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【电子显微镜】蹦极绳上的高性能显微镜

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2018-05-17 10:29
来源:实验与分析
Dr. Florian Aigner
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  现代显微镜不仅精度高,而且极其敏感。为了让他们能够对单个原子成像,没有什么应该摆动。维也纳科技大学的研究人员现在开发了一种不寻常的方法来保护他们的显微镜免受干扰的振动:将其悬挂在蹦极绳上。即使附近地铁的震动也不再是影像质量的问题。

  它们是当今最精确的测量仪器之一:高性能显微镜通过在表面上移动极细的针尖来生成单个原子的图像。此尖端的位置必须精确控制在皮米计的范围内 - 即十亿分之一毫米。“就像在毫米范围内精确控制地球整个直径的长度,”维也纳科技大学应用物理研究所的Michael Schmid教授解释道。

  任何种类的振动都会使测量无法使用,因此使用这种显微镜获得最佳性能是一项巨大的技术挑战。在维也纳科技大学,这是通过一种特殊装置的帮助实现的,该装置几乎完全衰减了极低频率的振动。整个显微镜挂在蹦极绳上,电子控制器不断调整悬挂以保持直线。由于这种新开发的振动阻尼效果很好,现在已获得专利。

  在城市中心测量

  “其他研究小组使用类似的显微镜将它们安装在特制的地窖里或特别设计的建筑物中,”Ulrike Diebold教授说。“当我告诉你我们在维也纳市中心的一座摩天大楼中,在地铁正上方操作显微镜时,我经常会对会议产生不信任的目光。”

  维也纳科技大学的强大显微镜将扫描隧道显微镜与原子力显微镜相结合,并且由于其灵敏度,需要特别有效的振动保护。Schmid说:“很快我们就清楚地知道,传统的振动阻尼对于我们复杂的情况是不够的。“商用解决方案可以过滤高频振动,但很难摆脱低频。”

  用蹦极绳子抵抗地铁振动

  施密德首先尝试分析正在发生的振动:即使建筑物本身以几赫兹的频率摆动 - 由风驱动。但地铁每次在房子下面驾驶时都会激起振动。或者该研究所地下室的压缩机,经过一些侦探工作之后,这些压缩机被视为频繁发生20赫兹振荡的原因。

  维也纳研究者终于解决由振动问题,挂在整个显微镜和在其上安装在天花板上的金属结构 - 松紧绳其弹性特性是特别适合于衰减低频振动。它们被安装在特殊的角度布置中,以同时抑制不同的振动方向。该装置漂浮在地面上方约两毫米处,附有距离传感器。

  如果距离发生变化,它将通过将三个不同的电动机中的一个拉到额外的弹性绳上来自动重新调整。“这很重要,因为在实验过程中体重发生了变化,”Schmid解释道。“我们使用液氮来冷却我们的样品。氮气供应直接在显微镜下进行,蒸发时更容易 - 但整体结构必须保持完全水平。”

  完美照片的专利

  众多的科学测量已经成功地进行了特殊的振动阻尼;通过振动阻尼实现了一些科学出版物。现在,研究团队在奥地利维也纳科技大学的研究和转让支持下获得了这项发明的专利 - 已经开展了一项国际申请。Schmid说:“当然,我们希望其他机构能够像我们一样大幅提升我们的想法并改善他们的结果。”

  凭借其特殊的悬挂,科学家们能够充分利用高性能显微镜的能力 - 尽管位置一目了然。“否则我们将不得不搬到另一栋大楼,但那样会有其他缺点,”迪博尔德说。“因此,我们不得不在别处不是那么容易获得液氮和液态氦 - 我们测量的基础恰恰是在这个城市的中间维也纳技术大学的最佳户外家居那里只是振动条件很不理想”

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