Електронний мікроскоп: епізод II

Продовжуємо публікацію блогу підприємця і конструктора-аматора Олексія Брагіна, який розповідає про свій досвід відновлення електронного мікроскопа, відправленого якимось НДІ на звалище. У минулій публікації Олексій розповів, як цей мікроскоп опинився у нього в гаражі, і навів ряд загальних відомостей про подібні пристрої. Сьогодні йтиметься про вакуум, без якого робота електронного мікроскопа в принципі неможлива.

Електронно-оптична колона

Як ви пам'ятаєте, до мене в гараж переїхала електронно-оптична колона мікроскопа. Це власне вакуумна камера, в якій розташовані наступні вузли:

• електронна гармата, що випускає електронний промінь;
• система електромагнітних лінз, фокусуючих, зрушуючих, розкручуючих і переміщуючих промінь;
• утримувач для зразка, з можливістю його переміщення і нахилу по різних осях;
• детектори випромінювання різної природи - електронів, рентгенівського, світлового діапазонів;
• порти для підключення додаткових пристроїв;
• система управління вакуумом.

Ось як, наприклад, виглядає електронна гармата (зі знятим циліндром Венельта):

А це керований предметний столик - він розташований всередині колони, тому доступ до нього здійснюється через спеціальний шлюз. Зовні його розташування можна дізнатися по обіллю ручок для переміщення і нахилу.

Розбірка, очищення, покраще. Перше, що захотілося зробити - це все ґрунтовно відмити і пофарбувати поржавілі деталі. Захисні кожухи зверху і збоку були зняті, під ними виявилося ще більше пилу, а сталь встигла місцями заіржавіти від дії вологи і повітря. Добре, що сама колона зроблена з нержавійки і так легко не окисляється. Власне вакуумна частина (під колоною) в процесі розбирання виглядала так:

Тепер знімаємо знизу всю вакуумну арматуру, залишки блоку управління вакуумом, дифузійний насос, зачищаємо і фарбуємо дно напівматовою чорною фарбою, щоб було красиво. Зверху знімаємо захисні кожухи, бачимо тридцятирічний пил, все моєм, шкурім і фарбуємо. Ось було/стало для порівняння:

Тепер, після того як зовнішній лиск наведений, саме час згадати дещо з теорії.

Що треба знати про вакуум

Вакуум - це цілий новий світ, де звичні матеріали поводяться зовсім по-іншому. Звичайна вода у вакуумі миттєво закипає і випаровується навіть при власній температурі близько нуля градусів Цельсія (одночасно роблячи вакуум не таким вже вакуумом). Загалом у вакуумі все пропускає і випаровується, навіть метали - це всього лише питання глибини вакууму і температури. Тільки уявіть, що звичайне гумове ущільнення при вакуумуванні починає пропускати значний обсяг газу, причому не десь через щілину, а через саму гуму. Або, наприклад, гнучкий шланг, крім того, що пропускає крізь себе повітря, ще й злегка випаровується сам. А внутрішня поверхня вакуумної камери накопичує газ у своїх шорсткостях, і тому її зазвичай полірують. Все це дуже незвично для розуміння. Під вакуумом працюють багато цікавих наукових приладів: мас-спектрометри, оже-спектрометри, напилювальні установки, прискорювачі елементарних частинок, лазери і, звичайно, різні види електронних мікроскопів. Поширені предмети домашнього побуту, в яких є високий вакуум, - це термос, електронно-променева трубка телевізора або монітора, різні види електронних ламп. Розгляньмо тепер, який буває вакуум і що треба знати, щоб можна було відновити працездатність мікроскопа. Його колона розрахована на високий вакуум близько 1^0-5 торр. У середовищі вакуумників прийнято позначати міліметри ртутного стовпа як торр, або використовувати одиниці виміру для тиску - Паскалі і мілібари. Особисто я звик до торрів. Як виміряти вакуум - насправді ще та задачка! Звичайний мембранний манометр-вакууметр покаже в кращому випадку від 750 до 1 торр, а різниця між 1 і 1^0-5 торр для нього неосяжна (різні джерела вказують на можливість вимірювання вакууму до 1^0-3 торр мембранними вакууметрами, однак на практиці я з такими не стикався). Чому ця різниця настільки важлива? Тому, що шкільна фізика перестає працювати при такому тиску. Спробуємо представити наочно вакуум різної глибини:1. Від атмосферного тиску до форвакууму (1^0-3 торр)

Довжина вільного пробігу молекул азоту при атмосферному тиску становить близько 70 нанометрів = 7 * 10^-8 метра, а приблизний розмір молекули азоту дорівнює 10^-10 метра. Проте, незважаючи на те, що молекули азоту в замкненій камері, в якій ми знижуємо тиск, пролітають порівняно довгий шлях, закон Паскаля продовжує працювати і тиск у будь-якій точці газу залишається однаковим.

Для досягнення цього рівня вакууму застосовують.

2. Високий вакуум (10^-5 торр) Тут починається найцікавіше: радикально змінюється фізична природа знаходиться всередині вакуумної камери газу (а газ там буде завжди, абсолютний вакуум недосяжний, див. вище про випаровування всього і вся). При досягненні такого тиску закон Паскаля перестає працювати. Характерна риса високого вакууму - в ньому молекули газу починають більше вдарятися об стінки камери, ніж стикатися між собою.

Для досягнення цього рівня вакууму застосовують.

3. Надвисокий вакуум (10^-9 торр і нижче) У цьому випадку кількість газу, що проходить крізь гумові ущільнення, відіграє настільки істотну роль, що доводиться переходити на спеціальні фланці з мідним ущільненням. Для досягнення цього рівня вакууму застосовують спеціальні. Вони не відкачують газ в атмосферу, а поглинають його (переводять з газоподібної фази в тверду хімічним шляхом). Це один з найскладніших рівнів, і, на щастя, в більшості старих мікроскопів отримувати такий рівень вакууму не потрібно. У нових і передових приладах такий рівень вакууму потрібно підтримувати для роботи катодів з польовою емісій.4. Космічний вакуумКосмічний вакуум залежить від місця розташування. На орбіті супутників (300 кілометрів від поверхні Землі) тиск відповідає надвисокому вакууму. Для порівняння, в міжзоряному просторі вакуум становить 10^-17 торр. Але справа в тому, що навіть у цьому просторі все-таки зустрічаються рідкісні атоми водню, багато фотонів та інших частинок. Ідеального вакууму немає навіть там.

На цьому сьогодні достатньо, а наступного разу ми поговоримо про те, як вакуум вимірюють і як його створюють.