Hallo,
in einem "Jugend Forscht" Projekt wollen wir am Schülerforschungszentrum ein Mikro-Funkenspektrometer bauen.
Hierbei wird eine feine Wolframspitze mit einem Mikromanipulator unter dem Mikroskopobjektiv auf der Probenoberfläche
positioniert und mit einem kurzen Spannungsimpuls ein Mikrofunke gezündet. Das optische Emissionslicht wird über das Objektiv gesammelt und über einen Lichtleiter einem Spektrometer zugeführt, und so die chemische Elementzusammensetzung der Probenstelle
analysiert.
Das Mikro-Funkenspektrometer funktioniert im Prinzip auch schon, nun wollen wir aber auch den Mikrofunken abbildungsmäßig etwas genauer charakterisieren und haben daher an eine Highspeed Videokamera, die man an ein Mikroskopokular adaptieren kann, gedacht.
Mit einer einfachen Full HD Webcam am Okular gefilmt sieht der Mikrofunken so aus wie unten im Bild gezeigt.
Gerade mal zwei Bilder sind auf dem Film, jeweils durch den Rolling Shutter abgeschnitten. Ich habe die beiden abgeschnittenen Bilder
zu einem zusammengefügt (siehe Trennlinie).
Aber vielleicht würde man mit einer Highspeed Kamera ja etwas genaueres sehen.
Kennt jemand eine Highspeedkamera mit einigen 100 bis 1000 Bildern/sec die an ein Mikroskopokular adaptierbar und auch preislich noch erschwinglich ist. Die Auflösung ist dabei nicht so wichtig.
Bevor wir eine kaufen versuchen wir natürlich auf jeden Fall mit einem Oszilloskop noch die Zeitdauer des Funkens zu messen, damit man sieht ob das überhaupt Sinn macht.
viele Grüße
Wilfried
Hallo Wilfried,
bei den neueren Samsung Handys gibt es die Superslomo Einstellung. Da kann man eine kurze Sequenz mit 960 B/s aufnehmen. Lt. Samsung ist die Aufnahmezeit aber nur 0,2s. Wahrscheinlich ist das mit anderen Handys auch möglich. Versuch wäre es wert.
LG Frank
siehe hier https://www.samsung.com/de/support/mobile-devices/samsung-galaxy-s9-plus-so-nutzen-sie-die-super-slow-motion-funktion/ als Beispiel
LG Frank
Moin,
Die Flir Fireflys sind ganz nett und nicht übertrieben teuer.
https://www.flir.eu/products/firefly-s/?model=FFY-U3-16S2C-C (https://www.flir.eu/products/firefly-s/?model=FFY-U3-16S2C-C)
Die kleinen Biester haben zwar nur so zwischen 60-120 FPS, dafür aber global shutter und extern beschaltbare Pins zum triggern.
Hab die mit einer LED als Blitz/Stroboskop schon in der Mikrofluidik benutzt um Plastikkügelchen beim durchströmen eines PDMS-Chips abzulichten.
LG Julius
Ich hatte Mal gelesen das man die Rasberry Kamera auch mit mehr als 100fps betreiben kann. Falls Ihr da etwas liegen habt lohnt es sich vielleicht Mal zu recherchieren.
Aber anderer Ansatz: ich würde ja Versuchen die Funken mit der Kamera zu synchronisieren und an der Zeitverzögerung drehen. Evt. Könnte man ja sogar unsychronisiert mit gleicher Frequenz laufen lassen dann würde man über die Schwebungsfrequenz einmal das Zeitverhalten eines Pulses mit der Belichtungszeit der Kamera abtasten.
Grüße Matthias
PS Hier Mal was lustiges mit einem Laserpuls. Zwar was anderes aber gleiches Prinzip.
https://youtube.com/shorts/vIjhy81-pG0?feature=share
Hallo,
vielen Dank für die Antworten.
Ich sehe schon eine preisgünstige Lösung scheint es nicht zu geben, da 100 Bilder/sec sicher nicht reichen und die 1000 Bilder/sec
der Chips in den neuesten Handys oder auch der Sony RX 100 IV sind zu teuer, vor allem solange nicht gesichert ist dass es reicht.
Wir werden also erst mal versuchen die Länge des Funkens mit einer schnellen Photodiode und dem Oszilloskop zu bestimmen.
Nochmal zur Verdeutlichung das Problems: Es handelt sich um eine einzelne Funkenentladung bei der das Material an der Oberfläche der Probe aufgeschmolzen und optisch angeregt wird. Es wäre kein Problem die Entladung zu fotografieren indem man den Blitzsynchronausgangdes Fotoapparats als Triggerung für die Funkenntladung benutzt.
Aber wir wollen ja die Entwicklung der Entladung beobachten und da nützt uns ein Einzelbild wenig, sondern wir brauchen mehrere Bilder mit kürzerer Belichtungszeit als die Entladungslänge.
viele Grüße
Wilfried
Die Raspberyr HQ Kamera kann sogar um die 1000 FPS - am Raspberry aber leider nur eingeschränkt.
Wenn man eine kleinere Region of Interest einstellt geht die Framerate nach oben, da weniger Daten pro Bild durch die gleiche Bandbreite gequetscht werden. Leider sind die Kameras am RasPi nur mit 2 von 4 möglichen CSI Lanes angebunden. Wenn man das Raspberry Forum durchsucht finden sich aber ein paar die recht beachtliche Bildraten erzielt haben.
Wenn es ganz kompliziert sein darf kann man natürlich auch alle vier Lanes an ein FPGA anbinden ;D
https://www.circuitvalley.com/2020/02/imx219-camera-mipi-csi-receiver-fpga-lattice-raspberry-pi-camera.html?m=1 (https://www.circuitvalley.com/2020/02/imx219-camera-mipi-csi-receiver-fpga-lattice-raspberry-pi-camera.html?m=1)
Hat dann aber leider immer noch Rolling Shutter.
Was genau soll eigentlich rausgefunden werden? Wenn es um gut wiederholbares geht hilf eine Bilderserie, wie ja schon erwähnt wurde. Soll wirklich nur der aktuelle Funke gefilmt werden braucht es eine schnelle Kamera.
https://www.krontech.ca/ (https://www.krontech.ca/)
Das ist glaub ich was im High-Speed Bereich als 'affordable' durchgeht.
LG Julius
Hallo Wilfried!
Du brauchst in jedem Fall ein schnelles zweikanal Speicherscope, vierkanal ist schöner, aber nicht unbedingt nötig, vor Allem, wenn keins da ist. Spannung und Strom zum ersten Betrachten. Da der Strom die Arbeit leistet, im zweiten Schritt diesen und das optische Signal registrieren. Statt einer Avalanchediode geht auch ein Photomultiplier, der ist oft schneller. Zwischenabbildung mit Objektiv nicht vergessen.
Falls Du Probleme mit der PM-Spannungsversorgung hast, ich habe einige bewährte Wandlermodule 1:100 aus Spektrometern. Aus 2 bis 12 V werden dann 200 - 1200 V.
Gruß - Werner
Hallo Wilfried,
ich habe gerade einmal ein Video in Superslomo vom Verschluss meiner 500D bei 1/100stel Belichtungszeit gedreht. Es werden 10 Bilder in der Zeit mit geöffnetem Schutter geschossen. Der Dateiname zeigt am Ende die Zeit des Bildes im Film. Ich zeige das erste und das letzte Bild des geöffneten Schutters.
Heutzutage haben viele so ein Handy (Samsung und Huawei können diese 960B/s bringen, iPhone 240 B/s). Bestimmt ist auch in Deiner Umgebung jemand mit so einem Handy, Du musst ja keines kaufen, höchstens eine universelle Okular-Anbindung. Vermutlich hätte auch ein Schüler so ein Handy.
LG Frank
Hallo Wilfried,
ich hänge noch das gekürzte Video an. Beleuchtung war übrigens eine Jansjö.
Bei noch schnelleren Kameras wird es mit dem Licht knapp, denke ich.
LG Frank
Hallo Wilfried
Die Sony RX100 IV kann anscheinend 1000 Fps :)
https://www.zeitlupenkamera.net/2016/10/sony-rx100-iv-leistbare-zeitlupenkamera.html
Gruss
Martin
Hallo Wilfried,
ich nutze für die Astronomie und auch Mikroskopie eine ASI178MM. Das ist eine monochrome Kamera mit 6 MP, aber einer in weiten Grenzen einstellbaren ROI. Bei dem kleinsten Format 320 x 240 Pixel habe ich gerade getestet macht sie 450 B/s. In VGA 240 B/s und bei voller 3096x2080 sind es 55 B/s. PC Anbindung über USB3. Gibt es sowohl monochrom wie in Farbe. Leider nicht ganz billig.
Viele Grüße
Peter
Hallo Wilfried,
die Nikon 1J5 kann mit reduzierter Auflösunf und Filmlänge 400 und 1200 pfs. Die älterne Nikon 1 Modelle zumindest 400 fps, spätere vermutlich mehr. Das sind mit dem Normalobjektiv auf ein Brillenträgerokular adaptiert aus praktische Miroskopkameras für allgemeine Verwendung.
Hier ein Video mit 12oo FPS von einem Glockentierchen: https://vimeo.com/263421396 (https://vimeo.com/263421396)
Viele Grüße,
Bob
Hallo Bob,
ja das wäre schon eine eine preisgünstige Alternative aber bei 1200 frames/sec ist die Auflösung in einer Richtung doch etwas mager.
Aber man würde in jedem Fall gleichzeitig noch eine hochwertige Mikroskopkamera für normale Anwendungen bekommen.
Jetzt warten wir aber erst mal ab was die Oszilloskopmessung sagt.
viele Grüße
Wilfried
Hallo,
Zitat von: wilfried48 in Dezember 12, 2021, 19:09:38 NACHMITTAGS
Jetzt warten wir aber erst mal ab was die Oszilloskopmessung sagt.
das ist sicher das beste, ich kenne mich da zwar nicht genau aus, aber die Funkendauer kann ja durchaus nur im µs Bereich liegen?
Ich hab übrigens vor kurzen mal versucht mit einer Photodiode einfach über Widerstand und einem Oszi Laserpulse zu vermessen. Ich bin da zwar bis unter 10ns Zeitauflösung gekommen, aber ich bauchte sehr viel mehr Licht als so ein Funken erzeugt. Also wie erwähnt ohne aktive Verstärkung, APD oder ähnlichen wird es sicher nichts werden. Wenn Du nichts herausbekommst könnte ich versuchen deinen Funken "nachzubauen" und mit dem Laser "abzutasten". Alles nötige dazu liegt zwar rum, aber in diesem Jahr schaffe ich das nicht mehr :-). Wie erzeugst Du den Funken? Ich würde jetzt spontan mit Funktionsgenerator und einer Zündspule anfangen...
Grüße Matthias
Hallo Wilfried,
bezüglich Highspeed-Kamera gibts schon einige Alternativen, ist halt nur die Frage, was man unter günstig und was man unter High-Speed versteht. Vor allem Industriekameras mit den neuen Sony IMX Sensoren sind schon ziemlich schnell, qualitativ hervorragend und auch nicht übermäßig teuer (300€ aufwärts neu und gebraucht bei Ebay auch gerne mal unter 100€). Begrenzend ist bei den Dingern hauptsächlich die Übertragungsrate, wobei USB3 schon das Maximum im Amateurbereich ist. Dann gibts noch entsprechende Exoten, mit Cameralink, da kosten die Framegrabberkarten aber schon ein Vermögen. Richtige High-Speed-Kameras übertragen nicht instantan, sondern haben einen Ringspeicher, welche kurzzeitig irrwitziger Frame-Raten für vielleicht wenige tausend Bilder ermöglicht. Kann man sicherlich auch gebraucht schnäppern, aber hier kenn ich mich nicht so gut aus.
Ich habe bspw. einige Kameras von Point Grey, Flir, Basler, uEye usw., wobei mir vor nicht allzulanger Zeit drei Basler ACA1920-155m (Sony IMX174 mit Global Shutter, 5,6µm Pixeln, Monochrom) günstig zugelaufen sind. Diese schaffen folgendes über USB3.0 (eben getestet, skaliert aufgrund des Auslesemodus nur mit der Bildhöhe): 1936x1216 --- 153fps; 1936x600 ---310fps; 1936x300 --- 610fps; 1936x200 ---860fps; 1936x100 ---1470fps
Ich könnte euch leihweise auch gerne eine überlassen, ... zum ausprobieren.
Vg Tino
ps. Apropos Handykamera, die 1000fps sind schon beeindruckend. Hab selbst ein Huawei Mate20, aber die 1000fps sind etwas getrickst. Soweit ich weiß, wird schon zwischen den Frames etwas interpoliert, aber "versuch macht kluch". ;)
Hallo Matthias,
der Funke ist schon hell. Dadurch dass wir ihn über das Mikroskopobjektiv und eine Projektionslinse auf den Eingang eines Lichleiters
zum Spektrometer projizieren können wir aus einem Funken, das komplette Anregungsspektrum registrieren.
Wenn wir anstelle des Lichtleiters eine PIN Diode einsetzen bin ich zuversichtlich das wir mit dem Oszi die Länge bestimmen können, außerdem kann man auf dem zweiten Kanal ja auch noch den Spannungsverlauf zwischen Spitze und Probe registrieren.
Nächsten Freitag werden die Schüler das angehen, dann werde ich auch näheres zu Aufbau und Technik des Mikro- Funkenspektrometers und ein typisches Analysen - Spektrum einstellen.
viele Grüße
Wilfried
Hallo Wilfried,
Darf ich fragen wie Du Deinen Funken erzeugt hast? Ich hab gerade Mal etwas mit einer Zündspule und einen FET gespielt. Ist deutlich dunkler als an einer Zündkerze lässt sich aber auf 4mm ziehen. Ist das bei Dir ähnlich? Ich glaube viel abgetragen wird da nicht. Ich vermute da sehe ich nur Luftplasma.
Grund für mein Interesse, ich plane mit dem erwähnten Laser Plasmaspektroskopie zu betreiben. Hab aber noch nicht alle Komponenten zusammen. Dachte ich ich kann ja Mal mit den Funken üben...
Grüße Matthias
Hallo Matthias,
wir haben anfangs auch versucht den Funken über eine Hochspannungsentladung zu erzeugen in der Hoffnung, daß wir dann die Spitze
mit etwas Abstand zur Oberfläche plazieren können (also ohne Kurzschluß) und trotzdem bei jedem Puls einen definierten Einschlagsschmelzkrater zu bekommen, der nicht so extrem vom Abstand abhängt. Da bei den Schülern ja die Sicherheit an oberster Stelle stehen muss, haben wir dazu ein Viehweidezaungerät benutzt, das im Gegensatz zu einem Eigenbau ja noch eine CE Zulassung hat. Wir haben eines für Kleintiergehege mit einer maximalen Pulsenergie von 1 Joule gewählt und damit stabile Einschlagskrater erhalten. Leider hat sich die Befürchtung bewahrheitet, daß man damit hauptsächlich das Plasma im Zwischenraum zwischen Spitze und Oberfläche spektroskopiert. Du glaubst nicht wieviele Linien Sauerstoff, Stickstoff und Argon haben, da sind die Linien des Materials der Objektoberfläche förmlich untergegegangen. Eventuell wäre hier Argon Schutzgas eine Lösung, aber Argon hat auch noch viele Störlinien und das ganze wird sehr kompliziert und teuer (Argonverbrauch).
Daher haben wir versucht ob man mit einem kräftigen Niederspannungspuls aus einem Blitzkondensator nicht auch bei leicht aufgesetzter Mikrospitze stabile Verdampfungskrater in der Oberfläche erzeugen kann.
Im Moment erhalten wir bei einem Blitzkondensator mit 1600 µF bei ca. 20V stabile Materialverdampfungkrater von ca. 50 bis 100 µm
Durchmesser und damit z.B. bei Reinkupfer ein Spektrum wo die höchsten Linien den Spektrometerdetektor gerade in die Sättigung treiben (mit einem Mikrofunken !)
Der Funken wird mit einem Taster und einem MOSFET Halbleiterrelais (10 A /60 V) geschaltet. Messversuche der Funkendauer mit Oszilloskop waren bisher nicht sehr erfolgreich, da diese im Moment durch die Prellung des Tasters gegeben zu sein scheint. Wir konnten nur sicher abschätzen dass sie unter 0,3 msec liegt. D.h. wir würden eine Kamera mit mehr als 3000 Bilder/sec brauchen um den Funken zeitlich aufzulösen.
Nach den Weihnachtstferien wollen wir daher eine elektronische Schaltung bauen, mit der man das MOSFET Halbleiterrelais über einen Elektronischen Puls schalten und mittels definiert einstellbaren Zeitverzögerungen zum Registrierungsintervall des Spektrometers synchronisieren kann.
Die Idee mit dem Laserpuls-Plasmaspektrometer hatten wir anfangs auch, aber dazu braucht man gepulste Laser mit einer Leistung, die man im Schülerbereich nie zugelassen bekommt. Ausserdem gibt es sowas schon lange kommerziell zu kaufen (wenn auch sehr teuer) und wir wollen im SFZ ja auch ein wenig neues forschen.
viele Grüße
Wilfried
Danke für die Ausführliche Antwort. Dann brauche ich wohl etwas mehr Energie. Ich hab auch gerade Mal eine Photodiode benutzt. Anfangs über das doch große Signal gefreut, das sich dann aber als elektrisches Feld herausgestellt hatte. Da ich hier keine Faser zur Hand habe macht es kein Sinn da weiterzusuchen. Aber selbst damit muss ich mein Oszi sicher noch sehr gut abschirmen.
Mein Plasmaspektrometer ist auch ehr ein ein Versuchsprojekt um Mal zu sehen was man so hinbekommt. Ich hab ein altes Gitterspektrometer mit einem 3 Zoll Gitter und einer gekühlten CCD zwar alt und wenig Pixel aber sehr empfindlich. Eigentlich ganz gute Vorraussetzungen. Ich sehe dann aber nur ein paar nm gleichzeitig. Eigentlich würde ich dann etwas über den Oxydationszustand von Eisenpartikeln lernen. Aber da kenne ich mich noch gar nicht aus.
Grüße Matthias
Alles was es an normalen Kameras zu vertretbaren Preisen gibt, wird der Anforderung nicht gerecht. Selbst mit 1 kfps kann man keinen elektrischen Funken beobachten. Ich würde vorschlagen zu schauen, ob Ihr eine Möglichkeit findet, eine echte Highspeedkamera zu leihen. Ihr braucht es ja nicht dauerhaft und vielleicht hat eine Uni oder ein Unternehmen in der Nähe eine rumstehen... So ab 1.000.000 fps wird es interessant.
Zitat von: wilfried48 in Dezember 25, 2021, 19:45:49 NACHMITTAGS
Du glaubst nicht wieviele Linien Sauerstoff, Stickstoff und Argon haben, da sind die Linien des Materials der Objektoberfläche förmlich untergegegangen. Eventuell wäre hier Argon Schutzgas eine Lösung, aber Argon hat auch noch viele Störlinien und das ganze wird sehr kompliziert und teuer (Argonverbrauch).
Wie wär's mit Helium? Das gibt es ja als Ballongas sogar im Supermarkt und es hat auch nicht so viele Linien im Sichtbaren.
Viele Grüsse
Florian
Wer die Möglichkeiten noch etwas vertiefen will,
Richard hat ein PDF von seinen umfangreichen Versuchen
mit relativ einfachen Mitteln zur Funken-spektroskopie hier beschrieben:
https://www.ursusmajor.ch/downloads/emissionsspektroskopie-2.0.pdf
Gruss
Martin
Lieber Wilfried,
aus der Erfahrung mit dem METASKOP kann ich bestätigen, dass das Auffinden der Emission Linien
zum gesuchten Element nicht trivial ist. Wenn die Auswertung nicht maschinell erfolgt, ist ein Band von 70 bis 80 nm schon sehr
unüberschaubar und anstrengend.
In der Anleitung zu Gebrauch des METASKOP ist immer auch die Rede von den homologen Linien eines Elements. Tritt zum Beispiel an
einer bestimmten Stelle im Spektrum eine starke Line auf, die aber im Zweifelsfall zu mindestens 2 Elementen gehören könnte , muss man
die Stellen im Spektrum aufsuchen, an denen die zu erwartenden Elemente ihre Partner-Linien haben.
Diese Methode ist sehr Zeitraubend, führt aber letztlich dazu, dass man sogar eine Halb-Quantitative Analyse durchführen kann.
Die Bilder zeigen ein Beispiel zur Auffindung der homologen Chrom-Linien und ihre Bedeutung in Bezug auf die Quantitative Deutung.
Die Zahlen beziehen sich nicht auf die Wellenlängen , sondern sind Kennnummern aus der METASKOP Anleitung.
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures012/315905_47096010.jpg) (https://www.pic-upload.de)
einige Chrom Linien
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures012/315905_21210914.jpg) (https://www.pic-upload.de)
Chrom Linien und ihre homologen Linien plus R%
LG
Jürgen
Zudem sind alle Linien dargestellt , so als ob auch alle diese Elemente gleichzeitig vorkämen.
Zu beginn empfehle ich einfache Spektren von Legierungen wie Messing oder Bronze.
Zentral Legierung von 1 Euro Münze Kupfer (3 Linien links ) Nickel ( 1 Linie rechts ) dominant im grünen Spektralbereich
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures012/315908_36849274.jpg) (https://www.pic-upload.de)
LG
Jürgen
Lieber Martin,
die Internetseite ist uns bekannt und wir haben auch schon viele Anregungen daraus gezogen, insbesondere das Literaturverzeichnis des Artikels von Walker ist sehr ergiebig.
Bezüglich der Kurzzeitentwicklung unseres Mikro-Lichtbogens und des daraus entstehenden Verdampfungskraters in der Oberfläche brauchen wir aber ein zeitaufgelöstes Video und nicht nur eine zeitaufgelöstes Spektrum. Für ein zeitaufgelöstes Spektrum muss die Kamera ja nur eine Linie mit sehr vielen "Bildern"/sec aufnehmen.
viele Grüße
Wilfried
P.S.: Ich wusste doch, dass ich deinen Namen schon mal im Zusammenhang mit Spektroskopie gehört habe, bin aber nie auf die Idee gekommen, dass du das bist.
Lieber Florian,
ja, aber zusammen mit der Hochdruckpfandflasche (und dem ganzen Sicherheitsbimborium das im Schülerforschungszentrum auch noch dranhängt) ist das eben kompliziert und zum einfach unkontrolliert über Probe zu pusten auch auf die Dauer zu teuer.
Aber so eine kleine Einwegflasche mit niedrigerem Druck werden wir wohl mal investieren um auszutesten wieviel es bringt und ob man den Verbrauch und die Wirkung durch Verwendung einer feinen Düse, die man mit einem Manipulator nahe an die Probenstelle heranführt , optimieren kann.
viele Grüße
Wilfried
Lieber Jürgen,
das Metascope haben wir ja gekauft (ist ja antiquarisch nicht mehr teuer) um etwas über die optimale Funken (Lichtbogen)- Erzeugung.
abzuschauen. Das funktioniert ja über eine Niedervolt (25-45 V) Wechselspannung die in Serie einen Magneten betreibt, der die Spitze
auf der Oberfläche herumrattert und so einen 50Hz Abreiß"funken" erzeugt.
Nochmal zur Verdeutlichung des Unterschieds: Wir wollen ein Mikro- Funkenspektrometer bauen, das mit einem einzigen Mikrofunken
aus einer feinen Wolframspitze ortsaufgelöst einen kleinen Bereich der Oberfläche explosionsartig verdampft und ahhand der Optischen
Emission das verdampfende Material und damit die Oberfläche analysiert. Das Spektrometer funktioniert im Prinzip auch schon und gibt ordentliche Spektren. Mangels Fernzugriff auf den SFZ Rechner kann ich im Moment kein Spektrum hier einstellen, aber wenn ich wieder dort bin werde ich das nachholen.
Jetzt geht es darum den Funken und den entstehenden Mikroskopischen Krater genauer zu charakterisieren. Fotografieren können wir beides natürlich, aber vielleicht könnte man mit einer Highspeed Videokamera etwas näheres über die Dynamik herausfinden.
viele Grüße
Wilfried
Hallo Wilfried,
das läuft ja auf eine völlig andere Zielsetzung hinaus, für die das MEATASKOP natürlich den ,,Elefant im Porzellanladen" repräsentiert.
Mein Beitrag lief auch eher auf die Anmerkung hinaus, dass es Unmengen an Linien gibt, die auch bei bester spektraler Auflösung,
Missdeutungen nicht ausschließen. Eine Inertgas-Atmosphäre wäre dann natürlich wünschenswert, auch mit Hinblick auf das Erscheinungsbild
der Oberfläche nach der Verdampfung.
Dennoch kann man anhand der homologen Spektrallinien das eine oder andere Element bestätigen oder ausschließen.
Bin gespannt auf ein paar schöne Bilder der Spektren und der Oberflächen von diesen doch anspruchsvollen Unternehmen.
Frohes neues Jahr 2022
Jürgen
Hm...
Für die Trennung der tausenden von Spektrallinien braucht man schon eine gute Auflösung, < 0,1 nm. Unter 40 cm Fokus des Spektrometers ist da nichts zu machen, Spalt 20-50 µm. Die ersten solchen ICP-Monochromatoren (1980) durfte/mußte ich beim Kunden justieren, weil die Auflösung beim Versand verloren gegangen war. Justierung mit der grünen 546 nm Spektrallinie von Quecksilber. Dauerte zwar 1 - 2 Stunden (iterativ), ging aber. Danach die Wellenlängenkalibrierung mit einem definierten Elementgemisch, die Daten wurden von einem Computer gesammelt, verrechnet und korrigiert. Der Computer war 8 bit, 64kB RAM und mit 16 MHz Clock sowie zwei 5"-Floppylaufwerken mit 256 kB. Das Programm war in Assembler und BASIC geschrieben, die Daten wurden auf der zweiten Floppy abgelegt und konnten ausgedruckt werden.
Ohne Computer mit den hinterlegten Wellenlängentabellen und passender Verarbeitung wäre das Gerät nie marktfähig geworden.
Spätere Verbesserungen erfolgten durch längere Brennweite (bis 1m), neuere, leistungsfähigere Rechner mit besserer Grafik und Speicher und feineren Schrittmotoren für das Gitter, Doppelmonochromatoren. Schnelle sequentielle und auch simultane Elementerfassung sorgten dafür, daß ICP zu einem Standardverfahren in der anorganischen Spurenanalytik wurde. Die meiste Zeit braucht heute die Probenvorbereitung (Lösung), die Messung dauert wenige Minuten.
Für Metallproben gibt es schon länger Funkenspektrometer, damals mit 2 m Brennweite, heute sind sie auch kleiner. Auch da hilft der Computer enorm bei der Auswertung. Die Probe muß zur Vorbereitung nur blankgeschliffen werden. Diese Geräte hatten wir aber nicht im Programm, deshalb habe ich da auch keine Erfahrung.
Das ICP-Verfahren ist aber eine Dekade genauer als das Abfunken.
Gruß - Werner
Hallo Werner,
wir sind ein Schülerforschungszentrum und nicht die Forschungsabteilung einer Firma die hochauflösende Spektrometer für die Spurenanalytik entwickelt.
Wir müssen also mit dem Spektrometer "forschen", das wir haben und das ist bestimmt kein teueres hochauflösendes Spektrometer mit hoher Nachweisempfindlichkeit.
Da die Baden-Württemberg-Stiftung im Mikro-Makro-Mint Programm das Projekt aber fördert, können wir uns demnächst ein etwas besseres Spektrometer leisten, aber immer noch meilenweit entfernt von deinen geschilderten.
Uns interessiert daher im Moment auch nicht die Quantitative Spurenanalytik sondern eher die Qualitative Elementanalytik aber dafür mit möglichst hoher Ortsauflösung.
Der Forschungsgegenstand ist also z.B.: Wie weit verschlechtert sich die Empfindlichkeit , wenn der Lichtbogen immer kleiner wird und da haben wir uns als erstes Ziel eine Ortsauflösung von kleiner 100 µm gesetzt. Das heißt, die Krater die wir mit einem "Funken" in die Oberfläche "schießen" und aus denen unser gesamtes zu analysierendes Material stammt, haben im Moment einen Durchmesser von 50 bis 100 µm. Das gilt es jetzt erst mal zu stabilisieren und den kurzen Funken zum Spektrometer zeitlich zu synchonisieren. Unser Testobjekt ist im Moment eine polierte Kupferoberfläche.
Später soll die Wolframspitze durch Feinätzen im Bildbereich des Objektivs im Durchmesser und Spitzenradius weiter verfeinert werden und die Ortauflösung weiter verbessert werden.
Wenn es kein Mikroverfahren, zu dem man ein Mikroskop braucht, wäre, würde ich es ja auch nicht im Mikroskopieforum diskutieren.
viele Grüße
Wilfried
Statt zu versuchen, jede einzelne Linie zuzuordnen, würde ich evtl. eine statistische Auswertung ausprobieren. Vergleichsspektren könnt ihr ja aufnehmen und dann würde ich eine "partial least squares" Regression versuchen:
https://cran.r-project.org/web/packages/pls/vignettes/pls-manual.pdf
Damit kriegt ihr vielleicht sogar quantitative Ergebnisse hin.
Viele Grüsse
Florian
Hallo Florian,
die von mir oben genannte Prüfung auf homologe Spektrallinien ist wohl das Ergebniss dieses oder eines ähnliches Verfahren .
Die mathematischen Zusammenhänge, geschweige die Erfassung derselben in einem Computer Programm entziehen sich meiner geistigen Möglichkeiten.
Ich habe nur einige Tabellen zu einigen Elementen aus der Hüttenindustrie, die wohl das Resultat solcher Überlegungen und Berechnungen sind.
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures012/316090_36849274.jpg) (https://www.pic-upload.de)
LG
Jürgen
Hallo zusammen,
mit dem Auswerten komplizierterer Spektren beschäftigen wir uns später, erst wollen wir mal die Physik optimieren.
Ich habe euch daher mal ein paar Bilder zum derzeitigen Aufbau und ersten Ergebnissen angefügt.
Bild 1 zeigt den Gesamtaufbau.
Verwendet wurde ein altes Zeiss Auflichtmikroskop und ein Mirkomanipulator wie er in der Halbleitertechnologie zum Kontaktieren von Chips auf Wafern üblich ist.
Die Spitze zur Erzeugung des Mikro- Llchtbogens ist ein Wolframdraht mit 100 µm Durchmesser. Diese wird unter Lichtmikroskopischer Kontrolle mit dem Mikromanipulator
unter dem Objektiv auf die interessierende Probenstelle sanft aufgesetzt. Das Emissionslicht wird vom Objektiv gesammelt und mit einer weiteren Optik im Trinokulartubus
auf einen Lichtleiter fokussiert, der das Emmissionslicht zu einem Gitterspektrometer mit PC Anschluss weiterleitet.
Der Lichtbogen wird durch Entladen eines aufgeladenen Blitzkondensators erzeugt (das ist das fette blaue Teil in der momentan noch fliegend aufgebauten Elektronik). Der hierzu nötige Spannungspuls wird mit einem CMOS Halbleiterrelais (10A/60V) geschaltet. Die Synchronisation zum Registrieren des Spektrums passiert im Moment noch über einen Taster von Hand. Daher müssen wir im Moment auch noch Spektren mit einer Integrationszeit von 1 sec registrieren, damit man den kurzen Puls sicher innerhalb dieser Zeit plazieren kann.
Bild 2 zeigt die nähere Anordnung von Probe und Spitze unter dem Mikroskop
Bild 3 zeigt den Blick durchs Mikroskop auf eine Kupferoberfläche mit drei Mikrokratern die jeweils mit einem Puls erzeugt und spektroskopiert wurden. Daneben ist unscharf die etwas von der Oberfläche abgehobene Wolframspitze mit 100µm Durchmesser zu sehen. Da der Trinokularausgang durch die Lichtleiteroptik blockiert ist erfolgt die Positionierung der Spitze und die Fotografie über eine HD Webcam am Binokulareinblick.
Bild 4 zeigt das Spektrum aus einem Krater der mit einem Puls erzeugt wurde mit der Zuordnung der intensitätsreichsten Kupferlinien.
Die nächsten Ziele werden sein.
Bau einer Elektronik die mit einstellbarer Verzögerung den Puls so steuert, dass er in die kürzesete Integrationszeit des Spektrometers fällt.
(Minimiert das Rauschen des Spektrometers weil man kürzere Integrationszeiten verwenden kann)
Dünnätzen des Wolframdrahts im Bereich des Gesichtsfelds des Objektivs sodass kleinere Krater (höhere Ortsauflösung) möglich sind und auch der Wolframdraht weniger Emissionslicht verdeckt.
Kauf und Erprobung eines besseren Spektrometers mit dem Fördergeld, aber erst wenn alle anderen Prameter ausgereizt sind und man weis auf was es wirklich ankommt.
viele Grüße
Wilfried
Hallo Wilfried,
sehr eleganter Aufbau und die bisherigen Ergebnisse können sich sehen lassen.
In digitaler Form stimmen die Kupferlinien der Euromünze mit denen des Rein- Kupfer von der Wellenlänge-Kalibrierung her auf 1/10tel nm überein. In der Tendenz zwar gleich
unterscheiden sie sich in den Verhältnissen der Maxima der Intensitäten zueinander. Ein Grund dafür könnte sein, dass meine Linien indirekt über das Profil der Grauwerte des obigen Fotos entstanden sind. Hast du zufällig ein Spektrum aus einem Profi-Labor, um zu vergleichen?
LG
Jürgen
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures012/316101_63208015.jpg) (https://www.pic-upload.de)
Hallo Jürgen,
nein einen Vergleich mit einem Profispektrometer habe ich leider nicht.
Aber ich muss dazusagen, daß bei uns die Linienverhältnisse auch nicht immer gleich sind. Wir hatten auch schon Spektren, wo die drei Hauptlinien nahezu gleich
hoch waren. Ursache könnte z.B. sein, dass durch unsere Wolframspitze unterschiedlich heiße Emmisionszonen des Verdampfungskraters unterschiedlich abgeschattet werden ?
Die Mikropitze wird ja auch ein vom verdampfenden Material bzw. herausgeschleuderden Schmelztröpfchen beschichtet und verändert so von Analyse zu Analyse ein wenig ihre Form.
Zu einer quantitativen Analyse ist also noch ein weiter Weg.
Die Kupferprobe ist normales Werkstattkupfer. Ich werde die Mikrokrater demnächst mal im Rasterelektronenmikroskop abbilden und und aus den Mikrokratern auch mal eine EDX Analyse zum Vergleich machen.
viele Grüße
Wilfried
Hallo,
0,1nm daneben ist doch gut. Das wird in etwa die Auflösung des Spetrometers sein. Die Peaksuche geht zwar mit Subpixel Genauigkeit aber die Kalibrierungsdateien sind meistens nicht so genau. Bei uns beschäftig sich auch jemand mit Linien in heißen Gasen. Dort kann man auch nichts wirklich Vorhersagen sondern muss messen um Referenzspektren zu haben. Beim EDX steckt in der Regel ja auch immer ein Modell mit unendlich dicker und planer Oberfläche dahinter. Bei irgendwelchen Oberflächenstrukturen und dünnen Schichten passt das Spektrum auch nicht. Also würde ich auch erwarten das die Intensitäten der Linien nicht passen und es nicht ganz einfach wird sich das was zu überlegen. Aber das nacht spannende Sachen ja gerade aus.
Also Wilfried ich weiß ja nicht was Du für ein EDX hast. Falls es was altes nicht so genaues ist, kann ich Dir auch eine Untersuchung mit meinem Anbieten. Ist recht neu und macht viel Spaß. Kein Vergleich mit meinem alten.
Grüße Matthias
Zitat von: Matthias-Aw in Januar 05, 2022, 21:54:06 NACHMITTAGS
Hallo,
0,1nm daneben ist doch gut. Das wird in etwa die Auflösung des Spetrometers sein. Die Peaksuche geht zwar mit Subpixel Genauigkeit aber die Kalibrierungsdateien sind meistens nicht so genau. Bei uns beschäftig sich auch jemand mit Linien in heißen Gasen. Dort kann man auch nichts wirklich Vorhersagen sondern muss messen um Referenzspektren zu haben....
Grüße Matthias
Hallo Matthias ,
Wilfrieds und meine Zielsetzungen sind wahrscheinlich völlig andere.
Bei mir geht es "nur " um den Nachweis bzw. die Abwesenheit bestimmter Elemente und dazu eignet sich auch noch der spektrale Grünbereich von 510 nm bis 560 nm sehr gut. Das Band hat nur 50nm und die Pixelauflösung überschreitet die der optischen Auflösung. So ist deine obige Einschätzung aus dem Profibereich schonmal eine erfreuliche Nachricht.
LG
Jürgen
Zitat von: Matthias-Aw in Januar 05, 2022, 21:54:06 NACHMITTAGS
Hallo,
0,1nm daneben ist doch gut. Das wird in etwa die Auflösung des Spetrometers sein. Die Peaksuche geht zwar mit Subpixel Genauigkeit aber die Kalibrierungsdateien sind meistens nicht so genau. Bei uns beschäftig sich auch jemand mit Linien in heißen Gasen. Dort kann man auch nichts wirklich Vorhersagen sondern muss messen um Referenzspektren zu haben. Beim EDX steckt in der Regel ja auch immer ein Modell mit unendlich dicker und planer Oberfläche dahinter. Bei irgendwelchen Oberflächenstrukturen und dünnen Schichten passt das Spektrum auch nicht. Also würde ich auch erwarten das die Intensitäten der Linien nicht passen und es nicht ganz einfach wird sich das was zu überlegen. Aber das nacht spannende Sachen ja gerade aus.
Also Wilfried ich weiß ja nicht was Du für ein EDX hast. Falls es was altes nicht so genaues ist, kann ich Dir auch eine Untersuchung mit meinem Anbieten. Ist recht neu und macht viel Spaß. Kein Vergleich mit meinem alten.
Grüße Matthias
Hallo Matthias,
nein das Spektrometer hat "nur"eine Auflösung von 2nm, die Angabe der drei Stellen hinter dem Koma bei den Peakbeschriftungen ist daher natürlich Quatsch und durch die Software bedingt. Mit der Software kann man sich die Linien im Bereich der Peakmaxima aus einer Bibliothek anzeigen lassen und wenn man da eine passende findet und anklickt wird dieses Element gnadenlos mit dem genauen Wert an den Peak geschrieben und gaukelt so eine viel höhere Genauigkeit vor.
Das alte Zeiss Metascope Spektrometer auf das Jürgen sich bezieht hat natürlich in einem schmalen Bereich eine viel höhere Auflösung und Genauigkeit. Wir haben uns auch schon mit dem Gedanken getragen, das parallel an unser Mikroskop zu adaptieren. Dann hätte man einen größeren Bereich für die Übersicht auf dem einen und eine genauere Auswertung auf dem anderen.
Bezüglich des EDX Spektrometers am Rasterelektronenmikroskop habe ich eher das Problem, daß wir am Institut neben der Forschung
als Dienstleistungszentrum sehr viele Aufträge auch für die Industrie abwickeln und daher immer mit dem neuesten Equipment ausgerüstet sein müssen.
Wenn ich dann als mittlerweile Rentner nach längerer Unterbrechung wieder mal ans Rasterelektronenmikroskop gehen will, muß ich immer erst schauen, ob noch eins da ist, das ich noch bedienen kann oder ob ich mich schon wieder neu einarbeiten muß. ;D
viele Grüße
Wilfried
Hallo zusammen,
ich war heute am Rasterelektronenmikroskop und habe schnell mal ein REM Bild von so einer typischen Aufschmelzzone aus dem Mikro- Lichtbogen sowie ein
EDX Spektrum aus der Mitte der Aufschmelzzone gemacht.
Man sieht das das Material im gepulsten Mikro - Lichtbogen aufgeschmolzen und wohl auch verdampft wird. Kleine Tröpfchen der Schmelze werden dabei radial in die Umgebung gespritzt.
Das könnten die radialen Strahlen sein (feine glühende Schmelzkügelchen die radial wegfliegen) die man in dem weiter oben gezeigten Videobild mangels Zeitauflösung als Leuchtspur sieht.
Das EDX Spektrum zeigt hauptsächlich Kupfer mit ein wenig Kohlenstoff Sauerstoff und Schwefel.
Es handelt sich um einen Kupferwerkstoff für die spanende Bearbeitung. Da wird oft Schwefel zugesetzt, daß der Span besser bricht.
Ich muss mal genauer analysieren, ob nicht die eine oder andere Nebenlinie im obigen Emissionsspektrum auf Schwefel passen könnte.
Was man auch sehr schön sieht ist, daß das EDX keine Wolframverunreinigungen aus der Wolframspitze zeigt, während man im optischen Emissionsspektrum das Wolfram schwach sieht.
viele Grüße
Wilfried