Resistori ad alta tensione per la precisione della microscopia elettronica

Resistori ad alta tensione per microscopia elettronica: la catena di precisione

Astratto

Un microscopio elettronico crea immagini a livello atomico accelerando gli elettroni a energie comprese tra 20 e 300 keV e direzionandoli con lenti elettromagnetiche di precisione. Ciascuno di questi sistemi – la tensione di accelerazione, l'alimentazione delle lenti, la polarizzazione del rivelatore – viene impostato o rilevato tramite una rete di resistori ad alta tensione, e il potere risolutivo del microscopio è limitato dalla stabilità di tali resistori. Un divisore di tensione con una deriva di 100 ppm sposta la tensione di accelerazione, altera la messa a fuoco e sfoca l'immagine; un elemento di dispersione che si riscalda in modo non uniforme distorce il campo. Questo articolo quantifica come il rapporto del divisore di tensione, il coefficiente di temperatura della resistenza (TCR), il coefficiente di tensione e la deriva a lungo termine si traducano in qualità dell'immagine, descrive le modalità di guasto che si verificano durante la manutenzione dello strumento e mostra come vengono specificati i resistori a film spesso ad alta tensione (HVC) affinché un microscopio rimanga calibrato tra le visite di manutenzione annuali.

1. Contesto applicativo: il fascio di elettroni obbedisce al resistore

Un microscopio elettronico genera, controlla e manipola con precisione un fascio di elettroni. Il cannone elettronico produce elettroni e li accelera attraverso un potenziale di 20-300 kV – la tensione di accelerazione – che determina la lunghezza d'onda degli elettroni e quindi il limite di risoluzione. Le lenti del condensatore e dell'obiettivo focalizzano il fascio con campi magnetici le cui correnti sono regolate rispetto a riferimenti ad alta tensione, e la catena di rivelazione è polarizzata a livelli di kilovolt per raccogliere gli elettroni secondari. In ognuno di questi percorsi è presente una rete di resistori: la tensione del cannone elettronico viene divisa per il feedback, i riferimenti delle lenti sono derivati ​​da divisori stabili e la polarizzazione del rivelatore proviene da un alimentatore ad alta tensione la cui uscita viene rilevata tramite un partitore.

Ecco il punto chiave: un divisore di tensione è un dispositivo di rapporto. Ciò che conta è che R_1 e R_2 seguano l'andamento reciproco al variare della temperatura, della tensione e del tempo. Una coppia di resistori che si discostano entrambi dello 0.1% nella stessa direzione mantiene il rapporto – e l'immagine – invariato.

2. Requisiti tecnici

2.1 Accelerazione della stabilità di tensione. La tensione del cannone elettronico deve rimanere stabile entro poche decine di ppm per tutta la durata dell'esposizione, perché una fluttuazione modifica la lunghezza d'onda degli elettroni e sfoca l'immagine:

Un alimentatore da 200 kV il cui partitore presenta una deriva di 50 ppm sposta l'energia del fascio di 10 eV, una quantità sufficiente a spostare il fuoco e a degradare la risoluzione ad alto ingrandimento. Le resistenze del partitore rappresentano l'anello debole di questa catena, a meno che il loro coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) e il coefficiente di tensione non siano controllati con precisione.

2.2 TCR e tracciamento termico. Gli strumenti si riscaldano nel corso di un'ora di funzionamento e i componenti del divisorio raggiungono temperature diverse:

Due resistori con lo stesso TCR ±50 ppm/°C si allineano tra loro e l'errore di rapporto si annulla. I componenti con TCR non corrispondenti spostano il divisore – e la calibrazione del microscopio – ogni volta che cambia la temperatura ambiente.

2.3 Coefficiente di tensione a livelli di kilovolt. I resistori a film spesso presentano una piccola variazione di resistenza con la tensione applicata; a 50 kV l'effetto non è trascurabile:

I buoni materiali a film spesso mantengono il coefficiente di tensione al di sotto di una ppm per volt. Il progettista del divisore deve utilizzare elementi a basso VCR o compensare, poiché la tensione di accelerazione muove proprio la grandezza misurata.

2.4 Deriva e invecchiamento a lungo termine. Tra una visita di manutenzione annuale e l'altra, il divisorio non deve discostarsi dalle specifiche:

Gli elementi a film spesso ricoperti di vetro rappresentano la soluzione standard: lo smalto protettivo stabilizza il film resistivo contro l'umidità e l'ossidazione, mantenendo la deriva a un livello tollerabile dallo strumento per un anno intero.

Figura 1 — La catena del divisore del cannone e la struttura a strati spessi che le conferisce stabilità. Il rapporto del divisore, non il valore assoluto, determina la tensione di accelerazione.

3. Punti critici riscontrati dagli ingegneri (feedback dal campo)

4. Parametri di selezione

Guida alla selezione. Partite dal budget di stabilità: dividete la stabilità richiesta della tensione di accelerazione per il rapporto del divisore per trovare l'errore di rapporto ammissibile, quindi scegliete gli elementi i cui TCR, VCR e invecchiamento rimangono entro tale budget per l'intero intervallo di servizio. Specificate coppie di TCR abbinate per il divisore, una sovravetratura in vetro per la protezione dall'umidità e dall'ossidazione e una tensione nominale con margine: un elemento divisore a 50 kV dovrebbe essere un componente da 60-75 kV, non un componente da 50 kV al suo limite. Per le applicazioni di scarico e dissipazione, dove la potenza è più importante del rapporto, il modello a tubo è lo strumento giusto.

5. Soluzione HVC

6. Caso prima/dopo

Discussione del caso. Un produttore di strumenti analitici ha riscontrato tre problemi ricorrenti: messa a fuoco sfocata durante il riscaldamento, mancata calibrazione settimane dopo l'utilizzo e danni da arco elettrico in un nodo di polarizzazione del rivelatore a 50 kV. Il filo conduttore era la rete di resistori. I componenti standard a film spesso presentavano valori di TCR non corrispondenti, una pellicola non vetrata che invecchiava sotto carico e coefficienti di tensione che spostavano il nodo a 50 kV di 90 ppm. Ricostruendo la catena con coppie di divisori HVR con TCR corrispondente, elementi vetrati e corpi con margine di sicurezza, la deriva del rapporto di riscaldamento è stata ridotta da 180 ppm a meno di 10 ppm, la calibrazione è stata mantenuta per un anno intero e le chiamate di assistenza per danni da arco elettrico sono state eliminate. I resistori sono costati pochi dollari in più per strumento e hanno eliminato tre classi di guasti sul campo.

7. Punti di progettazione

• Specificare il divisore in base alla stabilità del rapporto, non solo in base alla tolleranza assoluta.
• La temperatura di Cumulare (TCR) attraverso la rete di divisori deve variare entro pochi ppm/°C l'una dall'altra.
• Bisogna tenere conto del coefficiente di tensione alla tensione di esercizio effettiva: a 50 kV non è zero.
• Per il funzionamento degli strumenti, sono richiesti dati relativi alla sovravetratura e alla deriva del vetro ≤ 0.1%/1000 h.
• La tensione nominale dell'elemento divisore deve essere superiore alla tensione di esercizio; la concentrazione del campo elettrico danneggia i componenti con una tensione nominale inferiore.
• Utilizzare resistori a tubo per le funzioni di scarica e dissipazione quando la potenza, e non il rapporto di trasformazione, è il fattore dominante.
• Durante il collaudo, riverificare il rapporto del divisore alla temperatura e alla tensione di esercizio.

8. Riferimenti

1. L. Reimer, Microscopia elettronica a trasmissione: fisica della formazione dell'immagine e microanalisi, 5ª ed. Berlino, Germania: Springer, 2008.
2. DB Williams e CB Carter, Microscopia elettronica a trasmissione: un manuale per la scienza dei materiali, 2a ed. New York, New York, Stati Uniti: Springer, 2009.
3. IEC 60115-1:2014, Resistori fissi per l'uso in apparecchiature elettroniche — Parte 1: Specifiche generaliGinevra, Svizzera: IEC.
4. Caddock Electronics, Resistori ad alta tensione di tipo MG / tipo TG — Nota applicativaRiverside, California, USA: Caddock.
5. Vishay Intertechnology, Resistori di precisione ad alta tensione — Manuale tecnicoMalvern, Pennsylvania, USA: Vishay.
6. 清华大学《电子显微分析》(Analisi al microscopio elettronico) 编写组. 北京: 清华大学出版社, 2006. (in cinese)

Pagine relative ai prodotti HVC: condensatori a disco ceramico ad alta tensione · condensatori ad alta tensione per maniglie delle porte.