Mikro-Funkenspektrometer, jetzt mit REM-EDX Vergleich

[TStein]

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".  
 

[wilfried48]

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

[Matthias-Aw]

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

[wilfried48]

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

[Matthias-Aw]

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

[mlippert]

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.

[Florian D.]

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

[martin_hu]

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

[hugojun]

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.



einige Chrom Linien



Chrom Linien und ihre homologen Linien plus R%


LG
Jürgen

[hugojun]

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



LG
Jürgen

[wilfried48]

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.

[wilfried48]

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

[wilfried48]

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

[hugojun]

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

[Werner]

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