Электронный микроскоп в гараже / Хабр

Позвонил мне как-то друг и говорит: нашёл интересную штуку, нужно привезти к тебе, весит полтонны. Так у меня появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Её давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.

До этого момента я не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться и представлять, как оно работает. Чтобы восстановить этот микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране» потребуется:

• Понять основы работы электронных микроскопов
• Разобраться в том, что такое вакуум, какой он бывает
• Как измеряют вакуум, как его получают
• Как работают высоковакуумные насосы
• Минимально разобраться в химии (какие растворители использовать для очистки вакуумной камеры, какое масло использовать для смазки вакуумных деталей)
• Освоить металлообработку (токарные и фрезерные работы) для изготовления всевозможных переходников и инструментов
• Разобраться с микроконтроллерами, схемотехникой их подключения

Имея на вооружении научный метод я попробую освоить совершенно новые области, которыми никогда не занимался ранее. Приглашаю сделать это вместе со мной.

Восстановление микроскопа после как минимум десятка лет — под катом.

DISCLAIMER: Помните, безопасность превыше всего! Я не несу никакой ответственности за то, что вы случайно нанесёте вред своему здоровью или создадите чёрную дыру, используя знания из этой статьи

Интересно не просто запустить старую железяку в рабочее состояние, но и проверить, возможно ли используя научный метод освоить совершенно новые области.

Поэтому прежде, чем что-то делать, всегда полезно понять, как оно работает.

Принципы работы электронных микроскопов

Есть два типа электронных микроскопов:

• просвечивающий (TEM или ПЭМ)
• сканирующий (SEM или РЭМ от «растровый»)

Просвечивающий электронный микроскоп

ПЭМ очень похож на обычный оптический, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), как в оптическом микроскопе, а электронами.

Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому можно получить существенно большее разрешение.

Фокусировка и управление электронным лучом осуществляется с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия совершенно иная. Она, кстати, добавляет ещё и новых искажений (закручивание электронов в линзе вдоль оси электронного пучка, чего не происходит с фотонами в оптическом микроскопе).

У ПЭМ есть недостатки: исследуемые образцы должны быть очень тонкие, тоньше 1 микрона, что не всегда удобно в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его нужно разрезать вдоль хотя бы на 50 слоёв. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же, ПЭМ за редким исключением достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображённый ниже, вроде бы и не такой большой (хотя выше человеческого роста, и имеет цельную чугунную станину), но к нему идёт ещё блок питания размером с большой шкаф, итого занимая целую комнату.

Но разрешение ПЭМ — наивысшее. С помощью него (если сильно постараться) можно увидеть отдельные атомы вещества. (Фото отсюда).

Особо полезно такое разрешение для идентификации возбудителя вирусного заболевания. Вся вирусная аналитика 20 века была построена на базе ПЭМ, и только с появлением более дешёвых методов диагностики популярных вирусов (напр. ПЦР), рутинное использование ПЭМов для этой цели уже не встречается.

Например, вот как выглядит грипп h2N1 «на просвет»: (фото отсюда)

Сканирующий электронный микроскоп

SEM применяется в основном для исследования поверхности образцов с очень высоким разрешением (увеличение в миллион крат, против 2 тысяч у оптических). А это уже гораздо полезнее в хозяйстве 🙂

К примеру, кто-то смотрит на новую зубную щётку:

В сканирующем микроскопе узко сфокусированный электронный луч «сканирует» поверхность образца точка-за-точкой, а всевозможные датчики улавливают то, что вылетает из образца после ударов электронами.

Вылетать могут:

— электроны с различными энергиями
— оптическое излучение видимого, инфракрасного, ультрафиолеотового диапазонов
— рентгеновское излучение
— неведомая хрень

Принцип работы сканирующего электронного микроскопа немного похож на работу электронно-лучевой трубки телевизора (в которой есть и глубокий вакуум, и электронная пушка, и система фокусирующих и отклоняющих линз). Вот, кстати, как он работает при съёмке 1000 кадр/с:

То же самое должно происходить и в электронно-оптической колонне микроскопа, только облучается образец, а не люминофор экрана, и изображение формируется на основе информации с датчиков (вторичных электронов, упруго-отражённых электронов, и прочих).

И кинескоп телевизора, и электронно-оптическая колонна микроскопа работают только под вакуумом.

Вдохновившись картинками, приступаем к работе.

Электронно-оптическая колонна

Электронно-оптическая колонна микроскопа — это вакуумная камера, в которой расположены:

• электронная пушка, испускающая электронный луч
• система электромагнитных линз, фокусирующих, сдвигающих, раскручивающих и перемещающих луч
• держатель для образца, с возможностью его перемещения и наклона по разным осям
• детекторы излучения различной природы — электронов, рентгеновского, светового диапазонов
• порты для подключения дополнительных устройств
• система управления вакуумом

Электронная пушка (со снятым цилиндром Венельта):

Управляемый предметный столик (расположен внутри колонны, доступ к нему через специальный шлюз, снаружи его расположение можно узнать по обилию ручек для перемещения и наклона)

I.

Разборка, очистка, покраска

Самое первое, что захотелось сделать — это всё основательно отмыть и покрасить поржавевшие детали. Защитные кожухи сверху и сбоку были сняты, под ними оказалось ещё больше пыли, а сталь успела местами соржаветь от действия влаги и воздуха. Хорошо, что сама колонна сделана из нержавейки и так легко не окисляется.

Вакуумная часть (под колонной) в процессе разборки выглядела как-то так:

Снимаем снизу всю вакуумную арматуру, остатки блока управления вакуумом, диффузионный насос, зачищаем и красим дно полуматовой чёрной краской, чтобы было красиво. Сверху снимаем защитные кожухи, видим тридцатилетнюю пыль, всё моем, шкурим и красим. Вот было/стало для сравнения:

Разобравшись с железяками я разблокировал антивибрационную пружинную подвеску колонны и попробовал вывесить колонну в рабочее положение (двухсантиметровый стальной лист и несколько утяжелителей обеспечивают солидность покачивания).

Все части проекта:

• 2. «Про вакуум» — что это такое, как его получают и измеряют
• 3. Оборудуем гараж станками для обработки металла
• 4. Откачаем колонну до форвакуума
• 5. Восстанавливаем диффузионный насос и получаем высокий вакуум
• 6. Ставим катод и готовим колонну к запуску
• 7. Разбираемся с высоковольтным блоком
• 8. Разгоняем электроны
• 9. Захват изображения
• 10. Детекторы вторичных электронов,
  история их разработки

А также смотрите видео на моём канале.

Жду ваших комментариев и вопросов, до встречи в следующих сериях!

Самодельный ЮСБ-микроскоп за 30 минут

Предлагаем создать в домашних условиях электронный ЮСБ-микроскоп среднего разрешения для подключения к компьютеру по USB кабелю. Возможно, у вас уже есть необходимые детали для выполнения этого проекта, иначе вам придется их купить.

Необходимые детали для сборки своими руками самодельного микроскопа:

• Один карманный микроскоп.
• Один белый светодиод.
• Одна веб-камера для ноутбука (с объективом ZEISS).
• Провод сечением 0,05 мм2.
• Термоусадочная трубка или изоляционная лента.
• Клеевой пистолет (или любой другой подходящий клей).

Шаг 1: Модифицируем устройство

Карманный микроскоп имеет встроенную лампу накаливания для подсветки, которая питается от двух батарей AAA 1,5 В. Выньте лампу и батарейки из корпуса и установите один белый светодиод, протянув от него провода внутри корпуса наверх микроскопа.

Для изоляции контактов используйте термоусадочную трубку или изоленту.

Проверьте работу светодиода при помощи батарейки и пометьте, который провод является анодом, а который катодом.

На плате камеры есть маленький, но чертовски яркий оранжевый светодиод. Осторожно удалите его и подпаяйте на его место провода от белого светодиода. Светодиод находится под программным управлением, USB будет обеспечивать питание камеры и светодиода. Убедитесь, что провода не имеют натяжения.

Не жалейте термоклея для приклейки белого светодиода внутри корпуса. Расположите светодиод таким образом, чтобы он освещал то место, куда направлен объектив.

Шаг 2: Снимаем пластиковый корпус с камеры

Можете не снимать корпус, но лучше его все же удалить.

Под блестящим логотипом на корпусе имеется один-единственный фиксирующий винтик.

Шаг 3: Производим сборку

Соберите корпус.

Удалите маленькое резиновое кольцо из окуляра и вставьте камеру в окуляр.

Нанесите немного клея вокруг соединения линзы камеры и окуляра микроскопа.

Шаг 4: Делаем основание

Готовый USB-микроскоп достаточно легкий, поэтому его нужно закрепить в вертикальном положении. Приклейте парочку неодимовых магнитов снизу микроскопа. Затем изготовьте деревянное основание с приклеенной к нему металлической пластиной небольшого размера.

Идея заключается в том, что примагниченный к металлической пластине микроскоп, может свободно скользить по ней при передвижении его рукой и остается неподвижным, если к нему не притрагиваться.

Шаг 5: Делаем микрофотографии

Выше представлено несколько фотографий, сделанных при помощи этого микроскопа. Вы можете видеть, как микроскоп увеличивает различные предметы.

Посмотрите, как при увеличении выглядит часть ядра памяти от старого компьютера CDC-6600.

На левом фото изображена сама плата, а на правом – крупный план тороидов и проволочной сетки, составляющих ячейки памяти.

Так как камера имеет разрешение 2-мегапикселя, она имеет довольно хорошее качество изображения. Объектив камеры ZEISS имеет электромеханический корпус и посредством программного обеспечения приспосабливается к фокусному расстоянию, которое мы с вами создали для него.

Оглавление

• Шаг 1: Модифицируем устройство
• Шаг 2: Снимаем пластиковый корпус с камеры
• Шаг 3: Производим сборку
• Шаг 4: Делаем основание
• Шаг 5: Делаем микрофотографии

Что ты построил?! Самодельный сканирующий электронный микроскоп

Бен Красноу собрал свою долю необычных приспособлений, в том числе генератор жидкого азота, сделанный из кондиционера, и «гаситель жажды», коммерческий огнетушитель, который охлаждает, насыщает углекислым газом и распределяет его самодельные пиво. Теперь, исключительно из-за того, что он хотел испытать настоящий вызов, 28-летний инженер выбрал самый сложный проект «сделай сам», который только мог себе представить: самодельный сканирующий электронный микроскоп, или СЭМ. «Я хотел посмотреть, возможно ли это, — говорит он.

Научные лаборатории будут платить более 250 000 долларов за высококачественный РЭМ, и, насколько Краснов смог найти, никто никогда не строил его, поэтому ему пришлось импровизировать. Сначала он провел несколько недель, изучая сложную физику инструмента. Затем он поискал на eBay дешевые компоненты, отсортировал в своем домашнем магазине источники питания, которые могли бы работать, а затем построил то, что не смог найти.

Типичный РЭМ выпускает тонкий поток электронов на образец, отслеживает электроны, поднятые ударом, и преобразует полученные сигналы в изображение.

Краснов сделал свою электронную пушку из тонкой вольфрамовой проволоки. Он нагревает проволоку, прикладывая к ней напряжение, которое высвобождает облака электронов. Освобожденные электроны устремляются по тонкой медной трубке к образцу.

Во время первоначальных испытаний у Краснова возникли проблемы с направлением электронного луча на образец. В конце концов он взял магнит на холодильник и переместил его вокруг стеклянной вакуумной камеры, окружающей микроскоп, чтобы отрегулировать положение луча. Когда он сфокусировал луч в нужном месте, он приклеил магнит на место.

В настоящее время микроскоп обеспечивает примерно 50-кратное увеличение, что далеко от 1000-кратного или более коммерческого РЭМ, но эксперты по микроскопам говорят, что это не уменьшает достижения. Химик Роберт Волкоу из Университета Альберты называет это «замечательным достижением». А Уильям Бити, инженер-исследователь и любитель, который также надеялся построить первый СЭМ своими руками, выразился проще: «Ой!»

Время: 100 часов
Стоимость: 1500 долларов

Дисплей

СЭМ получил свое название, потому что электронный луч сканирует поверхность образца; полученное изображение в основном представляет собой видео неподвижного объекта. Для создания этого видео Краснов купил старый осциллограф. По мере движения луча по поверхности облака электронов, испускаемых образцом, меняются, а осциллограф преобразует эти физические данные в видеоизображение. Загвоздка с осциллографом в том, что Краснов сканирует изображение за 1/15 секунды, чтобы получить изображение, а более быстрое сканирование приводит к получению изображения с более низким разрешением. Он планирует оцифровать систему и заменить осциллограф компьютером, который позволит ему медленно сканировать и увеличить увеличение микроскопа.

Вакуумное охлаждение

Чтобы сохранить тонкий пучок электронов микроскопа, Краснов должен был устранить любые помехи, поэтому он поместил все устройство в большой стеклянный колпак, который у него валялся. Он использовал два отдельных насоса для создания вакуума внутри банки. Один из двух имеет тенденцию к перегреву, поэтому аквариумный насос направляет охлаждающую жидкость двигателя мимо насоса перегрева, отводя тепло, и прогоняет жидкость через перепрофилированный кондиционер оконного блока, где она охлаждается перед повторением поездки.

Ретро стиль

Осциллограф и два блока питания выглядят так, как будто их можно было спасти из космической миссии 1960-х годов. Краснову понравилась эстетика, поэтому он поместил блоки питания в стойку такого же цвета, расположил остальные компоненты над ними, купил чистые серые лицевые панели, просверлил необходимые отверстия и установил хромированные тумблеры, красные индикаторы, ручки и датчики, которые соответствовали друг другу. стиль.

Дешевый самодельный микроскоп видит отдельные атомы

• по:
Мэтт Фройнд

Это не рендеринг художника и не симуляция физики. Это устройство, собранное вместе с MDF и рым-болтами из хозяйственного магазина и подключенное к макетной плате, делает снимки реальных атомных структур с использованием реальных измерений. Все через 80-центовый пьезоизлучатель? Безумие.

атомов золота в кристалле.

Это очевидное волшебство называется сканирующим туннельным микроскопом, использующим преимущества квантового туннелирования. Устройство подносит иглу на атомарное расстояние к измеряемому объекту (вручную), подавая небольшое напряжение (+-15 В) и останавливаясь, когда оно начинает проводить. В зависимости от расстояния между иглой и мишенью напряжение меняется и делает это достаточно точно, чтобы определить, находится ли атом под ним или нет, и насколько.

«Изображения» — это не фотографии, которые камера может сделать с помощью стандартного оптического микроскопа, однако они не являются ни догадками, ни средними значениями. Они представляют собой представления реальных физических измерений конкретных отдельных атомов, существующих на бесконечно малой исследуемой области. Он «видит», измеряя небольшие изменения напряжения. Еще одно отличие заключается в «сканировании». Зонд исследует атомы так же, как рисуют изображения ASCII — по одному пикселю за раз, пока не будет нарисован весь атом. Обратите внимание, что разрешение, как показано на рисунках, субатомное. Размеры атомов очевидны, как и расстояния между ними. В этом они ближе к гораздо более дорогой технологии сканирующего электронного микроскопа, но имеют увеличение в 10-100 раз; разрешение 0,00000000001 м или 0,00000000039″.

Сканирующая головка — пьезоразрез на квадранты

Можно было бы предположить, что работа с настоящими атомами требует точной обработки на порядок выше, чем у домашнего любителя, но нет. Любой из нас мог бы сделать это дома или в нашем хакерском пространстве почти бесплатно. По-видимому, даже заточка наконечника до одного атома, как говорит [Дэн], «не так сложно, как вы думаете!» Вы берете вольфрамовую проволоку и тянете за нее, пока режете, так что она разбивается по диагонали. Есть лучшие способы, которые он предлагает, но этот метод достаточно хорош.

Обычный пьезозуммер, который является ключом к измерению, разрезается на квадранты обычным ножом X-Acto вручную. Осторожно, потому что он хрупкий, но не более того. Есть два лучших и распространенных метода, но они стоят сотни долларов, а не 80 центов. Он должен быть тщательно приклеен, так как высокая температура пайки повредит его, но [Дэн] все равно припаял свой, потому что это было проще.

Дешевый СТМ сделал за копейки из копейки!

В сканирующей головке используются гайки и болты McMaster и немного алюминиевого лома. Вырезается не точнее, чем ножовкой и напильником, далее обрабатывается обычным сверлильным станком. Образец приклеивается к пенни, удерживаемому на месте с помощью магнита.

«Не будут ли вибрации полностью подавлять требуемую точность?» Ну, [Дэн] живет рядом и с шоссе, и с аэропортом, и все, что он делал, это подвешивал его на пружинах и куче магнитов из старых жестких дисков, чтобы сдерживать колебания. Это тот же метод, который использовался в первом СТМ, построенном в 1980-х годах и получившем Нобелевскую премию по физике. То, что выглядит как причудливые и сложные обработанные детали, представляет собой просто обрезки стали, разделенные кусочками уплотнительного кольца, чтобы поглотить некоторые вибрации.

Стальные отрезки и магниты для жестких дисков

Добавьте источник питания и другую тривиальную электронику и примените некоторую обработку изображений с помощью программного обеспечения Gwyddion с открытым исходным кодом, и вы готовы небрежно исследовать отдельные атомы.

[Дэн] не совсем бездельник, он планирует когда-нибудь использовать шаговый двигатель, чтобы довести зонд до материала с точностью до долей атома, но пока он регулирует его вручную.

Самое сложное и дорогое — найти то, что можно измерить. Тот тип графита, который использовал Дэн, стоит 20 долларов за размер игральной карты. Золото также работает, если вы можете сделать его достаточно плоским. Большинство металлов сложны, потому что им требуется бескислородная (вакуумная) среда. Большинство неметаллов вообще не будут работать, потому что они не проводят ток. И, конечно, это происходит медленно. Вы скользите по поверхности, как луч ЭЛТ в старом телевизоре, перемещая и измеряя доли атома за раз.

Этого метода достаточно для нескольких часов сканирования, пока тепловое расширение алюминия не испортит ваши результаты.

Некоторая перспектива в порядке. Полвека назад кто бы мог подумать, что просмотр фундаментальных строительных блоков химии через применение квантовой механики может быть легко доступен любому подростку с паяльником, основными ручными инструментами и скудным бюджетом?

Посетите страницу проекта [Dan] для получения диаграмм, объяснений, советов, приемов и ссылок.