Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение / forpes.ru

Главная
Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение

Электронный микроскоп в гараже. Высокое напряжение +56

03.04.2017 22:44

reactos 44 13900 Источник

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,

$inline$ 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

$inline$ 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.

Поделиться с друзьями

-->

Комментарии (44)

unxed
04.04.2017 04:28
#9982582
+13
Возможно, это не самый информативный комментарий на geektimes, но

Алексей, то, что вы делаете, просто невероятно круто.

Zulus-Imba
04.04.2017 07:40
#9982624
+8
Думаю, это самая впечатляющая самоделка, которую приходилось мне видеть!

DanilinS
04.04.2017 08:26
#9982672
+3
Сделайте белее качественные фото платы с 2-х сторон и я Вам разрисую схему платы. И вместе разберемся с её работой.
1. VT100
  04.04.2017 22:56
  #9984288
  +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.
  1. DanilinS
    05.04.2017 10:39
    #9984880
    Черный боченок — герконовое реле? Трансформатор? Датчик тока?
    Естественно автору крайне желательно фото маркировки этого элемена.
    
    reactos
    05.04.2017 13:19
    #9985302
    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.
    
    DanilinS
    05.04.2017 14:07
    #9985490
    Да. Скорее всего контроль тока накала.
1. reactos
  05.04.2017 13:33
  #9985368
  Спасибо, вот ссылки на фотки выше, но в более высоком разрешении:
  Вид сверху
  Вид снизу
  1. VT100
    07.04.2017 12:42
    #9990398
    1. Что написано сбоку (фото) на:
    
    чёрном бочонке
    
    Q1
    
    красном диске
    
    реле K1 и K2
    
    2. Прозвоните дорожки, отмеченные красным. Правильно я их прокладываю?
    
    reactos
    08.04.2017 01:40
    #9992626
    Фото (кликабельно)
    
    Тороид:
    
    Транзистор:
    
    Реле:
    
    Красный диск, забыл его сфотографировать — попозже пришлю.
    
    VT100
    08.04.2017 15:04
    #9993214
    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.
    
    reactos
    08.04.2017 15:15
    #9993224
    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)

artoym
04.04.2017 09:11
#9982704
+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. reactos
  04.04.2017 12:05
  #9983008
  +1
  Да, у меня в прошлом году Аналитика Экспо вызвала такой же интерес, как и ВакуумТехЭкспо. Много всего там было.

alexhott
04.04.2017 10:44
#9982842
+1
А аквариум ничем не заливается? Просто сам по себе изолятор?
1. reactos
  04.04.2017 12:04
  #9983004
  +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. menotal
    04.04.2017 14:32
    #9983350
    +1
    Можно положить на дно немного силикагеля, для осушения воздуха.
  1. Leerooooy
    05.04.2017 08:50
    #9984702
    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.
    
    reactos
    05.04.2017 13:26
    #9985334
    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.
    
    lebaon
    05.04.2017 22:38
    #9986548
    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.
    
    artoym
    06.04.2017 09:09
    #9987166
    Он не самый дешёвый. Быстрый поиск показал цену около 70'000 руб за стандартный баллон.
    
    Зато можно будет сверху пускать кораблики из фольги)

IvUyr
04.04.2017 11:49
#9982984
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. reactos
  04.04.2017 12:06
  #9983016
  +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. IvUyr
    04.04.2017 12:20
    #9983038
    +1
    А, ты в этом плане. Скорее всего, простой АтМеги хватит для управления напряжением, можно даже сделать автономный регулятор анодного с кнопочками/энкодером. :-)

Arxitektor
04.04.2017 16:13
#9983588
+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?
1. koreec
  05.04.2017 07:11
  #9984634
  Сейчас есть настольные модели размером с крупный системный блок. Погуглите desktop sem

alexhott
04.04.2017 20:11
#9984092
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.
1. sanchosd
  04.04.2017 22:36
  #9984254
  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(((
  1. tormozedison
    05.04.2017 06:55
    #9984620
    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.
    
    tormozedison
    05.04.2017 07:00
    #9984624
    Опечатка: лучше не снимать.
    
    sanchosd
    05.04.2017 11:39
    #9985046
    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.
1. reactos
  05.04.2017 18:31
  #9986130
  Ещё катушки зажигания есть :)

Nubus
05.04.2017 03:11
#9984554
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.
1. Nubus
  05.04.2017 03:16
  #9984556
  Этот маленький синий переключатель включает\выключает принудительный высоковольтный разряд.
1. reactos
  05.04.2017 13:22
  #9985308
  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.
  1. IvUyr
    10.04.2017 12:02
    #9995746
    HV и есть высокое напряжение, High Voltage, KV может быть Katode Voltage? (Я знаю, да, что правильно Catode :-) )
1. reactos
  05.04.2017 13:28
  #9985344
  Вот здесь я написал про чёрную детальку.

tormozedison
05.04.2017 07:08
#9984630
+1
Многие не смогут присутствовать на встрече на выставке, т.к. все три дня — будни. Хотелось бы видеозапись, если это возможно.
1. reactos
  05.04.2017 13:20
  #9985304
  Да, организаторы действительно неудобно сделали. Подавляющее большинство (более ста человек) ответили, что не могут. Видеозапись обязательно сделаем :)
  1. artoym
    05.04.2017 13:55
    #9985450
    Нет, организаторы-то правильно сделали, это не развлекательная, а профильная выставка — они все проводятся в будни по ряду причин.

grafinventor
07.04.2017 16:06
#9991112
На выставке буду 11 числа с 10 часов. Можем встретиться. назначьте место и время.
1. reactos
  08.04.2017 01:41
  #9992628
  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.

mark_ablov
08.04.2017 21:41
#9993608
+1
Думаю, интересен был бы чеклист в начале статей. Что сделано и что осталось сделать.
1. reactos
  10.04.2017 01:07
  #9995162
  +1
  Общий план действий есть в начале самой первой статьи.
  Идея насчёт чеклиста интересная, попробую обдумать и реализовать в следующих статьях.