بلدي المسح الإلكتروني المجهر - 💡 Fix My Ideas

بلدي المسح الإلكتروني المجهر

بلدي المسح الإلكتروني المجهر


مؤلف: Ethan Holmes, 2019

قررت تصميم وبناء مجهر مسح إلكتروني (SEM) في ورشة منزلي لمعرفة ما إذا كان ذلك ممكنًا أم لا. المفسد في حالة تأهب: هو عليه. لم أكن أنوي أصلاً إنشاء SEM يمكن مقارنته بنموذج تجاري للمبتدئين بقيمة 75000 دولار ، ولكن المشروع حقق نجاحًا أكبر مما توقعت. إنه ينتج صورًا واضحة ودقيقة ، وبعد بعض التحسينات التي أعمل عليها حاليًا ، قد يكون من العملي للهواة إنشاء SEM مناسب للبحث العلمي بأقل من 2000 دولار.

كيف SEM العمل

المجاهر الضوئية العادية تلمع الضوء المرئي على أو من خلال عينة واستخدام العدسات لإنشاء صورة مكبرة. يعمل هذا بشكل جيد للعديد من التطبيقات ، ولكن لا يمكن للضوء حل ميزات أكبر من حوالي 200 نانومتر للضوء المرئي. إنها صغيرة ، ولكنها ليست صغيرة بما يكفي للنظر في العديد من الهياكل البيولوجية والمادية المثيرة للاهتمام. يمكنك استخدام الإضاءة ذات الطول الموجي الأقصر (أي الضوء فوق البنفسجي) للحصول على دقة أفضل قليلاً ، لكن هذا يضيف الكثير من النفقات والصعوبة للتحسين الإضافي فقط.

في المقابل ، تقدم المجاهر الإلكترونية تحسناً هائلاً في الدقة. مثل الفوتونات ، للإلكترونات خواص جسيمية وشبيهة بالموجة ، لكن الطول الموجي للإلكترون سريع الحركة أقصر بكثير من طول الضوء المرئي.

يمسح SEM شعاعًا صغيرًا من الإلكترونات عبر عينة ، يتبع نمطًا نقطيًا ، ويقيس كمية الإلكترونات التي ترتد من كل نقطة وعلى كاشف قريب. على سبيل المثال ، إذا ضربت الحزمة ثقبًا في العينة ، فقد تصبح الإلكترونات محاصرة ولن تصل إلى المكشاف ، ولكن إذا ضربت الحزمة نتوءًا على السطح ، فإن العديد من الإلكترونات ستصل إلى الكاشف لأن البروز يوفر مساحة أكبر من السطح من المناطق المسطحة المحيطة.

وبهذه الطريقة ، يقوم SEM بإنشاء بيكسل للصور الخاصة به بالبكسل ، ويتم تحديد الدقة القصوى للجهاز بواسطة سمتين لحزمة الإلكترون: حجمه الموضعي ومعدل مسحه. سيؤدي حل حجم التركيز الأصغر إلى حل مزيد من التفاصيل ، كما يعمل المسح الضوئي الأبطأ على تحسين الدقة من خلال رفع نسبة الإشارة إلى الضوضاء في كل بقعة. حتى لا يتم امتصاص الإلكترونات ، يجب أن تكون العينة موصلة أو مغلفة بطبقة رقيقة من المعدن.

تتيح لك هذه الطريقة تصوير الكائنات ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع من التكبير دون تقطيعها إلى أجزاء صغيرة ، وتظهر الصور التي تنشئها كصور فوتوغرافية بالأبيض والأسود مع عمق حقل كبير. تجعل هذه الصفات الجذابة للصور SEMs شائعة جدًا لدراسة الكائنات ثلاثية الأبعاد الصغيرة ، وقد أثرت في خياري لإنشاء هذا النوع من المجهر الإلكتروني.

إنشاء فراغ

يتمثل أحد التحديات التي تواجه SEM في أن شعاع الإلكترون والعينة يجب معالجتهما داخل فراغ. إذا تم إطلاق شعاع الإلكترون عن طريق الهواء ، فإن الإلكترونات ستضرب جزيئات الغاز وتنتشر ، وتمويه وتدمير أي صورة. لكي تنتقل الإلكترونات بدون عوائق من مصدر إلى عينة ومن عينة إلى كاشف ، تحتاج إلى فراغ أقل بنحو مليون مرة من الضغط الجوي ، أو 0.00076 torr ، حيث يكون torr هو وحدة الضغط المطلوبة لدعم عمود من الزئبق ارتفاعه 1mm . الضغط الجوي حوالي 760 تور في مستوى سطح البحر.

يمكنك الوصول إلى هذه الضغوط المنخفضة بعدة طرق مختلفة ، ولكن المفضل لدي (الأقل تكلفة) هو الجمع بين مضخة دوارة ميكانيكية ومضخة نشر ، والسباكة في سلسلة. تعمل المضخة الميكانيكية على تقليل الضغط بحوالي 4 طلبات من الحجم العشري ، وتضخها مضخة الانتشار 2. أخرى بالنسبة للمضخة الدوارة ، استقرت على مضخة مكيف هواء بقيمة 150 دولارًا من Harbour Freight ، وبالنسبة لمضخة الانتشار اشتريت هواءًا مضخة 3-Varianed على موقع ئي باي مقابل 200 دولار.

تعمل مضخات الانتشار عن طريق إنشاء نفاثات عالية السرعة من بخار الزيت الساخن الذي يدفع جزيئات الهواء إلى خارج الغرفة المفرغة. داخل المضخة ، يقوم عنصر كهربائي بتسخين زيت السيليكون في بخار. بعد الانتهاء من التخلص من القطرات ، تتكثف جدران المبردات بالمضخة مرة أخرى في السائل ، الذي يتنقل إلى الأسفل ليتم غليه مرة أخرى.

قمت بتوصيل المضخة الدوارة بمضخة الانتشار باستخدام أنابيب مقوية بسلك ID ¾ -ID من McMaster-Carr ، حيث حصلت على معظم الأجهزة والمواد الخام (الشكلان A و B). يمنع سلك التعزيز الأنبوب من الانهيار تحت الفراغ. كما قمت بتضمين نقطة ربط بين المضختين وأضفت مقياس فراغ رقمي اشتريته على موقع eBay مقابل حوالي 100 دولار. يقرأ المقياس من 0.001 إلى 12 تور ، وقد تم تصنيعه لفنيي التبريد لاستخدامه مع مضخة فراغ.

لم يكن لدي غرفة فراغ تجارية ، وأردت أن يعمل المجهر داخل حاوية شفافة ، لأن الغرض الرئيسي منه هو العرض التوضيحي. لذلك استخدمت جرة جرس زجاجي وجدت على موقع eBay منذ فترة. أشارت سماكة الزجاج إلى أن الجرة قد صُممت للاستخدام الفراغي ، وليس فقط للزينة أو الغبار. بالنسبة للقاعدة ، استخدمت صفيحة ألمنيوم ذات سمك واحد ونصف. قطعت فتحة في الصفيحة لتناسب مضخة الانتشار وصنعت يربكًا مبرد بالماء لتتجه بين المضخة والصفيحة (الشكل C).

يحول الحواجز دون انتقال زيت مضخة الانتشار إلى جرة الجرس. يصبح غليان الزيت فوضويًا ، وحتى إدخال كميات صغيرة من الزيت في الأجزاء الحساسة من SEM قد يسبب العديد من المشكلات. يمكن لجزيئات الهواء أن تمر عبر ممر يربك المضرج ، لكن جزيئات الزيت الحار تتكثف على أسطحها التي يتم تبريدها بالماء وتنسحب للخلف.

لقد قمت بقص فتحة أخرى في لوحة قاعدة الألمنيوم وأضفت جهازًا إضافيًا للفراغ يسمى مقياس Penning ، واشترى أيضًا على eBay مقابل 250 دولارًا تقريبًا. يقيس هذا الجهاز الفراغ من 0.001 إلى 10-8 torr ، وسيشير إلى متى اتخذت مضخة الانتشار ضغط الغرفة لأسفل إلى النطاق اللازم لتشغيل SEM.

في المرة الأولى التي ضخت فيها الجرة ، بدأت المضخة الدوارة ، ثم خرجت من الجراج وأغلقت الباب ورائي. إذا انفجرت الجرة ، سأكون بعيدًا بما فيه الكفاية للهروب من الحطام. ولكن تحت ضغط 0.01 torr ، لا تؤثر الاختلافات في الضغط بشكل كبير على القوة اللازمة لغرفة الفراغ. هذه هي النقطة الرئيسية التي غالبا ما تخدع الناس. بمجرد إزالة 99٪ من جزيئات الهواء ، لا يتبقى سوى عدد قليل للغاية بحيث لا تمارس أي ضغط على الجدار الداخلي تقريبًا. إزالة المزيد لا يتغير كثيرًا. إذا تمكنت الحاوية من تحمل 10-1 torr ، فمن المحتمل أن تحمل بأمان 10-11.

شرارة قابس الطاقة

صممت سدادات الإشعال العادية للسيارات لتزويد الفولتية العالية المعزولة من خلال الجدران المعدنية وعبر فرق الضغط ، لذلك اعتدت عليها لإحضار مدفع الإلكترون إلى غرفة SEM.

قمت بحفر واستغلال سلسلة من الثقوب في لوحة القاعدة لأمسك شمعات الإشعال ، وأضفت غددًا على شكل حلقة. قمت أيضًا بإجراء بعض التوصيلات ذات الجهد الكهربائي المنخفض للدوائر الأخرى باستخدام مسامير ذات رأس عريض مختومة على اللوحة مع غسالات Buna-N (النتريل). ولتمكين المستخدمين من تحريك مرحلة صغيرة لتحديد موقع العينة تحت شعاع الإلكترون ، أضفت أختام عمود التفلون المحملة بنابض والتي تنقل حركة الدوران من خلال اللوحة الأساسية بينما تكون الغرفة تحت الفراغ.

بندقية الإلكترون

هناك العديد من الطرق لتوليد الإلكترونات لمجهر الإلكترون ، ولكن الأسهل هو مجرد تسخين قطعة من الأسلاك. هذا ينطبق على الاسم المثير للانبعاثات الحرارية ، وتستخدم هذه الشعيرات في الأنابيب المفرغة وأنابيب أشعة الكاثود ؛ أنها تجعل توهج البرتقال داخل الجزء الخلفي من أجهزة التلفزيون وأجهزة الراديو القديمة. من موقع eBay ، اشتريت مجموعة من خيوط التنغستن مع حوامل عازل من السيراميك كانت مصنوعة أصلاً للاستخدام في SEMs التجارية.

قمت بتوصيل الشعيرة بمصدر طاقة منخفض الجهد قمت بإنشائه من محول Variac متغير ، ومحول عزل ، ومقوم جسر ، ومكثفات تجانس. لقد قمت أصلاً بتغذية التيار المتردد بجهد منخفض في الشعيرة ، لكن ذلك أدى إلى مشاكل في جودة الصورة ، لذلك قمت بتصميم مصدر طاقة مستمر غير منظم لكن ناعم.

بمجرد أن يتوهج الشعيرة ، تنبعث منه الكثير من الإلكترونات في جميع الاتجاهات. لتحفيزهم في اتجاه واحد ، تحتاج إلى تطبيق الفولتية العالية عبر قطع معدنية مرتبة بشكل استراتيجي حول خيوط. يُطلق على المجموعة بأكملها مسدس إلكترون ، وعندما يكون الجهد المطبق 10 كيلو فولت ، يطلق مدفعي الإلكترونات في تيار بمعدل حوالي 2٪ من سرعة الضوء (6،000،000 متر / ثانية). لتزويد هذا الجهد ، أستخدم مزودًا عالي الجهد منظم تم شراؤه بسعر فائض ، ويمكنني ضبط الجهد لضبط سرعة الإلكترون.

ركز الشعاع

شعاع مدفع الإلكترون ضيق ، لكن ليس جيدًا بدرجة كافية لمجهر الإلكترون المفيد. لتركيز الشعاع ، يحتاج SEM إلى تشغيله عبر البصريات الإلكترونية - الفتحات التي يتم التحكم فيها والحقول الكهربائية أو المغناطيسية التي تنحني وتشكل الحزمة بطريقة تشبه الطريقة التي تقوم بها العدسات الزجاجية بربط مسارات الفوتونات.

تستخدم معظم SEM التجارية مجالات مغناطيسية لتركيز الحزمة بسبب قوتها في الانحناء ومتطلبات الجهد المنخفض ، لكنني استخدمت الحقول الكهربائية ، لأنها لا تتطلب قطع أعمدة حديدية دقيقة حسب الطلب. لقد استخدمت أنابيب نحاسية وعوازل تفلون لإنشاء عدسات إلكتروستاتيكية ، لا تزيد طولها عن 3 أطوال للأنابيب الموصلة ، معزولة عن بعضها البعض وترتيبها مضمنة. عندما تمر الإلكترونات عبر الأنابيب المشحونة ، يتأثر مسارها بأقطاب وحجم الجهد المطبق على كل منهما. باستخدام الجهد الصحيح والهندسة ، ستركز حزمة الإلكترونات على نقطة ضيقة في العينة.

مسح العينة

في SEMs الأولى ، تداخلت عملية مسح العينة وعرض الصورة. تم توجيه شعاع المسح فوق العينة بشكل متزامن مع نمط خطوط المسح الذي تتبعه شعاع CRT على الفسفورات ، وتم استخدام كاشف انبعاث المجهر لدفع كثافة الحزمة في CRT.

لقد اتبعت هذا النهج نفسه بسبب بساطته ؛ لالتقاط الصور ، أهدف حاليًا الكاميرا الخاصة بي على الشاشة. لكن بالنسبة للإصدار التالي من SEM الخاص بي ، فإنني أطبق نظامًا لتخزين الصور الرقمية يسجل بيكسل (سطوع الصورة) للعينة بالبكسل.

لإجراء الفحص والعرض المتزامنين ، اشتريت 2 من ذبذبات التماثل التناظرية (eBay مرة أخرى) وفصلت بينهما. تستخدم الذبذبات التناظرية أزواجاً مشحونة معاكسة من الصفائح المعدنية لتشتيت شعاع الإلكترون في أشعة القطب السالب الخاصة بها ، مع حجم اللوحة وتباعدها والجهد المطبق لتحديد مقدار الانحراف. لذلك أزلت CRT من النطاق المفكك وأعدت توجيه الأسلاك التي تحرك محورها x وانحراف المحور y إلى لوحات أصغر مثبتة في عمود SEM.

لإنشاء أنماط المسح الأفقي والرأسي ، قمت ببناء مولد بيانات نقطية بسيط يشبه ما يوجد داخل جهاز تلفزيون ، لكنني صنعت من 555 رقاقة مؤقت. لقد أدخلت مخرجاتها في كل من النطاق المخترق ، لتوجيه حزمة SEM ، والنطاق السليم المعين إلى وضع x-y ، لقيادة الشاشة.

التقاط الإشارة

لتوليد إشارة لها ، يكتشف SEM كمية الإلكترونات المنبعثة من سطح العينة عندما تصطدم بها حزمة الإلكترون. لكنه رقم صغير نسبيًا ضمن نطاق صغير ، لذلك يجب تضخيمه.

ولتحقيق ذلك ، تنجذب الإلكترونات نحو شاشة الفسفور التي تحولها إلى ومضات من الضوء. ثم يتم تحويل ومضات الضوء مرة أخرى إلى إشارات كهربائية وتضخيمها بواسطة أنبوب المضاعف الضوئي ، الذي يتكون من الكاثود الضوئي الذي ينتج الإلكترونات عندما تصطدم بها الفوتونات ، وسلسلة من 12 ديناميات يولد سيل من الإلكترونات حوالي 106 أكبر في العدد حفنة الأولى. يتم وضع الكاشف على جانب واحد من المرحلة. إنه يحتوي على دليل ضوء منحني بحيث تواجه شاشة الفوسفور العينة ويتم تشغيل المضاعف الضوئي عموديًا.

ثم يتم تغذية الإشارة من الأنبوب المضاعف في المحور Z أو إدخال الطمس على الذبذبات السليمة. بمعدلات مسح سريعة إلى حد ما ، سيعرض مرسمة الذبذبة صورة من SEM بمعدلات فيديو حية.

النتائج

حتى الآن ، لقد استخدمت للتو SEM لتصوير الأجسام الموصلة (الشكل F) ، حيث يجب طلاء الأجسام غير الموصلة بطبقة رقيقة من المعدن تتلاشى قبل أن يتم التصوير ، ويتم ذلك في غرفة متدلية. قد ينتهي بي الأمر ببناء واحدة من وحدة تزويد الطاقة والفراغ.

يجب تجفيف العينات البيولوجية بوسائل خاصة حتى لا تفقد تركيبتها حيث يتبخر الماء. يمكنك نقع العينة مرارًا وتكرارًا في الكحول حتى يحل الكحول محل المياه الداخلية للعينة بالكامل تقريبًا. ثم توضع العينة في غرفة وتغمر في ثاني أكسيد الكربون السائل في حوالي 700psi. أخيرًا ، يتم تسخين ثاني أكسيد الكربون تحت الضغط حتى يصبح فوق الحرج ، سائل بدون توتر سطحي. لقد قمت ببناء غرفة تجفيف فوق الحرجة واستخدمتها في صنع airgel محلي الصنع.

وفي الوقت نفسه ، أقوم أيضًا بتطوير نظام كاشف يستخدم مُضاعِفًا إلكترونيًا بدلاً من مُضاعِف ضوئي ، لمزيد من البساطة ، ونقاء مسار الإشارة ، وللسماح لـ SEM بالعمل دون درع ضوئي (أستخدم البلاستيك الأسود الثقيل) الذي يغطي جرة الجرس ، وبالتالي تحسين نسبة إشارة الضوضاء.



قد تكون مهتمة

تفاصيل من المؤتمر الصحفي MakerBot / Stratasys

تفاصيل من المؤتمر الصحفي MakerBot / Stratasys


أصول MakerBot: سيتم بث الثورة

أصول MakerBot: سيتم بث الثورة


MakerBot / Stratasys Merger: ما رأيك؟

MakerBot / Stratasys Merger: ما رأيك؟


ردود الفعل على MakerBot - ستراتاسيس صفقة

ردود الفعل على MakerBot - ستراتاسيس صفقة