Электронный микроскоп: эпизод X

Вакуумно-механическая часть электронного микроскопа, который конструктор-любитель Алексей Брагин собирает у себя в гараже, полностью восстановлена и подготовлена к работе. Настало время переходить к настройке электроники. Об этом рассказывается в очередном выпуске блога, который Алексей ведет на нашем сайте.

В самом первом посте блога «Лаборатория в гараже» есть примерный план нашего сериала, заключительный пункт которого — работа с электроникой. Вот и настала пора к нему переходить. Все остальное сделано, 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

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 все подписано по-русски маркером :)

Итак, высоковольтный блок питания состоит из двух частей:

• управляемый источник высокого напряжения от 0 до -30 киловольт;
  
• «аквариум».

I. Источник высокого напряжения

Стабилизированный, управляемый, достаточно мощный, специально разработанный для электронных микроскопов — это все про него. Чудо техники 1990-х годов, которое выпускается до сих пор одной американской компанией. Напряжение питания — 110 вольт, частота 60 герц. 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 как раз и видны те самые следы пребывания. Скорее всего, этот прибор сломался и был в починке. Насколько удачным оказался ремонт, еще предстоит выяснить.

Плата, лежащая на нем, так и шла «в комплекте» с этим блоком питания. С ней никаких проблем нет. Во-первых, она также заботливо подписана маркером, где там плюс пять вольт, а где десять. Во-вторых, понять ее назначение оказалось относительно легко.

Этот источник напряжения управляется аналоговым сигналом. Он сам предоставляет опорное напряжение 10 вольт, которое соответствует -30 киловольт на выходе. Поэтому инженеры Amray выбрали простое решение: поставили 12-разрядный (битный) цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), из которого задействовали для управления только девять бит в виде отдельных проводков и пять вольт — питание для ЦАП. Итого получается 2⁹=512 уровней выходного напряжения, что соответствует шагу в 30000512≈58 вольт.

Но инженеры пошли дальше и сделали каждому биту гальваническую развязку с помощью оптопар (это те самые девять однотипных микросхемок на плате). Осталось только подключить эти биты к микроконтроллеру, задействовав его GPIO-выходы, и можно выбирать ускоряющее напряжение непосредственно с управляющего компьютера.

Пока я этого делать не стал, а просто подключал их к питанию на 5 вольт (что соответствует логической единице, а подтягивающие резисторы там уже стоят, подтягивают к нулю). При включении в сеть слышно, что блок пищит, то есть что-то там происходит. Высоковольтного вольтметра у меня нет, что же делать?

Первая идея — это попробовать его «качественно», то есть проверить, генерирует ли он достаточно мощное и высокое напряжение вообще. Откачиваем форвакуум, подключаем к той же проволочке, что и в видео про высоковольтные разряды 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, перерыл все запасы радиодеталей пассивных электронных компонентов, а точнее мегаомных резисторов. Нашел зелененькие ВЗРы. Но даже на самый максимальный по току делитель нужно 30 мегаом. И вообще, тестировать этот источник на максимальном токе — не вариант.  Купил тридцать 10-мегаомных резисторов мощностью 1 ватт и спаял из них вот такой делитель:

Бумажки притягиваются эффектно, а советский стрелочный прибор добавляет атмосферности. Но дело в том (и меня об этом честно предупреждали знающие люди), что резисторы эти рассчитаны максимум на 500 вольт. А в нашем случае падение напряжения на каждом составляет 30000/30=1000 вольт. В результате для небольших значений напряжений удалось увидеть, что регулировка работает. При увеличении напряжения выше 15 киловольт 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 выдает 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:

• регулировка накала катода;
• управление первой электростатической линзой (цилиндр Венельта);
• непосредственно подача напряжений в микроскоп.

Сложность состоит в том, что весь катод находится под отрицательным высоким напряжением, и нужно к этому напряжению еще «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, так как особая точность там не требуется). А вот с розеткой возникла сложность — она, очевидно, совсем не от этого микроскопа. Но если иметь под руками токарный и фрезерный станки, а также желание, энтузиазм и свободный вечер, то задача превращается из проблемы в удовольствие.

Ну что ж, теперь дело за малым — нагреть катод на его рабочем месте, включить высокое напряжение и наблюдать эмиссию свободных электронов. Вот видео, на котором вкратце запечатлены эти процессы:

(Продолжение следует)