Plasma-Zündquelle für Mikroskop

Kürzlich haben wir von einem der weltweit führenden Hersteller professioneller Mikroskopiesysteme einen Entwicklungsauftrag erhalten, über den wir uns besonders gefreut haben. Der Kunde hat uns damit beauftragt, eine Plasma-Zündquelle zu entwickeln und zu fertigen. Gefordert wird eine AC-Hochspannungsquelle mit einer Leerlaufspannung von 500V RMS.

Die Quelle soll künftig als kompaktes, tragbares Gerät bei Wartungs- und Service-Einsätzen die Zündspannung für ein FIB-Modul (Focused Ion Beam – fokussierter Ionenstrahl) generieren. Solche FIB-Einheiten werden z. B. ergänzend in Rasterelektronenmikroskopen des Kunden verbaut, um vor der eigentlichen Mikroskopie der Probe eine Vorbehandlung der Probenoberfläche durchführen zu können. Mit dem hier eingesetzten FIB kann bspw. die Probenoberfläche gereinigt werden. Mit speziellen FIBs ist auch eine Bearbeitung der Proben im µm- oder gar nm-Maßstab möglich („micromachining“)! So können zum Beispiel ganz gezielt Querschnitte der Proben erzeugt oder einzelne Schichten in der Tiefe freigelegt werden. Hightech pur!

Für die Service-Einsätze möchte der Kunde eine einfache LED-Anzeige haben, die leuchtet, wenn das Plasma in der FIB-Einheit gezündet hat. Außerdem soll das netzbetriebene Gerät einen mechanischen Spannungsumschalter 115V AC  |  230V AC bekommen, um es auch im Ausland bei anderen Netzspannungen betreiben zu können.

Wir entschieden uns dazu, zunächst einen Prototyp anzufertigen, mit diesem das Konzept zu erproben und wertvolle Erkenntnisse zu sammeln. Schließlich müssen wir für das Seriengerät eine clevere Auswerteschaltung für die sichere Erkennung des gezündeten Plasmas austüfteln. Bis dato wussten wir aber noch nicht, welche Werte die Prozessgrößen Strom und Spannung annehmen, wenn das Plasma zündet bzw. erlischt.

Den Prototyp haben wir bewusst geräumig gestaltet, um ohne Fummelei vor Ort beim Kunden rasch Messungen und Änderungen vornehmen zu können. Wir haben ihn auf die Schnelle in ein Gehäuse gepackt, das wir eben „rumliegen“ hatten. So fiel die Wahl auf den Einbau der Komponenten in einen 19“ Baugruppenträger mit 3HE. Den Baugruppenträger wiederum haben wir in ein passendes schwarzes 19“ Rackgehäuse eingebaut und dem Ganzen noch eine schicke schwarz eloxierte Aluminium-Frontplatte spendiert. Für einen Erprobungsträger echt hübsch, nicht wahr?

Intern haben wir alles sauber und übersichtlich verdrahtet. Das Auge isst schließlich mit 😉 Und es hilft ungemein bei Messungen und schnellen Anpassungen.

Für den Prototyp haben wir den AC-Ausgang mittels Tastern und einem Schütz separat schaltbar gemacht. Im Inneren des Gerätes werkelt ein kundenspezifisch gewickelter Einphasentransformator, der auf 35 VA Scheinleistung ausgelegt ist. Er besitzt eine zweigeteilte Primärwicklung, um die Netzspannungsumschaltung zu ermöglichen.
Die Zielanwendung in der FIB-Einheit setzt voraus, dass der Wechselstrom bei gezündetem Plasma auf einen bestimmten Wert begrenzt wird und die Spannung gegenüber der Leerlaufzündspannung entsprechend einbricht. Für diesen Zweck haben wir bedrahtete Leistungswiderstände mit axialem Alu-Gehäuse als Vorwiderstände vorgesehen und so angeschlossen, dass wir beim Kunden rasch unterschiedliche Konstellationen ausprobieren können. Des Weiteren haben wir in den Hochspannungspfad eine Strommessung mit Digitalanzeige integriert, die uns Aufschluss über den mittleren Strom bei den verschiedenen Betriebszuständen der FIB-Einheit liefern soll.

Last but not least heißt es gehörig aufpassen – am unbelasteten Ausgang liegen schließlich mehr als 700V Scheitelspannung an! Wir haben bewusst isolierte Sicherheitslaborbuchsen für den AC-Ausgang verbaut, die absolut berührungssicher sind.  

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