Το ηλεκτρονικό μου μικροσκόπιο σάρωσης - 💡 Fix My Ideas

Το ηλεκτρονικό μου μικροσκόπιο σάρωσης

Το ηλεκτρονικό μου μικροσκόπιο σάρωσης


Συγγραφέας: Ethan Holmes, 2019

Αποφάσισα να σχεδιάσω και να κατασκευάσω ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) στο εργαστήριο του σπιτιού μου για να δούμε αν ήταν ακόμη δυνατό. Ειδοποίηση Spoiler: είναι. Δεν είχα αρχικά την πρόθεση να δημιουργήσω ένα SEM που θα μπορούσε να συγκριθεί με ένα εμπορικό μοντέλο εισόδου σε επίπεδο 75.000 δολαρίων, αλλά το έργο αποδείχθηκε πιο επιτυχημένο από όσο περίμενα. Παράγει σαφείς και ακριβείς εικόνες και μετά από κάποιες βελτιώσεις στις οποίες εργάζομαι επί του παρόντος, μπορεί να είναι πρακτικό για τους χομπίστες να κατασκευάσουν ένα SEM κατάλληλο για επιστημονική έρευνα κάτω από $ 2.000.

Πώς λειτουργούν SEMs

Τα συνηθισμένα οπτικά μικροσκόπια φωτίζουν ορατό φως πάνω ή μέσα από ένα δείγμα και χρησιμοποιούν φακούς για να δημιουργήσουν μια μεγεθυμένη εικόνα. Αυτό λειτουργεί καλά για πολλές εφαρμογές, αλλά το φως μπορεί να επιλύσει μόνο χαρακτηριστικά μεγαλύτερα από περίπου 200 νανόμετρα για ορατό φως. Αυτό είναι μικρό, αλλά όχι αρκετά μικρό για να εξετάσουμε πολλές ενδιαφέρουσες βιολογικές και υλικές δομές. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το φως με μικρότερο μήκος κύματος (δηλαδή υπεριώδες φως) για να αποκτήσετε ελαφρώς καλύτερη ανάλυση, αλλά αυτό προσθέτει πολλά έξοδα και δυσκολίες μόνο για βαθμιαία βελτίωση.

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, αντίθετα, προσφέρουν τεράστια βελτίωση στην ανάλυση. Όπως και τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια έχουν ιδιότητες σωματιδίων και κυμάτων, αλλά το μήκος κύματος ενός ταχέως κινούμενου ηλεκτρονίου είναι σημαντικά μικρότερο από το μήκος του ορατού φωτός.

Το SEM σαρώνει μια μικροσκοπική δέσμη ηλεκτρονίων σε ένα δείγμα, ακολουθώντας ένα σχέδιο ράστερ, και μετρά την ποσότητα ηλεκτρονίων που αναπηδούν από κάθε σημείο και σε έναν κοντινό ανιχνευτή. Για παράδειγμα, εάν η δέσμη πλήξει μια οπή στο δείγμα, τα ηλεκτρόνια ενδέχεται να παγιδευτούν και δεν θα φτάσουν στον ανιχνευτή, αλλά αν η δέσμη χτυπήσει μια προεξοχή στην επιφάνεια, πολλά ηλεκτρόνια θα φτάσουν στον ανιχνευτή, αφού η προεξοχή παρέχει περισσότερη επιφάνεια από τις επίπεδες περιοχές.

Με αυτόν τον τρόπο, το SEM συγκεντρώνει το εικονοστοιχείο εικόνας του κατά pixel και η μέγιστη ανάλυση της συσκευής καθορίζεται από τα δύο χαρακτηριστικά της δέσμης ηλεκτρονίων: το μέγεθος του σημείου και το ρυθμό σάρωσης. Ένα μικρότερο μέγεθος σημείου θα επιλύσει περισσότερες λεπτομέρειες και η αργότερη σάρωση βελτιώνει την ανάλυση αυξάνοντας την αναλογία σήματος προς θόρυβο σε κάθε σημείο. Για να μην απορροφηθούν τα ηλεκτρόνια, το δείγμα πρέπει να είναι αγώγιμο ή να επικαλυφθεί με λεπτό στρώμα μετάλλου.

Αυτή η μέθοδος σάς επιτρέπει να απεικονίσετε αντικείμενα 3D σε ένα ευρύ φάσμα μεγεθύνσεων χωρίς να τα κόψετε σε κομμάτια και οι εικόνες που δημιουργούν μοιάζουν με ασπρόμαυρες φωτογραφίες με μεγάλο βάθος πεδίου. Αυτές οι ελκυστικές ιδιότητες εικόνας καθιστούν τα SEMs πολύ συνηθισμένα για τη μελέτη μικρών αντικειμένων 3D και επηρέασαν την επιλογή μου για την κατασκευή αυτού του τύπου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.

Δημιουργήστε ένα κενό

Μια πρόκληση των SEMs είναι ότι η δέσμη ηλεκτρονίων και το δοκίμιο πρέπει να χειρίζονται μέσα σε ένα κενό. Εάν η δέσμη ηλεκτρονίων πυροδοτούσε τον αέρα, τα ηλεκτρόνια θα έπλητταν μόρια αερίου και θα διασκορπίζονταν, θα θολούσαν και θα καταστρέφονταν οποιαδήποτε εικόνα. Για να περάσουν τα ηλεκτρόνια απρόσκοπτα από την πηγή σε δείγμα και από δείγμα σε ανιχνευτή, χρειάζεστε ένα κενό περίπου ένα εκατομμύριο φορές χαμηλότερο από την ατμοσφαιρική πίεση ή το 0,00076 torr, όπου ένας torr είναι η μονάδα πίεσης που απαιτείται για να υποστηρίξει μια στήλη υδραργύρου 1 mm υψηλή . Η ατμοσφαιρική πίεση είναι περίπου 760 torr σε επίπεδο θάλασσας.

Μπορείτε να φτάσετε σε αυτές τις χαμηλές πιέσεις με λίγους διαφορετικούς τρόπους, αλλά το αγαπημένο μου (το λιγότερο ακριβό) είναι συνδυάζοντας μια μηχανική περιστροφική αντλία και μια αντλία διάχυσης, υδραυλικά σε σειρά. Η μηχανική αντλία μειώνει την πίεση κατά περίπου 4 παραγγελίες δεκαδικού μεγέθους και η αντλία διάχυσης καταλαμβάνει μια άλλη 2. Για την περιστροφική αντλία εγκαταστάθηκα σε μια αντλία κλιματιστικού $ 150 από το λιμενικό φορτίο και για την αντλία διάχυσης αγόρασα αέρα -ψυγμένο 3 "Varian αντλία σε eBay για περίπου $ 200.

Οι αντλίες διάχυσης λειτουργούν με τη δημιουργία πίδακες υψηλής ταχύτητας από ατμούς θερμού πετρελαίου που εκπέμπουν μόρια αέρα έξω από το θάλαμο κενού. Μέσα στην αντλία, ένα ηλεκτρικό στοιχείο θερμαίνει το λάδι σιλικόνης σε ατμούς. Αφού τα σταγονίδια φτάσουν στον αέρα, οι ψυχτικοί τοίχοι της αντλίας τους συμπυκνώνουν πίσω στο υγρό, το οποίο στάζει προς τα κάτω για να βράσει ξανά.

Συνδέσαμε την περιστροφική αντλία στην αντλία διάχυσης με ράβδο ενισχυμένο με ¾ "-ID από την McMaster-Carr, όπου πήρα το μεγαλύτερο μέρος του υλικού και της πρώτης ύλης (Σχήματα Α και Β). Η ενίσχυση του σύρματος εμποδίζει την κατάρρευση του σωλήνα υπό κενό. Συμπεριλάμβανα επίσης ένα μπλουζάκι ανάμεσα στις 2 αντλίες και πρόσθεσα ένα ψηφιακό μετρητή κενού που αγόρασα στο eBay για περίπου $ 100. Ο μετρητής διαβάζει από 0,001 έως 12 torr και κατασκευάστηκε για τεχνικούς ψύξης για χρήση με αντλία κενού.

Δεν είχα ένα εμπορικό θάλαμο κενού και ήθελα να λειτουργήσει το μικροσκόπιο μέσα σε ένα διαφανές περίβλημα, αφού ο κύριος σκοπός του θα ήταν επίδειξη. Έτσι χρησιμοποίησα ένα γυάλινο κουδούνι που βρήκα στο eBay πριν από λίγο καιρό. Το πάχος γυαλιού έδειξε ότι το βάζο κατασκευάστηκε για χρήση σε κενό, και όχι μόνο για διακόσμηση ή προστασία από σκόνη. Για μια βάση, χρησιμοποίησα πλάκα αλουμινίου 1 ". Κόλλησα μια οπή στην πλάκα για να ταιριάζει στην αντλία διάχυσης και επεξεργάστηκα ένα υδρόψυκτο διάφραγμα για να μεταβείτε ανάμεσα στην αντλία και την πλάκα (Σχήμα Γ).

Το διάφραγμα εμποδίζει το λάδι της αντλίας διάχυσης να μεταναστεύει στο βάζο κουδουνιών. Το βρασμένο λάδι παίρνει βρώμικο, και να πάρει ακόμη και μικρές ποσότητες πετρελαίου στα ευαίσθητα μέρη ενός SEM θα προκαλέσει πολλά προβλήματα. Τα μόρια του αέρα μπορούν να περάσουν από το ελικοειδές μονοπάτι του διαφράγματος, αλλά μόρια καυτού ελαίου συμπυκνώνονται στις υδατοψυγμένες επιφάνειες και στάζουν πίσω.

Έκοψα μια άλλη τρύπα στην πλάκα βάσης αλουμινίου και πρόσθεσα ένα πρόσθετο μετρητή κενού που ονομάζεται Penning gauge, επίσης αγόρασε στο eBay για περίπου $ 250.Αυτή η συσκευή μετρά κενό από 0,001 έως 10-8 torr, και θα δείχνει πότε η αντλία διάχυσης έχει πάρει την πίεση του θαλάμου προς το εύρος που είναι απαραίτητο για τη λειτουργία SEM.

Την πρώτη φορά που αντλήσα το βάζο, άρχισα την περιστροφική αντλία, έφυγα από το γκαράζ και έκλεισα την πόρτα πίσω μου. Αν το βάζο κατέρρευσε, θα ήμουν αρκετά μακριά για να ξεφύγω από τα συντρίμμια. Αλλά κάτω από μια πίεση 0,01 torr, οι μεταβολές της πίεσης δεν επηρεάζουν πολύ την αντοχή που απαιτείται για ένα θάλαμο κενού. Αυτό είναι ένα βασικό σημείο που συχνά κόβει ανθρώπους. Μόλις αφαιρέσετε το 99% των μορίων του αέρα, υπάρχουν λίγοι λίγοι που αφήνουν σχεδόν καμία πίεση στον εσωτερικό τοίχο. Η αφαίρεση περισσότερων δεν αλλάζει πολύ. Εάν ένας περιέκτης μπορεί να αντέξει 10-1 Torr, μπορεί πιθανώς να κρατήσει 10-11.

Ισχύς μπουζί

Τα συνηθισμένα μπουζί αυτοκινήτου έχουν σχεδιαστεί για την παροχή μονωμένων υψηλών τάσεων μέσω μεταλλικών τοιχωμάτων και διαφόρων διαφορών πίεσης, γι 'αυτό και τα χρησιμοποίησα για την τροφοδοσία του πυροβόλου ηλεκτρονίου στον θάλαμο SEM.

Έχω τρυπηθεί και χτύπησα μια σειρά από τρύπες στην πλάκα βάσης για να κρατήσω τα μπουζί και πρόσθεσα τους δακτυλίους Ο. Έκανα επίσης κάποιες συνδέσεις χαμηλής τάσης για άλλα κυκλώματα χρησιμοποιώντας βίδες ευρείας κεφαλής σφραγισμένες στην πλάκα με ροδέλες Buna-N (νιτριλίου). Και για να αφήσουμε τους χρήστες να μετακινήσουν ένα μικρό στάδιο για να εντοπίσουν το δοκίμιο κάτω από τη δέσμη ηλεκτρονίων, πρόσθεσα ελατηριωτά στεγανοποιητικά στελέχη Teflon που μεταφέρουν περιστροφική κίνηση μέσω της πλάκας βάσης ενώ ο θάλαμος βρίσκεται υπό κενό.

Το ηλεκτρονικό όπλο

Υπάρχουν πολλοί τρόποι δημιουργίας ηλεκτρονίων για ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, αλλά το πιο εύκολο είναι να ζεσταθεί απλά ένα κομμάτι σύρμα. Αυτό πηγαίνει από το συναρπαστικό όνομα της θερμοδοντικής εκπομπής και αυτά τα νήματα χρησιμοποιούνται σε σωλήνες κενού και σωλήνες καθοδικών ακτίνων. κάνουν την πορτοκαλί λάμψη στο πίσω μέρος των παλιών τηλεοράσεων και ραδιοφώνων. Από το eBay αγόρασα ένα σύνολο από νήματα βολφραμίου με κεραμικούς μονωτήρες που αρχικά κατασκευάστηκαν για χρήση σε εμπορικά SEMs.

Συνδέσαμε το νήμα σε μια τροφοδοσία χαμηλής τάσης που έχτισα από μεταβλητή μετασχηματιστή Variac, μετασχηματιστή απομόνωσης, ανορθωτή γέφυρας και πυκνωτές εξομάλυνσης. Εγώ τροφοδοτούσα αρχικά AC χαμηλής τάσης στο νήμα, αλλά αυτό είχε ως αποτέλεσμα προβλήματα ποιότητας εικόνας, γι 'αυτό σχεδίαζα μια άναρχη αλλά εξομαλυνμένη παροχή ρεύματος DC.

Μόλις το νήμα είναι λαμπερό, εκπέμπει πολλά ηλεκτρόνια προς όλες τις κατευθύνσεις. Για να τους παρακινήσετε σε μια μόνο κατεύθυνση, πρέπει να εφαρμόσετε υψηλές τάσεις σε κομμάτια μετάλλων στρατηγικά διατεταγμένα γύρω από το νήμα. Όλο το συγκρότημα ονομάζεται όπλο με ηλεκτρόνια και όταν η εφαρμοζόμενη τάση είναι 10kV, το όπλο μου πυροβόλωνται με ηλεκτρόνια σε ένα ρεύμα σε περίπου 2% της ταχύτητας φωτός (6.000.000 μέτρα / δευτερόλεπτο). Για την παροχή αυτής της τάσης, χρησιμοποιώ μια ρυθμισμένη παροχή υψηλής τάσης που αγόρασα σε μια πώληση πλεονασμού και μπορώ να ρυθμίσω την τάση για να ρυθμίσω την ταχύτητα των ηλεκτρονίων.

Εστίαση στη δέσμη

Η δέσμη από ένα όπλο ηλεκτρονίων είναι στενή, αλλά όχι αρκετά λεπτή για χρήσιμη ηλεκτρονική μικροσκοπία. Για να εστιάσει τη δέσμη, ένα SEM πρέπει να το τρέξει μέσω οπτικών ηλεκτρονίων - ελεγχόμενων οπών και ηλεκτρικών ή μαγνητικών πεδίων που κάμπτονται και διαμορφώνουν τη δέσμη κάτι σαν τον τρόπο γυάλινων φακών να λυγίζουν τις διαδρομές των φωτονίων.

Τα περισσότερα εμπορικά SEMs χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να εστιάσουν τη δέσμη εξαιτίας της δύναμης κάμψης και των απαιτήσεων χαμηλότερης τάσης, αλλά χρησιμοποίησα ηλεκτρικά πεδία, επειδή δεν απαιτούν ειδικά επεξεργασμένα κομμάτια σιδήρου ακριβείας. Χρησιμοποίησα μονωτήρες από σωλήνες χαλκού και τεφλόν για να κατασκευάσω 2 ηλεκτροστατικούς φακούς, οι οποίοι δεν είναι τίποτε περισσότερο από 3 μήκη αγώγιμου σωλήνα, μονωμένοι το ένα από το άλλο και διατεταγμένοι εν σειρά. Καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται μέσω των φορτισμένων σωλήνων, η τροχιά τους επηρεάζεται από την πολικότητα και το μέγεθος της τάσης που εφαρμόζεται σε κάθε μία. Με τη σωστή τάση και γεωμετρία, η δέσμη των ηλεκτρονίων θα εστιάσει σε ένα σφιχτό σημείο στο δείγμα.

Σάρωση του δείγματος

Στα πρώτα SEM, η διαδικασία σάρωσης του δείγματος και εμφάνισης της εικόνας ήταν αλληλένδετες. Η δέσμη σάρωσης κατευθύνθηκε πάνω από το δείγμα σε συγχρονισμό με ένα σχέδιο ράστερ που η δέσμη CRT ανιχνεύτηκε πάνω από τα φωσφορίζοντα διάφραγμα και ο ανιχνευτής εκπομπής μικροσκοπίου χρησιμοποιήθηκε για να οδηγήσει την ένταση δέσμης στο CRT.

Έκανα αυτή την ίδια προσέγγιση λόγω της απλότητας της. για να τραβήξετε εικόνες που στοχεύω τη φωτογραφική μηχανή μου στην οθόνη. Αλλά για την επόμενη έκδοση του SEM μου, εφαρμόζω ένα ψηφιακό σύστημα αποθήκευσης εικόνων που θα καταγράφει το εικονοστοιχείο pixel από την επιφάνεια του δείγματος (φωτεινότητα εικόνας).

Για να εκτελέσω τη συγχρονισμένη σάρωση και οθόνη, αγόρασα 2 ταυτόσημα αναλογικούς παλμογράφοι (eBay και πάλι) και πήρα ένα από αυτά. Οι αναλογικοί παλμογράφοι χρησιμοποιούν αντίθετα φορτισμένα ζεύγη μεταλλικών πλακών για να εκτρέψουν τη δέσμη ηλεκτρονίων στα CRTs τους, με μέγεθος πλάκας, απόσταση και εφαρμοσμένη τάση που καθορίζει την ποσότητα της παραμόρφωσης. Έτσι, αφαιρώ το CRT από το αποσυναρμολογημένο πεδίο και ανακατευθύνω τα καλώδια που οδηγούν τον άξονά του και την εκτροπή του άξονα y σε μικρότερες πλάκες τοποθετημένες στη στήλη SEM.

Για να δημιουργήσω τα οριζόντια και κάθετα μοτίβα σάρωσης, έχτισα μια απλή γεννήτρια ράστερ παρόμοια με αυτή που υπάρχει μέσα σε μια τηλεόραση, αλλά από 555 μάρκες χρονομέτρων. Τροφοδότησα την έξοδο της τόσο στο hacked scope, όσο και στην καθοδήγηση της δέσμης SEM, καθώς και στην άθικτη εμβέλεια που έχει ρυθμιστεί στη λειτουργία x-y, για την οδήγηση της οθόνης.

Σηκώστε το σήμα

Για να παράγει το σήμα του, το SEM ανιχνεύει την ποσότητα των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την επιφάνεια του δείγματος καθώς το χτυπάει η δέσμη ηλεκτρονίων. Αλλά είναι ένας σχετικά μικρός αριθμός μέσα σε ένα μικρό εύρος, οπότε χρειάζεται να ενισχυθεί.

Για να επιτευχθεί αυτό, τα ηλεκτρόνια προσελκύονται προς μια οθόνη φωσφόρου η οποία τους μετατρέπει σε λάμψεις φωτός. Οι φωτεινές αναβοσβήνειες μετατρέπονται στη συνέχεια σε ηλεκτρικά σήματα και ενισχύονται από ένα σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή, ο οποίος αποτελείται από μια φωτοκαθόλη που παράγει ηλεκτρόνια όταν χτυπιούνται από φωτόνια και μια σειρά 12 δυναδωνίων που δημιουργεί μια χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων περίπου 106 μεγαλύτερες σε αριθμό από το πρώτη δέσμη. Ο ανιχνευτής τοποθετείται στη μία πλευρά της σκηνής. Έχει έναν καμπύλο οδηγό φωτός έτσι ώστε το φωσφορικό πλέγμα να είναι στραμμένο προς το δείγμα και ο φωτοπολλαπλασιαστής να καταλήγει κατακόρυφα.

Το σήμα από το σωληνάριο πολλαπλασιαστή τροφοδοτείται στη συνέχεια στον άξονα z ή στην είσοδο ακινητοποίησης στον ακέραιο παλμογράφο. Σε αρκετά γρήγορους ρυθμούς σάρωσης, ο παλμογράφος θα εμφανίσει στη συνέχεια μια εικόνα από το SEM σε live video rates.

Αποτελέσματα

Μέχρι στιγμής, έχω χρησιμοποιήσει το SEM για να απεικονίσει αγώγιμα αντικείμενα (Σχήμα F), αφού τα μη αγώγιμα αντικείμενα πρέπει να είναι επικαλυμμένα με ένα λεπτό στρώμα μεταλλικού χρώματος, πριν να απεικονιστούν, σε ένα θάλαμο διασκορπισμού. Μπορεί να καταλήξω να φτιάξω ένα από ένα τροφοδοτικό και ένα θάλαμο κενού.

Τα βιολογικά δείγματα πρέπει να ξηραίνονται με ειδικά μέσα, έτσι ώστε το δείγμα να μην χάνει τη δομή του καθώς το νερό εξατμίζεται. Μπορείτε να απορροφήσετε επανειλημμένα το δείγμα σε αλκοόλ μέχρι το αλκοόλ να αντικαταστήσει σχεδόν πλήρως το δείγμα του εσωτερικού νερού. Στη συνέχεια, το δείγμα τοποθετείται σε θάλαμο και βυθίζεται σε υγρό CO2 σε περίπου 700psi. Τέλος, το CO2 θερμαίνεται υπό πίεση μέχρι να γίνει υπερκρίσιμο, ένα υγρό χωρίς επιφανειακή τάση. Έχω χτίσει ένα υπερκρίσιμο θάλαμο ξήρανσης και το χρησιμοποίησα για να φτιάξω σπιτικό αερόπητο.

Εν τω μεταξύ, αναπτύσσομαι επίσης ένα σύστημα ανιχνευτή που χρησιμοποιεί έναν πολλαπλασιαστή ηλεκτρονίων αντί για ένα φωτοπολλαπλασιαστή, για μεγαλύτερη απλότητα, καθαρότητα της διαδρομής σήματος και για να επιτρέψει στο SEM να λειτουργεί χωρίς φωτεινή ασπίδα (χρησιμοποιώ βαρύ μαύρο πλαστικό) καμπάνα, βελτιώνοντας έτσι την αναλογία σήματος-θορύβου.



Μπορεί Να Σας Ενδιαφέρει

Απλή αναβάθμιση ποδηλάτου: Λαμπερούς τροχούς που επαναφορτίζονται

Απλή αναβάθμιση ποδηλάτου: Λαμπερούς τροχούς που επαναφορτίζονται


CRAFT: 06 Απελευθέρωση Party Wrap-Ups

CRAFT: 06 Απελευθέρωση Party Wrap-Ups


Ελέγξτε τη σκηνή της φωτογραφικής μηχανής σας με το Blackmagic SDI Arduino Shield

Ελέγξτε τη σκηνή της φωτογραφικής μηχανής σας με το Blackmagic SDI Arduino Shield


Hack χαλίκι βότσαλο σας για να ελέγξετε το σμέουρο Pi σας

Hack χαλίκι βότσαλο σας για να ελέγξετε το σμέουρο Pi σας