Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Ми Сцаннинг Елецтрон Мицросцопе

Одлучио сам да дизајнирам и направим скенирајући електронски микроскоп (СЕМ) у мојој кућној радионици да видим да ли је уопште могуће. Упозорење за споилер: то је. Првобитно нисам намеравао да направим СЕМ који би могао да се упореди са комерцијалним моделом почетног нивоа од 75.000 долара, али пројекат се показао успешнијим него што сам очекивао. Она производи јасне, прецизне слике, а након неких побољшања на којима тренутно радим, може бити практично за хобисте да изграде СЕМ који је погодан за научна истраживања за мање од 2.000 долара.

Како функционишу СЕМ-ови

Обични оптички микроскопи сијају видљиво светло на или кроз узорак и користе сочива за стварање увећане слике. Ово добро функционише за многе примене, али светлост може само да реши карактеристике веће од око 200 нанометара за видљиво светло. Ово је мало, али није довољно мало за гледање многих занимљивих биолошких и материјалних структура. Можете користити светло са краћом таласном дужином (тј. Ултраљубичастом светлошћу) да бисте добили нешто бољу резолуцију, али то додаје много трошкова и потешкоћа само за постепено побољшање.

Насупрот томе, електронски микроскопи нуде огромно побољшање у резолуцији. Попут фотона, електрони имају и својства честица и таласа, али је таласна дужина брзог електрона знатно краћа од оне видљиве свјетлости.

СЕМ скенира сићушни сноп електрона кроз узорак, пратећи растерски образац, и мери количину електрона који одбијају сваку тачку и на оближњи детектор. На пример, ако сноп погоди рупу у узорку, електрони могу постати заробљени и неће доспети до детектора, али ако сноп пробоја на површини, многи електрони ће стићи до детектора пошто избочина обезбеђује више површине од околних равних подручја.

На тај начин, СЕМ гради свој пиксел по пикселима, а максимална резолуција уређаја одређена је са 2 атрибута електронског снопа: његовом величином тачке и брзином скенирања. Мањи број тачака ће решити више детаља, а спорије скенирање побољшава резолуцију подизањем односа сигнал-шум на свакој тачки. Да се ​​електрони не апсорбују, узорак мора бити проводљив или обложен танким слојем метала.

Овај метод вам омогућава да 3Д објекте снимате у широком опсегу увећања без резања на битове, а слике које стварају изгледају као црно-беле фотографије са великом дубином поља. Ови атрактивни квалитети слике чине СЕМ-ове врло уобичајеним за проучавање малих 3Д објеката, и утицали су на мој избор да направим овај тип електронског микроскопа.

Направите вакуум

Један од изазова СЕМ-ова је да електронски сноп и узорак морају бити манипулисани у вакууму. Ако би електронски зрак био испаљен кроз ваздух, електрони би ударали молекуле гаса и распршили, замаглили и уништили било коју слику. Да би електрони несметано путовали од извора до узорка и од узорка до детектора, потребан вам је вакуум око милион пута нижи од атмосферског притиска, или 0,00076 торра, где је торр јединица притиска потребна за подршку колоне живе 1мм високе . Атмосферски притисак је око 760 торра на нивоу мора.

На ове ниске притиске можете доћи на неколико различитих начина, али моја омиљена (најмање скупа) је комбиновање механичке ротационе пумпе и дифузионе пумпе, који их доводе у серију. Механичка пумпа смањује притисак за око 4 реда децималне величине, а дифузна пумпа га спушта још за 2. За ротациону пумпу, ја сам се сместио на пумпу клима уређаја од 150 долара из Харбор Фреигхта, а за дифузиону пумпу сам купио ваздух. -хладна 3 ″ Вариан пумпа на еБаи за око $ 200.

Дифузионе пумпе раде тако што стварају велике брзине млазова врућег уља које избацују молекуле ваздуха из вакуумске коморе. Унутар пумпе, електрични елемент загрева силиконско уље у пару. Након што су капљице избачене из ваздуха, хлађени зидови пумпе их кондензују натраг у течност, која капље до дна и поново се кува.

Повезао сам ротациону пумпу са дифузионом пумпом са ¾ ”-ИД жичаном арматуром од МцМастер-Царр, где сам добио већину хардвера и сировине (слике А и Б). Жичана арматура спречава да се цев сруши под вакуумом. Такође сам укључио опрему за повезивање између две пумпе и додао дигитални мерач вакуума који сам купио на еБаи-у за око $ 100. Мерач чита од 0.001 до 12 торра и направљен је за техничаре за хлађење да се користе са вакуумском пумпом.

Нисам имао комерцијалну вакуумску комору, и желео сам да микроскоп ради у транспарентном кућишту, јер би његова главна сврха била демонстрација. Користио сам стаклену боцу звона коју сам недавно нашао на еБаиу. Дебљина стакла показала је да је посуда изграђена за вакуум, а не само за украшавање или заштиту од прашине. За базу сам користио алуминијумску плочу дебљине 1. Одрезао сам рупу у плочи да би монтирао дифузиону пумпу и обрађивао водено хлађену преграду да иде између пумпе и плоче (слика Ц).

Преграда спречава миграцију уља дифузне пумпе у стакленку. Кисело уље постаје неуредно, а добијање чак и малих количина уља у осјетљивим дијеловима СЕМ-а узроковат ће многе проблеме. Молекули ваздуха могу да прођу кроз вијугави пут преграде, али молекуле врелог уља се кондензују на његовим водено хлађеним површинама и капају назад.

Одсекао сам још једну рупу у алуминијумској основној плочи и додао додатни монитор за вакуум који се зове Пеннинг мерач, такође купљен на еБаи-у за око $ 250. Овај уређај мери вакуум од 0.001 до 10–8 торр, и указује када је дифузна пумпа преузела притисак у комори до опсега потребног за рад СЕМ-а.

Када сам први пут испумпао теглу, покренуо сам ротациону пумпу, затим изашао из гараже и затворио врата за собом. Ако би се стакленка угасила, била бих довољно далеко да бих побегла од олупине. Али испод притиска од 0,01 торр, промене притиска не утичу много на чврстоћу која је потребна за вакуумску комору. Ово је кључна тачка која често вара људе. Једном када уклоните 99% молекула ваздуха, мало их је остало да не врше готово никакав притисак на унутрашњи зид. Уклањање више не мења много. Ако контејнер може да издржи 10–1 торр, вероватно може сигурно да држи 10–11.

Спарк Плуг Повер

Обичне аутомобилске свјећице дизајниране су да осигурају високе напоне изолиране кроз металне зидове и преко диференцијала тлака, тако да сам их користио да пренесем струју за електронску пушку у СЕМ комору.

Пробушио сам и потапшао низ рупа у основној плочи да држим свећице и додао О-прстенасте жлијезде. Такође сам направио неке нисконапонске пролазне везе за друге склопове користећи вијке са широком главом, који су причвршћени на плочу са Буна-Н (нитрил) подлошкама. И да би омогућили корисницима да преместе малу фазу како би лоцирали узорак испод електронског снопа, додао сам опруге са тефлонским вратилом које преносе ротациона кретања кроз основну плочу док је комора под вакуумом.

Елецтрон Гун

Постоји много начина за генерисање електрона за електронски микроскоп, али најлакше је једноставно загрејати комад жице. Ово иде узбудљивим именом термионске емисије, а ови се филаменти користе у вакуумским цевима и катодним цевима; они стварају наранџасти сјај у позадини старих телевизора и радија. Из еБаиа сам купио сет волфрамових влакана са керамичким држачима изолатора који су оригинално направљени за употребу у комерцијалним СЕМ-овима.

Спојио сам филамент са нисконапонским напајањем које сам направио из варијабилног трансформатора, изолационог трансформатора, мостног исправљача и кондензатора. Првобитно сам напајао нисконапонски АЦ на нит, али то је довело до проблема са квалитетом слике, тако да сам дизајнирао нерегулисано али изглађено ДЦ напајање.

Једном када жаруља сија, она емитује пуно електрона у свим правцима. Да бисте их мотивисали у једном правцу, потребно је применити високе напоне преко комада метала стратешки распоређених око филамента. Читав склоп се назива електронски топ, а када је примењени напон 10кВ, мој пиштољ избацује електроне из струје око 2% брзине светлости (6,000,000 метара / секунди). За напајање овог напона користим регулисани напон високог напона који сам купио на вишку и могу подесити напон како би фино подесио брзину електрона.

Фокусирајте сноп

Греда електронског топа је уска, али не и довољно фина за корисну електронску микроскопију. Да би фокусирао сноп, СЕМ треба да га покрене преко електронске оптике - контролисаних отвора и електричних или магнетних поља која савијају и обликују сноп нечега налик начину на који стаклена сочива савијају путеве фотона.

Већина комерцијалних СЕМ-ова користи магнетна поља да фокусирају сноп због њихове снаге савијања и захтјева за мањим напоном, али сам користио електрична поља, јер не захтијевају прецизно обрађене комаде жељезног пола. Користио сам бакарне цеви и тефлонске изолаторе за конструкцију 2 електростатских сочива, које нису ништа више од 3 дужине проводне цеви, изоловане једна од друге и распоређене у инлине. Како електрони пролазе кроз напуњене цеви, на њихову путању утиче поларитет и величина напона који се примењује на сваки. Са исправним напоном и геометријом, сноп електрона ће се фокусирати на уско место на узорку.

Скенирајте узорак

У првим СЕМ-овима, процес скенирања узорка и приказивање слике су испреплетени. Сноп скенирања је управљан преко узорка у синхронизацији са растерским обрасцем који је ЦРТ сноп приказан преко фосфора на екрану, а детектор емисије микроскопа је коришћен да покрене интензитет снопа у ЦРТ.

Овај исти приступ сам искористио због његове једноставности; да бисте снимили слике тренутно циљам фотоапарат на екран. Али за следећу верзију мог СЕМ-а, ја имплементирам систем за складиштење дигиталних слика који ће снимити површинску емисију узорка (осветљеност слике) пиксела по пикселу.

Да би извршили синхронизовано скенирање и приказ, купио сам 2 идентична аналогна осцилоскопа (еБаи поново) и одвојио једну од њих. Аналогни осцилоскопи користе супротно набијене парове металних плоча за одбијање електронског снопа у својим ЦРТ-овима, са величином плоче, размаком и примењеним напоном који одређује количину отклона. Тако да сам уклонио ЦРТ из растављеног опсега и преусмерио жице које воде његову Кс-осу и скретање и-оси на мање плоче монтиране у СЕМ колони.

Да би се направили хоризонтални и вертикални обрасци скенирања, направио сам једноставан растерски генератор сличан ономе који се налази у телевизору, али направљен од 555 чипова тајмера. Њихов излаз сам напајао и у хакирани опсег, за управљање СЕМ снопом, а интактни опсег је постављен на к-и мод, за вожњу дисплеја.

Покупи сигнал

Да би генерисао свој сигнал, СЕМ детектује количину електрона који се емитују са површине узорка док електронски сноп га удара. Али то је релативно мали број у малом опсегу, тако да га треба појачати.

Да би се то постигло, електрони су привучени према екрану фосфора који их претвара у бљескове свјетлости. Затим се бљескови свјетлости претварају натраг у електричне сигнале и појачавају се фотомултипликаторском цијеви, која се састоји од фотокатоде која производи електроне када ударају фотони, и серије од 12 динода која генерира лавину електрона око 106 већу у броју од фирст бунцх. Детектор је позициониран на једној страни фазе. Има закривљени водич за светлост тако да је фосфорни екран окренут према узорку и фотомултипликатор се диже вертикално.

Сигнал из мултипликацијске цеви се затим уноси у з-осу или улаз за затварање на интактном осцилоскопу. На прилично брзој брзини скенирања, осцилоскоп ће приказати слику са СЕМ-а при брзини видео записа уживо.

Резултати

До сада сам само користио СЕМ за приказивање проводних објеката (слика Ф), јер непроводни предмети морају бити пресвучени нестабилно танким слојем метала пре снимања, у комори за прскање. Могао бих да завршим изградњу једног из енергетске и вакуумске коморе.

Биолошки узорци се морају сушити посебним средствима тако да узорак не губи своју структуру како вода испарава. Узорак можете поново потопити у алкохол док алкохол не замени унутрашњу воду узорка скоро у потпуности. Затим се узорак стави у комору и потопи у течном ЦО2 на око 700 пси. Коначно, ЦО2 се загрева под притиском док не постане суперкритичан, течност без површинске напетости. Направио сам суперкритичну комору за сушење и користио је да направим домаћи аерогел.

У међувремену, ја такође развијам детекторски систем који користи електронски множач уместо фотомултипликатора, за већу једноставност, чистоћу путање сигнала, и да омогући СЕМ-у да ради без светлосног штита (користим тешку црну пластику) покривајући звоно, тако да се побољша однос сигнал-шум.

Удео

Оставите Коментар