Электронный микроскоп: эпизод IX

Продолжаем публиковать блог конструктора-любителя Алексея Брагина, в котором рассказывается, как своими руками в обыкновенном гараже вернуть в рабочее состояние старый электронный микроскоп. В прошлый раз Алексей добился значительного результата — сумел откачать колонну своего микроскопа до глубокого вакуума. Однако вакуум — необходимое, но не достаточное условие для нормальной работы микроскопа. О том, какие задачи предстоит решить Алексею на этом этапе, читайте в очередном выпуске нашей саги.

Достаточный вакуум (10

торр) уже получен, а значит, настало время двигаться дальше: установить катод, разобраться с высоковольтным блоком питания и пустить, наконец, электроны!

1. Электронная пушка и катод

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

Так выглядят в реальности катоды и электронная пушка с фокусирующим электродом. Давайте разберемся, зачем они нужны и как работают

Известный ученый в области электронной оптики и электронной микроскопии Петер Хокез (Peter W. Hawkes) в своей книге

(1972) приводит такую схему электронной пушки:

Непосредственным источником свободных электронов, из которых потом и формируется необходимый тонкий пучок, является катод. Такие электроны получаются вследствие явления термоэлектронной эмиссии. Вообще говоря, есть еще автоэмиссия, и в современных микроскопах она используется, однако ее использование сопряжено с дополнительными трудностями, поэтому пока не будем о ней говорить.

Термоэлектронная же эмиссия очень проста: катод представляет из себя вольфрамовую проволочку, согнутую в виде латинской буквы V и нагреваемую путем пропускания через нее электрического тока. Для полноты картины приведу еще одну иллюстрацию из вышеупомянутой книги Хокеза, которая демонстрирует различные типы катодов, применяемые в электронных микроскопах.

Для понимания (и расчетов) удобно, когда говорят, что анод — это положительный электрод, а катод — отрицательный, но в электронном микроскопе анод — это вся колонна. Подавать на нее 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 можно будет попробовать электронную пушку и электромагнитные линзы в работе, все ближе и ближе, поэтому я решил 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 все в 4К качестве. Можете насладиться внутренним устройством микроскопа, но предупреждаю, это видео двадцатиминутное, я его не монтировал.

Для тех, кому не хватит терпения смотреть все своими глазами, предлагаю краткое содержание ролика. Итак, начал разбирать колонну с отсоединения 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, — следы того, что туда лазили, видны практически везде.

В итоге выяснилось, что головки двух винтов были полностью сорваны, а на их место поставлены другие, более длинные, которые просто упирались в тело. Поэтому анод стоял криво. Чтобы это компенсировать (а эти горе-механики, видимо, не заметили, что анод стоит под углом), конденсорную линзу тоже сместили вбок.  Мало того, когда они ставили обратно конденсорную линзу, то вообще не попали в соответствующие регулировочные пазы, поэтому плавную регулировку, как задумано производителем, осуществлять было очень тяжело. Вот вторая часть видео, более короткая и насыщенная событиями. На нем видна вся красота нижней части электронного микроскопа — отклоняющие катушки, стигматор, диафрагмы.

Краткое содержание второй части: решил разобрать все «до основанья, а затем...». Увидел, что предыдущие владельцы тоже разбирали все до основания и промазали все-все прокладки вакуумной смазкой, даже те, которые мазать было совсем не нужно. Еще они слегка повредили обмотки стигматора, когда вставляли его обратно, но это оказалось не критично. Расправил, надел их обратно, должны работать. Сориентировал отклоняющие катушки надлежащим образом.

Кстати, я в видео говорю конденсаторная линза для необычности. Видел, что в одной старой книге ее так называют. Почитал потом и оказалось, что слова конденсор и конденсатор — синонимы и что раньше даже обычный конденсатор называли конденсором. Но сейчас терминология сложилась так, что конденсатор называют конденсатором, а собирающую электромагнитную линзу — конденсорной линзой или просто конденсором.

Теперь то, что не вошло в видео, — 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 бóльшую глубину резкости — надо выбрать самое маленькое отверстие. Хотите максимум интенсивности пучка — выбираем самое большое отверстие.

По состоянию, можно сказать, всё более-менее в порядке. Помятая, грязноватая, но все провода на месте, регулировки работают. Это хорошо! Традиционное отмыть, распрямить, смазать прокладку и вперед.

В этом микроскопе доступны на выбор три апертуры, размещенные на одной полоске (предположительно, платиновая фольга). Вот что говорит на эту тему официальная инструкция к микроскопу:

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

4. Предметный столик

К столику я давно хотел подобраться, но не было повода. И вот он нашелся. Оказалось, что проводок, соединяющий вакуумный ввод для датчика поглощенного тока и сам столик, оборван. Не то чтобы просто оборвался, а вообще нет целого куска провода. А заодно и все 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, так как изоляция будет испаряться в вакууме и ни к чему хорошему это не приведет. 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 используется в качестве теплоизоляционного экрана для проводов. Она вряд ли будет испаряться, но на всякий случай промыл ее в изопропиловом спирте от загрязнений. А внутрь пустил медную жилу от витой пары, которая изготавливается из бескислородной меди.

Ну а в следующем эпизоде — зажигаем катод :)

Продолжение следует