4 апреля в 01:44

Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение

В самой первой статье 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, $2^9=512$ уровней выходного напряжения, что соответствует шагу в $ \frac {30000} {512} \approx 58$ В.
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 5 В (что соответствует логической единице, а подтягивающие резисторы 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 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.

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 $30000 / 30 = 1000$ 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:

  • 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 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 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 есть только несколько надписей на плате.

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 заранее).

Встречаемся 11-го числа в 12:00 у входа на выставку. Связь можно держать через Телеграм: @Fireballrus

Благодарю за прочтение, всегда рад прочитать ваши комментарии и к статье, и к видео. До новых встреч, надеюсь электронный луч тоже будет к следующей серии :)
Есть ли у вас интерес встретиться на выставке?
4%
(8)
Да, 11 апреля
3%
(6)
Да, 12 апреля
22%
(44)
Нет, спасибо, статей и видео достаточно
71%
(139)
Да, но нет возможности приехать

Проголосовало 197 человек. Воздержалось 110 человек.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Алексей Брагин @reactos
карма
95,5
рейтинг 44,9
Предприниматель
Самое читаемое

Комментарии (47)

  • +13
    Возможно, это не самый информативный комментарий на geektimes, но

    Алексей, то, что вы делаете, просто невероятно круто.
  • +8
    Думаю, это самая впечатляющая самоделка, которую приходилось мне видеть!
  • +3
    Сделайте белее качественные фото платы с 2-х сторон и я Вам разрисую схему платы. И вместе разберемся с её работой.
    • +1
      Пожалуй — могу предоставить ещё два глаза для прорисовки схемы. Выглядит она простой, как две копейки, за исключением непонятной чёрной круглой детальки.
      Неплохо также получить представление reactos о том, как должна-бы выглядеть функциональная схема соединения платы с микроскопом для уточнения или опровергания.

      P.S. Попытавшись найти схему этого блочка — нашёл такую статейку про изготовление вольфрамовых зондов для СТМ.
      • 0
        Черный боченок — герконовое реле? Трансформатор? Датчик тока?
        Естественно автору крайне желательно фото маркировки этого элемена.
        • 0
          Это обозначено, как «Torroid». Насколько я понимаю, это тороидальный трансформатор, через одну обмотку которого проходит питание большого трансформатора, подмешивающего ток накала к высокому напряжению.
          А вторую обмотку можно использовать для контроля тока накала. Подразумеваю выпрямительный диод, сглаживающий фильтр, ОУ, и на АЦП.
          • 0
            Да. Скорее всего контроль тока накала.
    • 0
      Спасибо, вот ссылки на фотки выше, но в более высоком разрешении:
      Вид сверху
      Вид снизу
      • 0
        1. Что написано сбоку (фото) на:
        • чёрном бочонке
        • Q1
        • красном диске
        • реле K1 и K2


        2. Прозвоните дорожки, отмеченные красным. Правильно я их прокладываю?
        image
        • 0
          Фото (кликабельно)

          Тороид:


          Транзистор:


          Реле:


          Красный диск, забыл его сфотографировать — попозже пришлю.
          • 0
            Из тороидального дроселя с нестандартной индуктивностью, судя по всему — действительно сделали трансформатор тока. Что там питается переменкой, нить накала? Или импульсами питается катод?
            Красный диск — варистор, наверное.
            • 0
              Переменное напряжение для накала катода, да. Выпрямляется и сглаживается внутри аквариума. И, действительно важно знать ток накала катода (вообще, ещё и ток эмиссии, но эту величину наш БП не предоставляет)
  • +1

    О! В соседнем павильоне в это же время другая выставка, Аналитика Экспо, не по вашей специальности, но вообще там бывают представители olympus, nikon и др. Конечно, по световым микроскопам, но может вы их заинтересуете и они расскажут вам что-то интересное.

    • +1
      Да, у меня в прошлом году Аналитика Экспо вызвала такой же интерес, как и ВакуумТехЭкспо. Много всего там было.
  • +1
    А аквариум ничем не заливается? Просто сам по себе изолятор?
    • +1
      У меня были мысли, что он заполнен специальным газом, но после того, как я его открывал (а открывал, чтобы сменить розетку), вроде бы ничего не испортилось. По-крайней мере, если диэлектрическая сила воздуха 3*10^6 Вольт/метр, то получаем, безопасное расстояние для изоляции 30кВ по воздуху 1 см. В принципе добавлять газ в таком случае не имеет смысла. А вот избавиться от пыли, влаги и прочего, что может ухудшить диэлектрические свойства — очень даже стоит.
      • +1
        Можно положить на дно немного силикагеля, для осушения воздуха.
      • 0
        А газ не слишком ли радикально?) Почему не залить трансформаторным маслом? На 35 кВ для масляных выключателей вполне продает или можно отлить из бочку на любой подстанции за флакон коньяку.
        • 0
          Трансформаторное масло гораздо дешевле французского напитка из одноимённой провинции. Рублей 70-100 за литр, если не ошибаюсь :)

          Диэлектрический газ вполне себе используется, но я о его существовании узнал только недавно. Возможно, он-то стоит и подороже.
          • +1
            У нас для подобных целей обычно элегаз (гексафторид серы) используют.

            Стоит где-то от 1000р за кг, но т.к. это газ то при обычном давлении 1кг это около 150 литров.
            Единственно что работать не очень удобно — прозрачный газ, глазами не видно. Разве что «налить с запасом», лишки через край пусть «вытекают».
        • 0
          Трансформаторное масло штука весьма грязная и агрессивная, экспериментаторы топившие в нем комп, не раз рапортовали о повреждении полимерных деталей. Не говоря уже о способности транс масла протекать в любые зазоры — из за чего при любой негерметичности заляпано вокруг будет все.

          А вот элегаз в аквариум налить вполне можно, он инертен, нетоксичен, и тяжелее воздуха.
          • 0

            Он не самый дешёвый. Быстрый поиск показал цену около 70'000 руб за стандартный баллон.


            Зато можно будет сверху пускать кораблики из фольги)

            • +1
              Ну так это 40л под высоким давлением, около 50 кг газа, при нормальных условиях это кубометры газа получаются — куда тут столько, на глазок объем «аквариума» 20-30 литров всего, для однократной «заправки» всего несколько сот грамм хватит.
              Надо просто 5 или максимум 10л баллон поискать или кого-нибудь кто даст «отлить».
              • 0

                За баллон в 5 литров будет 7000 рублей. Он от этого дешевле сам по себе не становится) Но конечно да, надо брать не 40-литровый баллон.

  • 0
    Лёша, я бы с радостью приехал к тебе на выставку, но… ты знаешь.
    Статья понравилась. Единственное, я бы хотел сказать, что как Arduino так и Stellaris Launchpad это не микроконтроллеры, а всё таки отладочные платы.
    • +1
      Ну я просто идею подал, посмотрим, насколько это интересно окажется. Я зайду на выставку в любом случае.

      Так я и написал, что платы Arduino и Stellaris. То, какие там стоят МК — общеизвестно, наверное :)
      • +1
        А, ты в этом плане. Скорее всего, простой АтМеги хватит для управления напряжением, можно даже сделать автономный регулятор анодного с кнопочками/энкодером. :-)
  • +1
    Читаю с удовольствием.
    А сколько стоит современный источник высокого напряжения подходящий для использования в электронном микроскопе?
    И сколько места занимает современный года так 2015 электронный микроскоп?
    • 0
      Сейчас есть настольные модели размером с крупный системный блок. Погуглите desktop sem
  • 0
    Насколько я понимаю можно из старого цветного телевизора из строчника и умножителя примерно подходящий по параметрам источник собрать. Там вроде около 25кВ, но думаю до 30 можно легко разогнать.
    • 0

      Ван проблем.
      Нужно отрицательное питание.
      Строчник от старых теликов идет с внешним умножиелем, и вмножитель собран так, что его не "перевернешь", т.е не получишь умноженное отрицательное.
      в более менее современных теликах стррчник и умножитель- одно целое. тоже не получится использовать(((

      • 0
        В описаниях ионизаторов воздуха иногда попадаются советы по переделке умножителя на отрицательное напряжение. Со сверлением или подпиливанием компаунда в определённом месте (промахнулся — испортил).
        Но тут вторая проблема — больше 1 мА с такого источника левое не снимать.
        • 0
          Опечатка: лучше не снимать.
        • 0
          Именно! Я когда-то пытался сделать чижика с высверленным умножителем. Но так и не получилось, уже не помню почему

          Вообще умножители народ сам мутит. Берет коробку пластиковую, внутрь пихает самоспаянный умножитель из высоковольтных диодов и керамических кондеров и заливает все это силиконом. Говорят держит норм.
    • 0
  • 0
    Судя по плате-простейшая плата контроля.
    Одно подключение должно идти к датчику вакуума.
    Сигнальные диоды с D3 до D6:
    -ваакумный контроль (vacuum interlock), должен обесточивасть систему при потере вакуума
    -Общая готовность системы
    -Система включена (нарпяжение подано)
    -Принудительная подача напряжения (скорее всего для тестов при атмосферном или повышенном давлении)
    По поводу детали черной, напоминает маленький Ignitron, без маркировки сбоку тяжело понять.
    • 0
      Этот маленький синий переключатель включает\выключает принудительный высоковольтный разряд.
    • 0
      Интересно, что значит «Zero start» в их терминологии, а также «KV on» (в сравнении с «HV override»). Т.е. высокое они называют HV, но что тогда значит KV — непонятно.
      • 0
        HV и есть высокое напряжение, High Voltage, KV может быть Katode Voltage? (Я знаю, да, что правильно Catode :-) )
    • 0
      Вот здесь я написал про чёрную детальку.
  • +1
    Многие не смогут присутствовать на встрече на выставке, т.к. все три дня — будни. Хотелось бы видеозапись, если это возможно.
    • 0
      Да, организаторы действительно неудобно сделали. Подавляющее большинство (более ста человек) ответили, что не могут. Видеозапись обязательно сделаем :)
      • 0

        Нет, организаторы-то правильно сделали, это не развлекательная, а профильная выставка — они все проводятся в будни по ряду причин.

  • 0
    На выставке буду 11 числа с 10 часов. Можем встретиться. назначьте место и время.
    • 0
      В 12 у входа (а после 12 — внутри, я там как-минимум несколько часов тоже буду), телеграм @Fireballrus, можно по нему держать связь, если потеряемся.
  • +1

    Думаю, интересен был бы чеклист в начале статей. Что сделано и что осталось сделать.

    • +1
      Общий план действий есть в начале самой первой статьи.
      Идея насчёт чеклиста интересная, попробую обдумать и реализовать в следующих статьях.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.