A szkennelő elektronmikroszkópom - 💡 Fix My Ideas

A szkennelő elektronmikroszkópom

A szkennelő elektronmikroszkópom


Szerző: Ethan Holmes, 2019

Úgy döntöttem, hogy otthoni műhelyemben egy szkenner elektronmikroszkópot (SEM) tervezek és építek, hogy megnézhessem, hogy ez még lehetséges. Spoiler figyelmeztetés: ez. Eredetileg nem szándékoztam létrehozni egy SEM-et, amely összehasonlíthatna egy 75 000 $ -os kezdő szintű kereskedelmi modellel, de a projekt sikeresebbnek bizonyult, mint amire számítottam. Világos, pontos képeket készít, és néhány olyan fejlesztés után, amit jelenleg dolgozok, lehet, hogy a hobbik számára egy olyan SEM építése lenne, amely tudományos kutatásra alkalmas, 2000 dollár alatt.

Hogyan működik az SEM

A szokásos optikai mikroszkópok a látható fényt a mintán keresztül vagy rajta keresztül ragyogják, és objektíveket használnak a nagyított kép létrehozásához. Ez jól működik sok alkalmazás esetében, de a fény csak 200 nanométernél nagyobb jellemzőkkel képes megoldani a látható fényt. Ez kicsi, de nem elég kicsi ahhoz, hogy sok érdekes biológiai és anyagszerkezetet nézhessen. Használhatunk rövidebb hullámhosszú fényt (azaz ultraibolya fényt), hogy enyhén jobb felbontást érjünk el, de ez csak sok költséget és nehézséget jelent csak a fokozatos javulás érdekében.

Az elektronmikroszkópok ezzel szemben óriási javulást biztosítanak a felbontásban. A fotonokhoz hasonlóan az elektronok mind részecske-, mind hullámszerű tulajdonságokkal rendelkeznek, de a gyorsan mozgó elektron hullámhossza lényegesen rövidebb, mint a látható fény.

A SEM egy kis elektronsugarat szkennel át a mintán, raszteres mintázatot követve, és megméri az egyes pontokból és egy közeli detektorra ugráló elektronok mennyiségét. Például, ha a gerenda egy lyukba ütközik a mintában, az elektronok csapdába eshetnek, és nem jutnak el az érzékelőhöz, de ha a gerenda a felületen kiemelkedésbe ütközik, sok elektron jut el az érzékelőhöz, mivel a kiemelkedés nagyobb felületet biztosít mint a környező sík területek.

Ily módon a SEM képpont-képpontot képez, és az eszköz maximális felbontását az elektronsugár 2 attribútuma határozza meg: a pontméretet és a szkennelési sebességet. Egy kisebb pontméret megoldja a részleteket, és a lassabb szkennelés javítja a felbontást a jel-zaj viszony növelésével minden ponton. Annak érdekében, hogy az elektronok ne szívódjanak fel, a mintának vezetőnek kell lennie, vagy egy vékony fémréteggel kell bevonnia.

Ez a módszer lehetővé teszi a 3D-s objektumok széles körű felvételét anélkül, hogy azokat bitekre szeletelné, és a létrehozott képek fekete-fehér fényképnek tűnnek nagy mélységélességgel. Ezek a vonzó képminőségek nagyon gyakorivá teszik az SEM-eket a kis 3D-objektumok tanulmányozásában, és befolyásolták a választásomat, hogy ilyen típusú elektronmikroszkópot építsenek.

Hozzon létre egy vákuumot

Az SEM egyik kihívása az, hogy az elektronsugarat és a mintát vákuumban kell manipulálni. Ha az elektronsugarat levegőn keresztül lőtték, az elektronok gázmolekulákat szúrnának és szétszóródnának, elmosódnak és megsemmisítenének minden képet. Ahhoz, hogy az elektronok a forrásból a mintába és a mintából az érzékelőbe akadálytalanul mozogjanak, kb. Egymilliószor alacsonyabb vákuumra van szükség, mint a légköri nyomás, vagy 0,00076 torr, ahol a torr az 1 mm magas higanyoszlop támasztásához szükséges nyomásegység. . A légköri nyomás körülbelül 760 torr tengeri szinten van.

Ezeket az alacsony nyomásokat néhány különböző módon lehet elérni, de a kedvencem (a legolcsóbb) a mechanikus forgószivattyú és a diffúziós pumpa kombinálása, amely sorozatosan megtervezi őket. A mechanikus szivattyú körülbelül tizedes nagyságrenddel csökkenti a nyomást, és a diffúziós szivattyú egy másik 2-et vesz le. A forgószivattyúhoz egy 150 dolláros légkondícionáló szivattyút telepítettem a kikötői rakományból, és a diffúziós szivattyúhoz levegőt vettem - 3 ″ Varian szivattyú az eBay-en körülbelül 200 dollárért.

A diffúziós szivattyúk nagy sebességű, forró olajgőzfúvókákkal működnek, amelyek a levegő molekuláit kiürítik a vákuumkamrából. A szivattyú belsejében egy elektromos elem melegíti a szilikonolajat gőzbe. Miután a cseppeket a levegő kifelé hajtották, a szivattyú lehűtött falai visszafolyják a folyadékba, ami csöpög az aljára, hogy újra forraljuk.

A rotációs szivattyút csatlakoztattam a diffúziós pumpahoz ¾ ”-ID-es dróterősítésű csövekkel a McMaster-Carr-tól, ahol a legtöbb hardvert és nyersanyagot kaptam (A és B ábrák). A huzalerősítés megakadályozza a cső összeomlását vákuumban. A két szivattyú között egy póló szerelvény is volt, és hozzáadtam egy digitális vákuummérőt, amit az eBay-en vettem körülbelül 100 dollárért. A mérőműszer 0,001 és 12 torr között van, és a hűtő technikusok számára használták a vákuumszivattyú használatához.

Nem volt kereskedelmi vákuumkamra, és azt akartam, hogy a mikroszkóp átlátszó burkolaton belül működjön, mivel fő célja demonstráció. Szóval egy üveg csengőedényt használtam, amit egy ideje találtam az eBay-en. Az üveg vastagsága azt jelzi, hogy a korsó a vákuum használatára épült, nem pedig csak díszítésre vagy porvédelemre. Egy alaphoz 1 ″ vastag alumínium lemezt használtam. Vágtam egy lyukat a lemezbe, hogy illeszkedjen a diffúziós szivattyúhoz, és megmunkáltam egy vízhűtésű fékszórót a szivattyú és a lemez között (C ábra).

A terelőlemez megakadályozza, hogy a diffúziós szivattyúolaj a csengőbe jusson. A forró olaj zavaros, és a kis mennyiségű olaj bejutása egy SEM érzékeny részébe sok problémát okoz. A levegőmolekulák áthaladhatnak a terelőlap kanyargós útján, de a forró olajmolekulák a vízzel hűtött felületeken kondenzálódnak és csepegnek vissza.

Megvágtam egy másik lyukat az alumínium alaplemezen, és egy további vákuumfigyelőt, egy Penning mérőeszközt adtam hozzá, az eBay-en is vásároltam körülbelül 250 dollárért. Ez az eszköz a vákuumot 0,001-ről 10–8 torrra méri, és jelzi, hogy a diffúziós szivattyú a kamra nyomása a SEM működéséhez szükséges tartományba esik.

Amikor először szivattyúztam le az üveget, elkezdtem a rotációs szivattyút, majd kiléptem a garázsból, és becsukta az ajtót mögöttem. Ha a korsó behatolna, elég messze lennék, hogy elkerüljem a roncsokat. A 0,01 torr nyomás alatt azonban a nyomásváltozások nem befolyásolják jelentősen a vákuumkamrához szükséges szilárdságot. Ez egy kulcsfontosságú pont, amely gyakran trükkök embereket. Miután eltávolította a levegő molekuláinak 99% -át, olyan kevés maradt, hogy szinte semmilyen nyomást nem gyakorol a belső falra. Több eltávolítása nem változik sokat. Ha egy tartály 10–1 torr ellenáll, akkor valószínűleg biztonságosan megtartja a 10–11-et.

Gyújtógyertya teljesítmény

A rendes autóipari gyújtógyertyák úgy vannak kialakítva, hogy szigetelt magas feszültséget nyújtsanak a fémfalakon és a nyomáskülönbségeken keresztül, így használtam őket az elektronpisztolyok áramellátásához a SEM kamrába.

Fúrtam és kinyitottam egy sor lyukat az alaplemezen, hogy megtartsam a gyújtógyertyákat, és hozzáadtam az O-gyűrűs mirigyeket. A Buna-N (nitril) alátéttel ellátott tányérhoz rögzített széles fejű csavarokkal más kis áramkörökhöz is csatlakoztattam kisfeszültségű átmenő csatlakozásokat. És ahhoz, hogy a felhasználók kis lépcsőn mozogjanak a mintának az elektronsugár alatt történő elhelyezése érdekében, rugós töltéssel ellátott teflon tengelytömítést adtam hozzá, amelyek a forgó mozgást az alaplemezen át szállítják, miközben a kamra vákuum alatt van.

Az elektronpisztoly

Az elektronmikroszkóppal számos módon lehet előállítani az elektronokat, de a legegyszerűbb az, ha egyszerűen egy huzalt melegítünk. Ez a hőionos emisszió izgalmas nevével megy végbe, és ezeket a szálakat vákuumcsövekben és katódsugárcsövekben használják; a narancsszínű ragyogást a régi televíziók és rádiók hátoldalán teszik. Az eBay-ből megvásároltam egy volfrámszálas szettet kerámia szigetelőtartókkal, amelyeket eredetileg kereskedelmi SEM-ekben használtak.

Az izzószálat egy alacsony feszültségű tápegységhez csatlakoztattam, amelyet egy Variac változó transzformátorból, szigetelő transzformátorból, híd egyenirányítóból és simító kondenzátorból építettem. Eredetileg alacsony feszültségű tápfeszültséget tápláltam az izzószálra, de ez képminőségi problémákat eredményezett, így egy szabályozatlan, de simított egyenáramú tápegységet terveztem.

Amint az izzó izzó, sok elektronot bocsát ki minden irányban. Ahhoz, hogy egyetlen irányba motiválja őket, nagy feszültségeket kell alkalmazni az izzószál köré stratégiai elrendezésű fémdarabokon. Az egész gyülekezetet elektronpisztolynak nevezik, és amikor az alkalmazott feszültség 10 kV, a fegyverem a fénysebesség körülbelül 2% -ánál (6.000.000 méter / másodperc) kiáramlik az elektronokat. Ennek a feszültségnek az ellátására szabályozott nagyfeszültségű tápegységet használok, amelyet többletértékesítéssel vettem, és beállíthatom a feszültséget az elektronsebesség finomhangolásához.

Fókuszálja a sugárzást

Az elektronpisztoly sugara keskeny, de nem elég finom a hasznos elektronmikroszkópiához. A sugár fókuszálásához az SEM-nek elektron-optikával vezérelt nyílásokon és elektromos vagy mágneses mezőkön kell futnia, amelyek a fénysugarat hajlítanak és alakítják, mint az üveg lencsék a fotonok útját.

A legtöbb kereskedelmi SEM mágneses mezőt használ a sugár fókuszálására a hajlítóerő és az alacsonyabb feszültségigény miatt, de elektromos mezőket alkalmaztam, mert nem igényelnek speciálisan megmunkált precíziós vasrúddarabokat. Rézcső- és teflon-szigetelőket használtam 2 elektrosztatikus lencsék felépítéséhez, amelyek nem több, mint 3 hosszúságú vezetőképes cső, amelyek egymástól szigeteltek és elrendezettek. Ahogy az elektronok áthaladnak a feltöltött csöveken, a pályájukat az egyes feszültségek polaritása és nagysága befolyásolja. A megfelelő feszültséggel és geometriával az elektronsugár szűk pontra fókuszál a mintán.

A minta beolvasása

Az első SEM-ekben a minta szkennelésének folyamata és a kép megjelenítése összefonódott. A szkenner sugárzást a mintán szinkronban irányítottuk a raszteres mintával, amelyet a CRT sugár nyomon követett a képernyő foszforjain, és a mikroszkóp emissziós detektorát használták a fénysugár intenzitásának a CRT-ben való meghajtására.

Ugyanezt a megközelítést vállaltam az egyszerűsége miatt; a képek rögzítéséhez jelenleg a képernyőt célozom. De a SEM következő verziójára egy olyan digitális képtároló rendszert valósítok meg, amely rögzíti a minta felületi emisszióját (kép fényerejét) pixelenként.

A szinkronizált szkennelés és megjelenítés elvégzéséhez két azonos analóg oszcilloszkópot (eBay) vettem, és elvettem az egyiket. Az analóg oszcilloszkópok ellentétesen feltöltött fémlemezpárokat használnak az elektronsugárnak a CRT-kben való elhajlásához, a lemez méretével, távolságával és alkalmazott feszültséggel, amely meghatározza az elhajlást. Így eltávolítottam a CRT-t a szétszerelt alkalmazási területről, és átirányítottam az x-tengely és az y-tengely elhajlását a SEM oszlopba szerelt kisebb lemezekre.

A vízszintes és függőleges beolvasási minták létrehozásához egy egyszerű rasztergenerátort építettem, amely hasonló a TV-készülék belsejébe, de 555 időzítő chipből készült. A kijelzõ vezetéséhez mind a hackelt hatókörbe, mind a SEM gerenda irányításához, és az x-y módba beállított intakt terjedelemhez tápláltam a kimenetet.

Vedd fel a jelet

A jel létrehozásához az SEM felismeri az elektronok sugárzása által kibocsátott elektronok mennyiségét. De viszonylag kis szám egy kis tartományon belül, ezért meg kell erősíteni.

Ennek eléréséhez az elektronokat olyan foszfor képernyő felé vonzza, amely a fény villanásaivá alakítja őket. A fény villanásait ezután visszaállítják elektromos jelekké, és egy fénymásoló cső erősíti meg, amely egy fotokatódból áll, amely fotonok ütésekor elektronokat állít elő, és egy 12 dinóda sorozata, amely körülbelül 106-nál nagyobb számú elektron-lavinát generál, mint a első csomó. Az érzékelő a színpad egyik oldalára van elhelyezve. Egy ívelt fényvezetővel rendelkezik, hogy a foszforszűrő a minta felé nézzen, és a fényszorzó függőlegesen fut.

A szorzócsőből érkező jelet ezután a z-tengelybe vagy az érintetlen oszcilloszkóp kiürítő bemenetébe adagoljuk. Meglehetősen gyors szkennelési sebesség mellett az oszcilloszkóp az SEM-ről egy képet jelenít meg élő videó sebességgel.

Eredmények

Eddig csak a SEM-et használtam a vezetőképes tárgyak képalkotására (F ábra), mivel a nem vezetőképes tárgyakat egy képtelenül vékony fémréteggel kell bevonni, mielőtt egy képező kamrába kerülne. Végül az egyiket tápegységből és vákuumkamrából építhetem.

A biológiai mintákat speciális eszközökkel kell szárítani, hogy a minta ne veszítse el a szerkezetét, amikor a víz elpárolog. Az alkohol alkoholát ismételten áztassa addig, amíg az alkohol szinte teljesen nem helyettesíti a minta belső vizet. Ezután a mintát kamrába helyezzük, és folyékony CO2-ba merítjük körülbelül 700 psi-nél. Végül a szén-dioxidot nyomás alatt melegítjük, amíg szuperkritikusvá nem válik. Építettem egy szuperkritikus szárító kamrát, és arra használtam, hogy készítsünk házi aerogént.

Eközben egy olyan detektorrendszert is fejlesztek, amely a fotomultiplikátor helyett elektronszorzót használ, a nagyobb egyszerűség, a jelút tisztasága érdekében, és lehetővé teszi a SEM működését fényvédő nélkül (nehéz fekete műanyagot használok), amely lefedi a harang jar, így javítva a jel-zaj arányt.



Lehet, Hogy Érdekli

Flashback: Szivárványcserepek a Szent Patrik napjára

Flashback: Szivárványcserepek a Szent Patrik napjára


MAKE 31. kötet webes extrák és letöltések

MAKE 31. kötet webes extrák és letöltések


MAKE 32. kötet webes extrák és letöltések

MAKE 32. kötet webes extrák és letöltések


Hackchooling boldoggá tesz

Hackchooling boldoggá tesz