Растровый электронный микроскоп своими руками
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 19.09.2024
Мы начинаем публиковать блог предпринимателя, специалиста в области информационных технологий и по совместительству конструктора-любителя Алексея Брагина, в котором рассказывается о необычном опыте — вот уже год как автор блога занят восстановлением сложного научного оборудования — сканирующего электронного микроскопа — практически в домашних условиях. Читайте о том, с какими инженерно-техническими и научными задачами пришлось столкнуться Алексею и как он с ними справился.
Позвонил мне как-то друг и говорит: нашел интересную штуку, надо привезти к тебе, правда, весит полтонны. Так у меня в гараже появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Ее давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.
Раз основная часть оборудования сохранилась, возник вопрос: нельзя ли спасти микроскоп целиком, то есть восстановить и привести его в рабочее состояние? Причем прямо в гараже, собственными руками, с помощью лишь базовых инженерно-технических знаний и подручных средств? Правда, прежде я никогда не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться, и не представлял, как оно работает. Но интересно ведь не просто запустить старую железяку в рабочее состояние — интересно во всем самостоятельно разобраться и проверить, возможно ли, используя научный метод, освоить совершенно новые области. Так я стал восстанавливать электронный микроскоп в гараже.
В этом блоге я буду рассказывать вам о том, что мне уже удалось сделать и что еще предстоит. Попутно я познакомлю вас с принципами функционирования электронных микроскопов и их основных узлов, а также расскажу о множестве технических препятствий, которые пришлось преодолеть по ходу работы. Итак, приступим.
Начнем по порядку. Сегодня я расскажу о принципах работы электронных микроскопов. Они бывают двух типов:
Просвечивающий электронный микроскоп
ПЭМ очень похож на обычный оптический микроскоп, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), а электронами. Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому можно получить существенно большее разрешение.
Фокусировка электронного луча и управление им осуществляются с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия тут совершенно иная. Она, кстати, добавляет еще и новых искажений (вызванных закручиванием 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, особенно при работе в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его необходимо разрезать вдоль хотя бы на 50 слоев. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же ПЭМ, за редким исключением, достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображенный ниже, вроде бы и не такой большой (хотя он выше человеческого роста и имеет цельную чугунную станину), но к нему еще прилагается блок питания размером с большой шкаф — итого необходима почти целая комната.
Сначала несколько недель ушло на изучение принципа действия СЭМ, физических процессов, которые лежат в основе его работы. Следующим шагом был подбор недорогих компонентов на eBay. Сделав запас необходимых компонентов, Бен приступил к работе. Электронную пушку он сделал из тонкой вольфрамовой проволоки. В результате термоэлектронной эмиссии (накаливание электрическим током и последующее испускание электронов) она испускала пучок электронов, которые через тонкую медную трубку устремлялись навстречу образцу. Поначалу сфокусировать пучок не получалось, однако перемещая магнит вокруг стеклянной камеры, в которую Бен поместил микроскоп, удалось добиться более или менее хорошей фокусировки пучка. Картинки, которые изобретатель получил на своем микроскопе, имеют увеличение в 50 раз, что в общем то очень далеко от 1000-кратного увеличения коммерческих СЭМов. Правда эксперты считают, что это ничуть не умаляет значимость эксперимента.
Как это работает
Время: 100 часов
Стоимость: 1 500 у.е.
Дисплей
Сканирующий электронный микроскоп называется так потому, что он сканирует поверхность образца электронным лучом, по сути получая "видеокартинку" стационарного (недвижимого) образца. В современных СЭМах обработка полученных данных и формирование изображения осуществляется на компьютере. Бен Краснов для визуализации всего происходящего использовал старый осциллограф - прибор для регистрации амплитуд электрических сигналов. Пучок электронов, испускаемый вольфрамовым эмиттером, выбивал с поверхности материала вторичные электроны, которые попадали на детектор. Сигнал на детекторе зависит от топографии исследуемого образца. С детектора сигнал поступал в осциллограф, который уже формировал картинку (рис.2). Скорость сканирования поверхности была небольшой, при этом чем быстрее перемещался луч, тем было хуже качество картинки и тем меньше было разрешение. В дальнейшем для обработки изображений Бен планирует использовать компьютер.
Вакуумное охлаждение
Необходимо, чтобы в процессе работы пучок электронов оставался достаточно тонким и не расходился. Во избежание любого постороннего воздействия, Краснов поместил микроскоп под большой стеклянный купол, при этом выкачав воздух. Для создания вакуума Бен использовал два насоса. Один из них все время перегревался и Бен снабдил его системой охлаждения. Охлаждающая жидкость циркулировала вокруг перегревающегося насоса, забирая излишки тепла, при этом охлаждаясь обыкновенным оконным кондиционером. Бен Краснов - эстет, поэтому и осциллограф, и блоки питания выглядят так, как будто они только что вернулись из космической миссии 60-х годов.
Это оптическое оборудование знают, наверное, все еще со школьных уроков. Посмотрев в объектив микроскопа, можно было увидеть бактерии, клетки, различные микрочастицы, которые везде нас окружают. Через систему стекол они представали в виде моделей, являясь решетками, мембранами, причудливыми моделями, нервными сплетениями и кровеносными сосудами. Эти невероятно захватывающие наблюдения наглядно показывали, насколько наш мир сложен и красив.
Сегодня все чаще используются цифровые микроскопы, по причине их удобства и эффективности. Теперь не обязательно всматриваться в объектив, когда можно просто взглянуть на монитор и увидеть широкую картинку с увеличенным рассматриваемым объектом. И что самое интересное – такой цифровой аппарат можно вполне реально собрать самостоятельно.
Микроскоп из фотоаппарата своими руками
Это едва ли не самый простой и доступный способ – для этого нужен минимальный набор материалов. Это фотокамера, которая имеет объектив 400 мм, 17 мм. При этом камеру мы не разбираем, все остается в работе.
Для того, чтобы сделать микроскоп, следуем инструкции:
• сначала нужно соединить объектив 400 мм и 17 мм;
• поднести к линзе фонарик, включить;
• на стекло нанести то, что мы собираемся разглядывать.
Как сделать микроскоп
После настройки фокуса, увеличенный на экране предмет исследования нужно сфотографировать. Такой самодельный микроскоп позволяет делать четкие фотографии, с ним можно разглядывать увеличенный волос, чешую луковицы. Такой вариант отлично подходит для развлечений и знакомства детей с микромиром.
Микроскоп из веб камеры своими руками
Подробное описание – как сделать USB-микроскоп, используя веб-камеру. Для этого подойдет самая простая, старая модель, но лучше взять поновее, чтобы получить более высокое качество изображения.
Также нужно подготовить оптику от прицела детского оружия или похожей игрушки, трубку для втулки и прочие мелкие предметы. В качестве элементов подсветки будут применены LED-светодиоды – они получены после разборки матрицы старого ноутбука.
Поэтапная инструкция изготовления микроскопа из web-камеры.
1) Подготовительные работы. Камеру нужно разобрать, оставив пиксельную матрицу. Оптику – снять, и на это место зафиксировать бронзовую втулку. Ее размер должен соответствовать размеру новой оптики, можно взять трубку и выточить с помощью токарного станка.
Как сделать микроскоп
2) Новая оптика от прицела закрепляется в полученной втулке. Для этого нужно просверлить два отверстия приблизительно по 1,5 мм, и сразу сделать на них резьбу.
3) Дальше нужно воткнуть болтики – они должны проходить по резьбе и совпадать по размеру. Во время вкручивания обеспечивается регулировка фокусирования. Чтобы было удобнее крутить, на болтики можно нацепить шарики.
4) Подсветка – здесь следует использовать стеклотекстолит, рекомендуется двухсторонний. Потом необходимо сделать кольцо соответствующего размера.
6) Установка подсветки. Фиксация производится за счет гайки с резьбой, с размером, равным внутренней стороне выполненного кольца. Припаиваем.
7) Обеспечение питания. От провода, соединяющего бывшую камеру с компьютером, нужно вывести пару проводов +5 V и -5 V. Теперь у нас есть готовая оптическая часть.
Результат – самодельный микроскоп с минимальными затратами!
Микроскоп х1000 своими руками: видео
Микроскоп нужен не только для изучения окружающего мира и предметов, хотя это так интересно! Иногда это просто необходимая вещь, которая облегчит ремонт аппаратуры, поможет сделать аккуратные спайки, не ошибиться с креплением миниатюрных деталей и их точным местом. Но необязательно приобретать дорогостоящий агрегат. Есть прекрасные альтернативы. Из чего можно сделать микроскоп в домашних условиях?
Краткое содержимое статьи:
Микроскоп из фотоаппарата
Один из самых простых и доступных способов, но при наличии всего необходимого. Понадобится фотоаппарат с объективом 400 мм, 17 мм. Ничего разбирать и вынимать не нужно, камера останется рабочей.
- Соединяем объектив 400 мм и 17 мм.
- Подносим к линзе фонарик, включаем.
- На стекло наносим препарат, вещество или другой микропредмет изучения.
Фокусируем, фотографируем исследуемый предмет в увеличенном состоянии. Фото с такого самодельного микроскопа получается достаточно четким, прибор может увеличить волос или шерсть, чешуйку лука. Больше подходит для развлечения.
Микроскоп из мобильного телефона
Второй упрощенный способ изготовления альтернативного микроскопа. Нужен любой телефон с камерой, лучше без автоматического фокуса. Дополнительно понадобится линза от маленькой лазерной указки. Она обычно небольшая, редко превышает 6 мм. Важно не поцарапать.
Фиксируем изъятую линзу на глазке фотокамеры выпуклой стороной наружу. Прижимаем пинцетом, расправляем, можно по краям сделать оправу из кусочка фольги. Она удержит маленькое стеклышко. Наводим камеру с линзой на предмет, смотрим на экран телефона. Можно просто наблюдать или сделать электронный снимок.
Если на данный момент нет под рукой лазерной указки, то таким же способом можно использовать прицел от детской игрушки с лазерным лучом, нужно само стеклышко.
Микроскоп из веб-камеры
Подробная инструкция изготовления USB-микроскопа из веб-камеры. Можно использовать самую простую и старую модель, но это будет влиять на качество изображения.
Дополнительно нужна оптика из прицела от детского оружия или другой подобной игрушки, трубка для втулки и другие подручные мелочи. Для подсветки будут использоваться LED-светодиоды, вынутые из старой матрицы ноутбука.
- Подготовка. Разбираем камеру, оставляем пиксельную матрицу. Оптику снимаем. Вместо нее на этом месте фиксируем бронзовую втулку. Она должна совпадать по размеру с новой оптикой, можно выточить из трубки на токарном станке.
- Новую оптику от прицела нужно закрепить в изготовленной втулке. Для этого просверливаем два отверстия примерно по 1,5мм, сразу же делаем на них резьбу.
- Втыкаем болтики, которые должны пойти по резьбе и совпасть размером. Благодаря вкручиванию можно будет регулировать расстояние фокуса. Для удобства на болтики можно надеть бусинки или шарики.
- Подсветка. Используем стеклотекстолит. Лучше брать двухсторонний. Делаем кольцо подходящего размера.
- Для светодиодов и резисторов нужно вырезать небольшие дорожки. Спаиваем.
- Устанавливаем подсветку. Для фиксации нужна гайка с резьбой, размер равен внутренней стороне изготовленного кольца. Припаять.
- Обеспечиваем питание. Для этого из провода, который будет соединять бывшую камеру и компьютер, выводим два провода +5V и -5V. После чего оптическую часть можно считать готовой.
Можно поступить более простым способом и изготовить автономную подсветку из газовой зажигалки с фонариком. Но, когда это все работает от разных источников, получается загроможденная конструкция.
Для усовершенствования домашнего микроскопа можно соорудить подвижной механизм. Для него отлично подойдет старый флопповод. Это когда-то используемое устройство для дискет. Его нужно разобрать, вынуть устройство, которое двигало считывающую головку.
По желанию делаем специальный рабочий столик из пластика, оргстекла или другого подручного материала. Нелишним будет штатив с креплением, который облегчит использование самодельного прибора. Здесь можно включить фантазию.
Встречаются и другие инструкции, схемы, как сделать микроскоп. Но чаще всего в основе вышеперечисленные способы. Они могут лишь незначительно отличаться, в зависимости от наличия или отсутствия ключевых деталей. Но, голь на выдумки хитра, всегда можно придумать что-то свое и блеснуть оригинальностью.
Дети всегда мечтают, как минимум, о двух недоступных вещах: взглянуть в далекие миры и увидеть близкую и также невидимую жизнь. В первом случае речь идет о наблюдении за звездным миром через телескоп, а в другом – за жизнью через микроскоп.
Как поживает инфузория туфелька?
Ниже мы детально расскажем дотошным ребятишкам о том, как сделать микроскоп своими руками в домашних условиях. Он, возможно, позволит им рассмотреть не только инфузорию туфельку. Это одноклеточный живой организм, который впервые они увидели в школе через настоящий микроскоп.
Микроскоп своими руками из линз — очень сложное технически оптическое устройство, на фото не все видно снаружи, основное кроется в корпусе.
В домашних условиях достичь качества изображения возможно, если линзы будут изготовлены профессионально.
Тогда увеличение вещи в несколько раз вполне достижимо. Мы представим схему конструкции, вполне неплохой самоделки, разработанной Л. Померанцевым.
Что необходимо для работы?
Купить в магазине оптики пару линз на десять диоптрий с плюсом. Приобретайте их небольшого диаметра, около двух сантиметров.
Забегая наперед, скажем, что одна линза будет установлена в окуляре, то есть там, где будет с ней соприкасаться глаз, другая — для объектива.
Диоптрии (Д) — это сила оптики, обратная фокусу (расстоянию). Одна единица равна метровому фокусу, две – полуметру. Поэтому десять Д – это всего 10 см. От них и будем конструировать.
Пошаговая методика сбора микроскопа
Подберите готовый или соберите сами цилиндр указанной длины и под окружности подобранных линз. Разделите его на 2 одинаковые части. В них укрепите диоптрийные стекла.
Внутренности закрасьте чёрной гуашью. Линзы в полутубусах приклейте картонными вставками-кольцами. Затем изготовьте ещё одну трубку – будущий тубус – с диаметром, чтобы две половинки с оптикой вошли в него плотно одна над другой. Внутри также окрасьте чёрным.
Теперь работа с деревом
Начертите циркулем на пятимиллиметровой фанере пару окружностей – одна диаметром 20 см, внутри нее другая – 12. Наружный и внутренний диаметры аккуратно выпилите лобзиком. Разрежьте на два полукруга.
Чтобы понять, что будете делать дальше, рассмотрите монтажную схему на сайте. Так как сделать штатив для микроскопа и все вместе непросто.
Как ни странно, но на этом креплении работа застопорится на какое-то время. Ведь стопор необходим не только для прочного удержания тубуса, но и для его передвижения. Поэтому намертво закреплять не нужно. На заводе легко выходят из такого технического положения.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
Как же лучше сделать стопор дома?
На винт с двух стороны приклейте рычаги для вращения, подойдут половинки от деревянной катушки для ниток. Оно будет и прочным, и удобным для управления тубусом. Резинка будет медленно двигать его в обе стороны.
Можно обойтись без этой сложной работы. Тубус закрепляется плотно, а наводить фокус будете передвижением линз.
Под столиком поместите прочно диафрагму – круг с дырочками от 2 до 10 мм, Она должна вращаться, а отверстия совмещаться с отверстием столика. Она будет настраивать световой пучок. Под ней находится зеркальце 5х4 см, предусмотрите при его креплении способ изменять наклон. Так получится подсветка микроскопа своими руками.
Всё собранное укрепите на основной подставке. Она также из доски толщиной не менее 20-25 миллиметров любого дерева, желательно твердых пород, чтобы от влажности комнаты не растрескивалась.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
Микроскоп настраиваете вращением зеркала, винтом тубуса и линзами в нем. Увеличение гарантировано в сотню раз, а то и значительнее. Сделайте фото микроскопа, изготовленного своими.
Следующим вашим шагом будет электронный микроскоп своими руками. Ведь все больше подобных исследований ведется по цифровым технологиям. И его собрать не сложнее обычного. Но это тема другой статьи.
Фото микроскопа своими руками
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!
Читайте также: