Ми починаємо публікувати блог підприємця, фахівця в галузі інформаційних технологій і за сумісництвом конструктора-любителя Олексія Брагіна, в якому розповідається про незвичайний досвід - ось уже рік як автор блогу зайнятий відновленням складного наукового обладнання - скануючого електронного мікроскопа - практично в домашніх умовах. Читайте про те, з якими інженерно-технічними та науковими завданнями довелося зіткнутися Олексію і як він з ними впорався.
Подзвонив мені якось друг і каже: знайшов цікаву штуку, треба привезти до тебе, правда, важить півтонни. Так у мене в гаражі з'явилася колона від скануючого електронного мікроскопа JEOL JSM-50A. Її давно списали з якогось НДІ і вивезли в металобрухт. Електроніку втратили, а ось електронно-оптичну колону разом з вакуумною частиною вдалося врятувати.
Раз основна частина обладнання збереглася, виникло питання: чи не можна врятувати мікроскоп цілком, тобто відновити і привести його в робочий стан? Причому прямо в гаражі, власними руками, за допомогою лише базових інженерно-технічних знань і підручних засобів? Правда, раніше я ніколи не мав справи з подібним науковим обладнанням, не кажучи вже про те, щоб вміти ним користуватися, і не уявляв, як воно працює. Але цікаво ж не просто запустити стару залізяку в робочий стан - цікаво в усьому самостійно розібратися і перевірити, чи можливо, використовуючи науковий метод, освоїти абсолютно нові області. Так я почав відновлювати електронний мікроскоп у гаражі.
У цьому блозі я буду розповідати вам про те, що мені вже вдалося зробити і що ще належить. Попутно я познайомлю вас з принципами функціонування електронних мікроскопів та їх основних вузлів, а також розповім про безліч технічних перешкод, які довелося подолати по ходу роботи. Отже, приступимо.
Щоб відновити мікроскоп, який опинився у мене, хоча б до стану «малюємо електронним променем на люмінесцентному екрані», необхідно було наступне:
зрозуміти основи роботи електронних мікроскопів;
розібратися в тому, що таке вакуум і який він буває;
як вимірюють вакуум і як його отримують;
як працюють високовакуумні насоси;
мінімально розібратися в прикладній хімії (які розчинники використовувати для очищення вакуумної камери, яку олію використовувати для змащення вакуумних деталей);
освоїти металообробку (токарні та фрезерні роботи) для виготовлення всіляких перехідників та інструментів;
розібратися з мікроконтролерами і схемотехнікою їх підключення.
Почнемо по порядку. Сьогодні я розповім про принципи роботи електронних мікроскопів. Вони бувають двох типів:
просвічуючий - TEM, або ПЕМ;
скануючий - SEM, або РЕМ (від «растровий»).
Просвічуючий електронний мікроскоп
ПЕМ дуже схожий на звичайний оптичний мікроскоп, тільки досліджуваний зразок опромінюється не світлом (фотонами), а електронами. Довжина хвилі електронного променя набагато менша, ніж фотонного, тому можна отримати істотно більшу роздільну здатність. Фокусування електронного променя та управління ним здійснюються за допомогою електромагнітних або електростатичних лінз. Їм навіть притаманні ті самі спотворення (хроматичні аберації), що й оптичним лінзам, хоча природа фізичної взаємодії тут зовсім інша. Вона, до речі, додає ще й нових спотворень (викликаних закручуванням електронів у лінзі вздовж осі електронного пучка, чого не відбувається з фотонами в оптичному мікроскопі). У ПЕМ є недоліки: досліджувані зразки повинні бути дуже тонкі, тонші 1 мікрону, що не завжди зручно, особливо при роботі в домашніх умовах. Наприклад, щоб подивитися своє волосся на просвіт, його необхідно розрізати вздовж хоча б на 50 шарів. Це пов'язано з тим, що проникаюча здатність електронного променя набагато гірше фотонного. До того ж ПЕМ, за рідкісним винятком, досить громіздки. Ось цей апарат, зображений нижче, начебто і не такий великий (хоча він вище людського зросту і має цільну чавунну станину), але до нього ще додається блок живлення розміром з велику шафу - разом необхідна майже ціла кімната.
Зате дозвіл у ПЕМ - найвищий. З його допомогою (якщо сильно постаратися) можна побачити окремі атоми речовини.
Такий дозвіл буває особливо корисним для ідентифікації збудника вірусного захворювання. Вся вірусна аналітика ХХ століття була побудована на базі ПЕМ, і тільки з появою більш дешевих методів діагностики популярних вірусів (наприклад, полімеразної ланцюгової реакції, або ПЛР) рутинне використання ПЕМів для цієї мети припинилося. Наприклад, ось як виглядає грип H1N1 «на просвіт»:
Скануючий електронний мікроскоп
SEM застосовується в основному для дослідження поверхні зразків з дуже високою роздільною здатністю (збільшення в мільйон крат, проти 2 тисяч у оптичних мікроскопів). А це вже набагато корисніше в домашньому господарстві:Наприклад, так виглядає окрема щетинка нової зубної щітки:
У скануючому мікроскопі вузько сфокусований електронний промінь «сканує» поверхню зразка точка за точкою, а всілякі датчики вловлюють те, що вилітає зі зразка після бомбардування електронами.
Зокрема, вилітати можуть:
електрони з різними енергіями;
оптичне випромінювання видимого, інфрачервоного, ультрафіолетового діапазонів;
рентгенівське випромінювання;
невідоме щось.
Принцип роботи скануючого електронного мікроскопа трохи схожий на роботу електронно-променевої трубки телевізора (в якій є і глибокий вакуум, і електронна гармата, і система фокусуючих і відхиляючих лінз). Ось, до речі, як він працює при зйомці 1000 кадрів в секунду:
Те ж саме має відбуватися і в електронно-оптичній колоні мікроскопа, тільки тут опромінюється зразок, а не люмінофор екрану, і зображення формується на основі інформації з датчиків, що фіксують вторинні електрони, упруго-відображені електрони та інше. Про електронний мікроскопе саме цього типу і піде мова в цьому блозі. І кінескоп телевізора, і електронно-оптична колона мікроскопа працюють тільки під вакуумом. Але про це я розповім детально в наступному випуску.