Mikroskop Elektron Pemindaian Saya - 💡 Fix My Ideas

Mikroskop Elektron Pemindaian Saya

Mikroskop Elektron Pemindaian Saya


Penulis: Ethan Holmes, 2019

Saya memutuskan untuk merancang dan membuat mikroskop elektron pemindaian (SEM) di bengkel rumah saya untuk melihat apakah itu mungkin. Peringatan spoiler: benar. Saya awalnya tidak berniat untuk membuat SEM yang dapat dibandingkan dengan model komersial entry-level $ 75.000, tetapi proyek ternyata lebih sukses daripada yang saya harapkan. Ini menghasilkan gambar yang jelas, akurat, dan setelah beberapa perbaikan yang sedang saya kerjakan, mungkin praktis bagi penggemar untuk membangun SEM yang cocok untuk penelitian ilmiah dengan harga di bawah $ 2.000.

Bagaimana SEM Bekerja

Mikroskop optik biasa menyinari cahaya ke atau melalui spesimen dan menggunakan lensa untuk membuat gambar yang diperbesar. Ini bekerja dengan baik untuk banyak aplikasi, tetapi cahaya hanya dapat menyelesaikan fitur yang lebih besar dari sekitar 200 nanometer untuk cahaya tampak. Ini kecil, tetapi tidak cukup kecil untuk melihat banyak struktur biologis dan material yang menarik. Anda dapat menggunakan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek (yaitu sinar ultraviolet) untuk mendapatkan resolusi yang sedikit lebih baik, tetapi ini menambah banyak biaya dan kesulitan hanya untuk peningkatan bertahap.

Sebaliknya, mikroskop elektron menawarkan peningkatan resolusi yang luar biasa. Seperti foton, elektron memiliki sifat partikel dan seperti gelombang, tetapi panjang gelombang elektron yang bergerak cepat jauh lebih pendek daripada cahaya yang terlihat.

SEM memindai berkas elektron kecil di sampel, mengikuti pola raster, dan mengukur jumlah elektron yang memantul dari setiap titik dan ke detektor terdekat. Misalnya, jika balok menyentuh lubang pada spesimen, elektron dapat menjadi terperangkap dan tidak akan mencapai detektor, tetapi jika balok menabrak tonjolan di permukaan, banyak elektron akan mencapai detektor karena tonjolan memberikan area permukaan lebih banyak dari sekitar daerah datar.

Dengan cara ini, SEM membangun piksel gambarnya demi piksel, dan resolusi maksimum perangkat ditentukan oleh 2 atribut berkas elektron: ukuran spot dan laju pemindaiannya. Ukuran spot yang lebih kecil akan menyelesaikan detail yang lebih besar, dan pemindaian yang lebih lambat meningkatkan resolusi dengan meningkatkan rasio sinyal-ke-noise di setiap spot. Agar elektron tidak terserap, sampel harus konduktif atau dilapisi dengan logam tipis.

Metode ini memungkinkan Anda gambar objek 3D pada berbagai perbesaran tanpa mengirisnya menjadi bit, dan gambar yang dihasilkannya tampak seperti foto hitam putih dengan bidang kedalaman tinggi. Kualitas gambar yang menarik ini membuat SEM sangat umum untuk mempelajari objek 3D kecil, dan mereka memengaruhi pilihan saya untuk membangun jenis mikroskop elektron ini.

Buat Vakum

Salah satu tantangan SEM adalah bahwa berkas elektron dan spesimen harus dimanipulasi dalam ruang hampa. Jika berkas elektron ditembakkan melalui udara, elektron akan menyerang molekul gas dan menyebar, mengaburkan dan menghancurkan gambar apa pun. Agar elektron dapat berjalan tanpa hambatan dari sumber ke sampel dan dari sampel ke detektor, Anda memerlukan ruang hampa sekitar satu juta kali lebih rendah dari tekanan atmosfer, atau 0.00076 torr, di mana torr adalah unit tekanan yang diperlukan untuk mendukung kolom merkuri setinggi 1mm. . Tekanan atmosfer sekitar 760 torr di permukaan laut.

Anda bisa mendapatkan tekanan rendah ini dengan beberapa cara berbeda, tetapi favorit saya (yang paling murah) adalah dengan menggabungkan pompa putar mekanis dan pompa difusi, menyambungkannya secara seri. Pompa mekanis mengurangi tekanan sekitar 4 kali lipat desimal, dan pompa difusi menurunkannya lagi 2. Untuk pompa putar, saya memilih pompa pendingin udara $ 150 dari Harbour Freight, dan untuk pompa difusi saya membeli udara didinginkan 3 3 pompa Varian di eBay sekitar $ 200.

Pompa difusi beroperasi dengan membuat semburan uap panas berkecepatan tinggi yang mendorong molekul udara keluar dari ruang vakum. Di dalam pompa, elemen listrik memanaskan minyak silikon menjadi uap. Setelah tetesan selesai mengeluarkan udara, dinding pompa yang dingin mendinginkannya kembali menjadi cairan, yang menetes ke bawah hingga mendidih lagi.

Saya menghubungkan pompa putar ke pompa difusi dengan ¾ "-ID tubing yang diperkuat kawat dari McMaster-Carr, di mana saya mendapatkan sebagian besar perangkat keras dan bahan baku (Gambar A dan B). Penguat kawat mencegah tabung dari kehancuran di bawah vakum. Saya juga memasukkan tee fitting di antara 2 pompa dan menambahkan pengukur vakum digital yang saya beli di eBay dengan harga sekitar $ 100. Alat ukur itu berbunyi dari 0,001 hingga 12 torr, dan dibuat untuk teknisi pendingin untuk digunakan dengan pompa vakum.

Saya tidak memiliki ruang vakum komersial, dan saya ingin mikroskop bekerja di dalam kandang transparan, karena tujuan utamanya adalah demonstrasi. Jadi saya menggunakan toples kaca yang saya temukan di eBay beberapa waktu lalu. Ketebalan kaca menunjukkan bahwa tabung itu dibuat untuk penggunaan vakum, bukan hanya untuk ornamen atau pelindung debu. Untuk alas, saya menggunakan plat aluminium tebal 1 ”. Saya memotong lubang pada pelat agar sesuai dengan pompa difusi dan membuat mesin penyekat air untuk memisah antara pompa dan pelat (Gambar C).

Penyekat mencegah oli pompa difusi bermigrasi ke tabung lonceng. Minyak mendidih menjadi berantakan, dan memasukkan sedikit minyak ke bagian sensitif SEM akan menyebabkan banyak masalah. Molekul udara dapat melewati jalur baffle yang berliku-liku, tetapi molekul minyak panas mengembun di permukaannya yang didinginkan air dan menetes kembali ke bawah.

Saya memotong lubang lain di pelat dasar aluminium dan menambahkan monitor vakum tambahan yang disebut Penning gauge, juga dibeli di eBay dengan harga sekitar $ 250. Perangkat ini mengukur vakum dari 0,001 hingga 10–8 torr, dan akan menunjukkan kapan pompa difusi telah digunakan tekanan ruang turun ke kisaran yang diperlukan untuk operasi SEM.

Pertama kali saya memompa stoples, saya memulai pompa rotari, kemudian keluar dari garasi dan menutup pintu di belakang saya. Jika toples meledak, saya akan cukup jauh untuk menghindari reruntuhan. Tetapi di bawah tekanan 0,01 torr, variasi tekanan tidak banyak mempengaruhi kekuatan yang dibutuhkan untuk ruang vakum. Ini adalah poin kunci yang sering menipu orang. Setelah Anda menghapus 99% molekul udara, ada begitu sedikit yang tersisa sehingga mereka hampir tidak memberikan tekanan pada dinding bagian dalam. Menghapus lebih banyak tidak banyak berubah. Jika sebuah wadah dapat menahan 10-1 torr, itu mungkin dapat dengan aman menampung 10-11.

Daya Busi

Busi otomotif biasa dirancang untuk memasok tegangan tinggi berinsulasi melalui dinding logam dan melintasi perbedaan tekanan, jadi saya menggunakannya untuk membawa daya untuk senapan elektron ke dalam ruang SEM.

Saya mengebor dan mengetuk serangkaian lubang di pelat dasar untuk menahan busi, dan menambahkan kelenjar cincin-O. Saya juga membuat beberapa koneksi pass-through tegangan rendah untuk sirkuit lain menggunakan sekrup kepala lebar disegel ke piring dengan mesin cuci Buna-N (nitril). Dan untuk memungkinkan pengguna memindahkan panggung kecil untuk menemukan spesimen di bawah berkas elektron, saya menambahkan segel poros pegas teflon yang mentransfer gerakan putar melalui pelat dasar sementara ruang di bawah vakum.

Pistol Elektron

Ada banyak cara menghasilkan elektron untuk mikroskop elektron, tetapi cara termudah adalah memanaskan sepotong kawat. Ini dikenal dengan nama emisi termionik, dan filamen ini digunakan dalam tabung vakum dan tabung sinar katoda; mereka membuat cahaya oranye di bagian belakang TV dan radio tua. Dari eBay saya membeli satu set filamen tungsten dengan pemegang isolator keramik yang awalnya dibuat untuk digunakan dalam SEM komersial.

Saya menghubungkan filamen ke catu daya tegangan rendah yang saya buat dari transformator variabel Variac, transformator isolasi, penyearah jembatan, dan kapasitor penghalus. Saya awalnya menyuplai AC tegangan rendah ke filamen, tetapi itu menghasilkan masalah kualitas gambar, jadi saya merancang catu daya DC yang tidak diatur tetapi dihaluskan.

Setelah filamen menyala, ia memancarkan banyak elektron ke segala arah. Untuk memotivasi mereka ke satu arah, Anda perlu menerapkan tegangan tinggi pada potongan logam yang diatur secara strategis di sekitar filamen. Seluruh rakitan disebut sebagai senjata elektron, dan ketika tegangan yang diberikan adalah 10kV, pistol saya menembakkan elektron dalam arus sekitar 2% dari kecepatan cahaya (6.000.000 meter / detik). Untuk memasok tegangan ini, saya menggunakan pasokan tegangan tinggi yang diatur yang saya beli pada penjualan berlebih, dan saya dapat menyesuaikan tegangan untuk menyempurnakan kecepatan elektron.

Fokuskan Balok

Sinar dari senjata elektron sempit, tetapi tidak cukup baik untuk mikroskop elektron yang berguna. Untuk memfokuskan sinar, SEM perlu menjalankannya melalui lubang yang dikendalikan optik optik dan medan listrik atau medan magnet yang menekuk dan membentuk sesuatu seperti cara lensa kaca menekuk jalur foton.

Sebagian besar SEM komersial menggunakan medan magnet untuk memfokuskan sinar karena daya lentur dan persyaratan tegangan yang lebih rendah, tetapi saya menggunakan medan listrik, karena mereka tidak memerlukan potongan tiang besi presisi yang dikustomisasi dengan mesin. Saya menggunakan pipa tembaga dan isolator teflon untuk membuat 2 lensa elektrostatik, yang panjangnya tidak lebih dari 3 pipa konduktif, diisolasi satu sama lain dan disusun sejajar. Ketika elektron melewati pipa bermuatan, lintasan mereka dipengaruhi oleh polaritas dan besarnya tegangan yang diterapkan untuk masing-masing. Dengan tegangan dan geometri yang benar, berkas elektron akan fokus ke titik yang sempit pada spesimen.

Pindai Sampel

Dalam SEM pertama, proses pemindaian sampel dan menampilkan gambar saling terkait. Balok pindai diarahkan ke sampel dalam sinkronisasi dengan pola raster yang dilacak oleh balok CRT di atas fosfor layar, dan detektor emisi mikroskop digunakan untuk menggerakkan intensitas sinar di CRT.

Saya mengambil pendekatan yang sama ini karena kesederhanaannya; untuk mengambil gambar Saat ini saya mengarahkan kamera ke layar. Tetapi untuk versi SEM saya berikutnya, saya menerapkan sistem penyimpanan gambar digital yang akan merekam emisi permukaan sampel (kecerahan gambar) piksel demi piksel.

Untuk melakukan pemindaian dan tampilan yang disinkronkan, saya membeli 2 osiloskop analog yang identik (eBay lagi) dan mengambil salah satunya. Osiloskop analog menggunakan pasangan pelat logam yang bermuatan berlawanan untuk membelokkan berkas elektron dalam CRT mereka, dengan ukuran pelat, jarak, dan tegangan yang diberikan menentukan jumlah defleksi. Jadi saya melepas CRT dari ruang lingkup yang dibongkar dan mengalihkan kabel yang menggerakkan sumbu x dan defleksi sumbu y ke pelat yang lebih kecil yang dipasang di kolom SEM.

Untuk membuat pola pemindaian horizontal dan vertikal, saya membuat generator raster sederhana yang mirip dengan apa yang ada di dalam TV, tetapi dibuat dari 555 chip timer. Saya memasukkan outputnya ke dalam ruang lingkup yang diretas, untuk mengarahkan berkas SEM, dan ruang lingkup yang utuh diatur ke mode x-y, untuk menggerakkan layar.

Ambil Sinyal

Untuk menghasilkan sinyalnya, SEM mendeteksi jumlah elektron yang dipancarkan dari permukaan spesimen ketika berkas elektron menabraknya. Tetapi jumlahnya relatif kecil dalam kisaran kecil, jadi perlu diperkuat.

Untuk mencapai hal ini, elektron tertarik ke arah layar fosfor yang mengubahnya menjadi kilatan cahaya. Kilatan cahaya kemudian dikonversi kembali menjadi sinyal-sinyal listrik dan diperkuat oleh tabung photomultiplier, yang terdiri dari fotocathode yang menghasilkan elektron ketika ditabrak oleh foton, dan serangkaian 12 dinode yang menghasilkan longsoran elektron sekitar 106 lebih besar jumlahnya daripada tandan pertama. Detektor diposisikan di satu sisi panggung. Ini memiliki panduan cahaya melengkung sehingga layar fosfor menghadap sampel dan photomultiplier berjalan secara vertikal.

Sinyal dari tabung multiplier kemudian dimasukkan ke dalam sumbu z atau input blanking pada osiloskop utuh. Pada kecepatan pemindaian yang cukup cepat, osiloskop kemudian akan menampilkan gambar dari SEM pada kecepatan video langsung.

Hasil

Sejauh ini, saya baru saja menggunakan SEM untuk gambar objek konduktif (Gambar F), karena objek nonkonduktif harus dilapisi dengan lapisan logam yang sangat tipis sebelum dicitrakan, dilakukan di ruang sputtering. Saya mungkin akhirnya membangun satu dari catu daya dan ruang vakum.

Sampel biologis harus dikeringkan dengan cara khusus sehingga sampel tidak kehilangan strukturnya ketika air menguap. Anda dapat berulang kali merendam sampel dalam alkohol hingga alkohol menggantikan air internal sampel hampir seluruhnya. Kemudian sampel ditempatkan di ruang dan direndam dalam CO2 cair sekitar 700psi. Akhirnya, CO2 dipanaskan di bawah tekanan sampai menjadi superkritis, suatu cairan tanpa tegangan permukaan. Saya telah membangun ruang pengering superkritis dan menggunakannya untuk membuat aerogel buatan sendiri.

Sementara itu, saya juga sedang mengembangkan sistem detektor yang menggunakan pengali elektron alih-alih photomultiplier, untuk kesederhanaan yang lebih besar, kemurnian jalur sinyal, dan untuk memungkinkan SEM beroperasi tanpa pelindung cahaya (saya menggunakan plastik hitam tebal) yang menutupi bel botol, sehingga meningkatkan rasio sinyal-noise.



Anda Mungkin Tertarik

Pembuat Spotlight: Elizabeth Kruger

Pembuat Spotlight: Elizabeth Kruger


Membuat Sel Surya Anda Sendiri dari Donat Bubuk?

Membuat Sel Surya Anda Sendiri dari Donat Bubuk?


Dapatkan Raspberry Pi dan Perjalanan ke Vegas dengan Z-Wave Smart Home Maker Challenge

Dapatkan Raspberry Pi dan Perjalanan ke Vegas dengan Z-Wave Smart Home Maker Challenge


Isi Weekend New York Maker Faire Anda dengan Acara yang Lebih Luar Biasa

Isi Weekend New York Maker Faire Anda dengan Acara yang Lebih Luar Biasa






Recent Posts