Mikro-Funkenspektrometer, jetzt mit REM-EDX Vergleich

wilfried48 · Dezember 11, 2021, 13:00:16 NACHMITTAGS

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

Nochnmikroskop · Dezember 11, 2021, 13:39:07 NACHMITTAGS

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

Nochnmikroskop · Dezember 11, 2021, 13:46:17 NACHMITTAGS

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

owl capone · Dezember 11, 2021, 13:55:31 NACHMITTAGS

Moin,

Die Flir Fireflys sind ganz nett und nicht übertrieben teuer.
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

Matthias-Aw · Dezember 11, 2021, 18:45:46 NACHMITTAGS

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

wilfried48 · Dezember 11, 2021, 22:20:54 NACHMITTAGS

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

owl capone · Dezember 11, 2021, 22:27:53 NACHMITTAGS

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

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/
Das ist glaub ich was im High-Speed Bereich als 'affordable' durchgeht.

LG Julius

Werner · Dezember 11, 2021, 22:42:58 NACHMITTAGS

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

Nochnmikroskop · Dezember 12, 2021, 00:17:13 VORMITTAG

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

Nochnmikroskop · Dezember 12, 2021, 08:54:22 VORMITTAG

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

martin_hu · Dezember 12, 2021, 10:33:32 VORMITTAG

Hallo Wilfried

Die Sony RX100 IV kann anscheinend 1000 Fps

https://www.zeitlupenkamera.net/2016/10/sony-rx100-iv-leistbare-zeitlupenkamera.html

Gruss

Martin

peter-h · Dezember 12, 2021, 10:59:05 VORMITTAG

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

Bob · Dezember 12, 2021, 13:07:56 NACHMITTAGS

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

Viele Grüße,

Bob

wilfried48 · Dezember 12, 2021, 19:09:38 NACHMITTAGS

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

Matthias-Aw · Dezember 12, 2021, 21:45:41 NACHMITTAGS

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