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%Да, 11 апреля8
    • 3%Да, 12 апреля6
    • 22%Нет, спасибо, статей и видео достаточно44
    • 71%Да, но нет возможности приехать139

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

    Метки:
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    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 полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.