

Продолжаем публикацию блога предпринимателя и конструктора-любителя Алексея Брагина, который рассказывает о своем опыте восстановления электронного микроскопа, отправленного неким НИИ на свалку. В прошлой публикации Алексей рассказал, как этот микроскоп очутился у него в гараже, и привел ряд общих сведений о подобных устройствах. Сегодня речь пойдет о вакууме, без которого работа электронного микроскопа в принципе невозможна.

Электронно-оптическая колонна

Как вы помните, ко мне в гараж переехала электронно-оптическая колонна микроскопа. Это собственно вакуумная камера, в которой расположены следующие узлы:

• электронная пушка, испускающая электронный луч;
• система электромагнитных линз, фокусирующих, сдвигающих, раскручивающих и перемещающих луч;
• держатель для образца, с возможностью его перемещения и наклона по разным осям;
• детекторы излучения различной природы — электронов, рентгеновского, светового диапазонов;
• порты для подключения дополнительных устройств;
• система управления вакуумом.

Вот как, например, выглядит электронная пушка (со снятым цилиндром Венельта):

А это управляемый предметный столик — он расположен внутри колонны, поэтому доступ к нему осуществляется через специальный шлюз. Снаружи его расположение можно узнать по обилию ручек для перемещения и наклона.

Разборка, очистка, покраска

Самое первое, что захотелось сделать — это все основательно отмыть и покрасить поржавевшие детали. Защитные кожухи сверху и сбоку были сняты, под ними оказалось еще больше пыли, а сталь успела местами заржаветь от действия влаги и воздуха. Хорошо, что сама колонна сделана из нержавейки и так легко не окисляется.

Собственно вакуумная часть (под колонной) в процессе разборки выглядела так:

Теперь снимаем снизу всю вакуумную арматуру, остатки блока управления вакуумом, диффузионный насос, зачищаем и красим дно полуматовой чёрной краской, чтобы было красиво. Сверху снимаем защитные кожухи, видим тридцатилетнюю пыль, все моем, шкурим и красим. Вот было/стало для сравнения:

Теперь, после того как внешний лоск наведен, самое время вспомнить кое-что из теории.

Что надо знать про вакуум

Вакуум — это целый новый мир, где привычные материалы ведут себя совершенно по-другому. Обычная вода в вакууме мгновенно закипает и испаряется даже при собственной температуре около нуля градусов Цельсия (одновременно делая вакуум не таким уж вакуумом).
Вообще в вакууме все пропускает и испаряется, даже металлы — это всего лишь вопрос глубины вакуума и температуры. Только представьте, что обычное резиновое уплотнение при вакуумировании начинает пропускать значительный объем газа, причем не где-то через щель, а через саму резину. Или, например, гибкий шланг, помимо того, что пропускает сквозь себя воздух, еще и слегка испаряется сам. А внутренняя поверхность вакуумной камеры накапливает газ в своих шероховатостях, и поэтому ее обычно полируют. Все это очень непривычно для понимания.
Под вакуумом работают многие интересные научные приборы: масс-спектрометры, оже-спектрометры, напылительные установки, ускорители элементарных частиц, лазеры и, конечно, различные виды электронных микроскопов. Распространенные предметы домашнего быта, в которых есть высокий вакуум, — это термос, электронно-лучевая трубка телевизора или монитора, различные виды электронных ламп.
Рассмотрим теперь, какой бывает вакуум и что надо знать, чтобы можно было восстановить работоспособность микроскопа.
Его колонна рассчитана на высокий вакуум порядка 10^-5 торр. В среде вакуумщиков принято обозначать миллиметры ртутного столба как торр, либо использовать единицы измерения для давления — Паскали и миллибары. Лично я привык к торрам.
Как измерить вакуум — на самом деле еще та задачка! Обычный мембранный манометр-вакууметр покажет в лучшем случае от 750 до 1 торр, а разница между 1 и 10^-5 торр для него неосязаема (различные источники указывают на возможность измерения вакуума до 10^-3 торр мембранными вакууметрами, однако на практике я с такими не сталкивался).
Почему эта разница настолько важна? Потому, что школьная физика перестает работать при таком давлении. Попробуем представить наглядно вакуум различной глубины:
1. От атмосферного давления к форвакууму (10^-3 торр)
На каждого человека, даже партийного, давит атмосферный столб весом в двести четырнадцать кило … Это закон физики. (с) И.Ильф и Е.Петров.

Длина свободного пробега молекул азота при атмосферном давлении составляет около 70 нанометров = 7 * 10^-8 метра, а примерный размер молекулы азота равен 10^-10 метра. Тем не менее, несмотря на то, что молекулы азота в замкнутой камере, в которой мы понижаем давление, пролетают сравнительно длинный путь, закон Паскаля продолжает работать и давление в любой точке газа остается одинаковым.

Для достижения этого уровня вакуума применяют форвакуумные насосы.

2. Высокий вакуум (10^-5 торр)
Здесь начинается самое интересное: радикально меняется физическая природа находящегося внутри вакуумной камеры газа (а газ там будет всегда, абсолютный вакуум недостижим, см. выше про испарение всего и вся). При достижении такого давления закон Паскаля перестает работать. Характерная черта высокого вакуума — в нем молекулы газа начинают больше ударяться о стенки камеры, чем сталкиваться между собой.

Для достижения этого уровня вакуума применяют высоковакуумные насосы.

3. Сверхвысокий вакуум (10^-9 торр и ниже)
В этом случае количество газа, проходящего сквозь резиновые уплотнения, играет настолько существенную роль, что приходится переходить на специальные фланцы с медным уплотнением.
Для достижения этого уровня вакуума применяют специальные геттерные насосы. Они не откачивают газ в атмосферу, а поглощают его (переводят из газообразной фазы в твердую химическим путем).
Это один из самых сложных уровней, и, к счастью, в большинстве старых микроскопов получать такой уровень вакуума не требуется. В новых и самых передовых приборах такой уровень вакуума нужно поддерживать для работы катодов с полевой эмиссией.

4. Космический вакуум
Космический вакуум зависит от местоположения. На орбите спутников (300 километров от поверхности Земли) давление соответствует сверхвысокому вакууму. Для сравнения, в межзвездном пространстве вакуум составляет 10^-17 торр. Но дело в том, что даже в этом пространстве все-таки встречаются редкие атомы водорода, много фотонов и других частиц. Идеального вакуума нет даже там.

На этом сегодня достаточно, а в следующий раз мы поговорим о том, как вакуум измеряют и как его создают.

(Продолжение следует)