顯微鏡修理的禪意與技巧:一個男人修復掃描式電子顯微鏡的故事

十二月 3, 2015
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透過Sanfilippo的顯微鏡看到的塵埃(顯微鏡照片提供:Tom Sanfilippo。其它照片則由Jon Christian所攝)。

這臺儀器就散落在工匠庇護所(Artisan’s Asylum)的混凝土地板上。五花八門的米色櫃子擺滿了電子零件、冷卻裝置、真空成像室,以及無數旋鈕、開關和指示燈,讓人聯想到以傳染病為題材的恐怖片。這臺掃描式電子顯微鏡被擱置多年,壞掉之後就一直放著沒在用,沒人知道哪裡故障了。
 
Tom Sanfilippo打算自己修復它。
Sanfilippo幾年前還是微軟的軟體工程師,後來在哈佛大學延伸教育學院唸奈米加工和奈米分析的相關課程。他想知道如何用掃描式電子顯微鏡的粒子束,將昆蟲、塵埃、微生物及其他渺小的東西放大幾千幾萬倍,拍攝成美麗的單色影像。他稱之為「電子顯微鏡的禪意」。最後Sanfilippo就以外部使用者的身分加入哈佛大學奈米系統中心,得以使用這臺影像裝置。
 
Sanfilippo在哈佛遇到當時在中心管理和指導使用者操縱影像裝置的Nicholas Antoniou。Antoniou知道Sanfilippo對裝置的興趣非比尋常,所以就在去年拋出這樣的提議。假如Sanfilippo願意負擔運費,就把哈佛已經損壞不用的舊型LEO 982轉讓給他。「他們希望隨便哪個人接收這些器材。」Sanfilippo說。
 
這種情況不常見,但也並非前所未有。大學和醫院有時必須淘汰大型器材,與其丟掉,還不如讓給想要的業餘愛好者,這樣效益才大。加州奧克蘭駭客空間Sudo Room也接收了掃描式電子顯微鏡,但還不曉得要用在什麼地方。
 
雖然越過舊金山灣對面的Noisebridge,從國際科學儀器公司(International Scientific Instruments)那邊接收了TV Mini-SEM,但最後還是淘汰掉了。掃描式電子顯微鏡體積龐大,難以保養,使用前需要花費相當大的心力去修復。
電子顯微鏡至今仍是相當貴重的設備,研究所等機構也會特別愛護它,然而Sanfilippo的顯微鏡卻相當老舊,要用DOS操控,搭載3.5英寸的1.44MB軟碟機。當初新機要價50萬美元,還可以用的二手貨也要10萬美元以上。而且沒人知道這臺顯微鏡哪裡壞掉了,要整修是不實際的。因此就連Sanfilippo本人也無法判斷要更換多少零件才能修好,是否該放棄整個主系統。他只能帶回家拆解,用自己的手找出問題。更糟糕的是裡頭的零件既精密又複雜,假如一不小心弄壞,這臺別緻的機器就再也修不好了。
 
電子顯微鏡光是機殼就大得很誇張。Antonious說:「這東西可不能放在客廳。」LEO 982會消耗3千瓦的電力,需要220伏特的電源,還要輸送壓縮空氣的裝置,以及水與氮。Sanfilippo在工匠庇護所尋找獲得那些資源的管道。他在這間位於麻薩諸塞州薩默維爾的Makerspace擔任理事,知道所需的東西幾乎都能弄到手,之後只要判斷是否著手進行這項工作即可。
 
最後他就決定要做了。讓他下定決心的關鍵在於轉讓的提議很特別。
 
「我想這輩子不會再有人跟我這樣提議了,所以就答應下來。」他說。
 
拆解和故障排除
 
首先,Sanfilippo從電子顯微鏡的櫃子裡,拆開糾結在一起的串列、並列、SCSI和同軸電纜。由於電子顯微鏡放在無塵室裡,所以他在進行這項工作時,也必須穿上笨重的無塵衣。裡頭的構造簡直是曲折離奇。電腦終端、真空室和電源裝置之間接了好幾十條電子系統的纜線和水管,組件之間則接了4條波紋軟管。哪怕只是出了一個差錯,系統也會停擺,甚至還有可能完全壞掉。
 
根據Sanfilippo的說法,他花了整整三天在無塵室內工作。他在拆卸前替所有電纜拍照,貼上標籤,再委託哈佛的運貨服務送到工匠庇護所去。整趟旅程不到兩英里,真讓人意想不到。
 
他回到薩默維爾後,就開始查閱堆積如山的系統和服務說明書。說明書是由LEO的所有者蔡司公司(Carl Zeiss AG)用德文寫出來的。
 
「這時我發現了一些問題。」他說。「拆解時我自己就在製造問題。」
剛開始他發現真空室有個洞。假如裡頭沒有接近完全真空,電子槍就不會運作。儘管在哈佛時,那裡裝了X光能量散佈分析儀,會在放大室當中進行樣品的元素分析,但在交到Sanfilippo的手上之前就不知被誰拆掉了,所以真空室才會開了個跟百事可樂罐一樣大的洞。「可憐的機器,零件都被拔光了。」他說。
 
他決定做塊板子塞住洞口。他量出精確的尺寸,用工匠庇護所的CNC數控機銑削,再用塑膠密封劑裝上去。儘管看起來緊密嵌合,但在測試之後,卻發現必須要修理幫浦。
 
想要啟動電子槍,就必須處在超高真空狀態。因此LEO 982才會有3臺幫浦。第1臺會抽走空氣,塑造出一般的真空狀態。然後就啟動渦輪分子幫浦,用轉子捕捉殘餘的分子,最後再用鈦昇華幫浦將乾淨的鈦塗佈在真空室的內側,讓剩餘的氣體分子附著在上頭。
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Sanfilippo使用USB轉串列轉接器檢查渦輪分子幫浦,結果令人堪憂。雖然他也考慮過要重做,但還是決定使用價格合理的回收品。
 
他把空氣幫浦拆開來清潔,發現裡面沒有過濾器,油會從管線漏進渦輪分子幫浦裡,帶來致命的傷害。於是他把髒掉的軟管換掉,裝上新的過濾器,再按下幫浦的開關。
 
不過,即使啟動空氣幫浦和渦輪分子幫浦,真空室也沒有變成真空狀態。空氣從他裝設用來塞住洞口的板子漏了出來。「我預估過溝槽的深度,那實在是太深了。」他回想道。
 
他被迫要做出選擇,決定是要回頭使用CNC數控機重新做塊板子,還是調整溝槽的深度以防止空氣外洩。另外他還可以買罐Vacseal(防止空氣外漏的溶液),塗在板子的周圍。他選擇了第二個方法。塗上一層厚厚的接著劑之後,真空室就變成真空狀態了。
 
Sanfilippo接下來就開始修理冷卻裝置。冷卻裝置會讓水循環流動,使高壓電源裝置和電磁鐵維持在20度C到22度C的適溫中,但軟管卻被有機物堵住。他說:「裡頭塞滿了水藻。」他用壓縮空氣清潔軟管和冷卻裝置,再連接到自來水管上。
 
但Sanfilippo認為仰賴這裡的設備是有極限的。工匠庇護所坐擁3700平方公尺的空間,Project Hexapod與其他機器人、自主戰鬥機器人設計挑戰賽(Autonomous Combat Robots Design Challenge)、自行車隊SCUL,以及自行車架製作者Paul Carson會占用這裡的場地。此外還有五花八門的工作機械、焊接機、uPrint SE Plus和Lasersaur 100W雷射切割機。然而Sanfilippo放置電子顯微鏡的地方卻沒有自來水管。於是他就清除塞在附近自來水排水口的樹脂(他說:「這下我可成了修水槽的英雄了。」),再用2條軟管連接水槽和電子顯微鏡的冷卻裝置。
 
這時原本應該要打開冷卻裝置和電腦的開關,但機器不知什麼地方出了問題。Sanfilippo反覆檢查零件之間的電纜,翻開服務說明書,詢問工匠庇護所涉獵電子領域的專家。然後他發現離子昇華幫浦的高壓電源和主控臺的配線裝反了,吹掉了好幾根預焊保險絲。他在工匠庇護所到處尋找掉在地上的保險絲。當朋友幫忙換保險絲之後,電腦總算可以開機了。
 
冷卻裝置也在運作,Sanfilippo成功啟動離子昇華幫浦。打開開關後,真空室內部就呈現超高度真空狀態。
電腦也開始運轉了。雖然有點卡住,MS-DOS 5.22還是啟動了(Sanfilippo說:「在駭客空間執行DOS是件美妙的事。」)。他讓電子槍穩定運作了幾個小時,設置光圈,校正磁場。這下總算可以放心了。接著影像就立刻浮現出來。
 
「我不曉得會看到什麼東西。真想不到影像竟然會出現。」他說。
 
最吃驚的莫過於奈米系統中心的顯微鏡前管理員。
 
「我認為他需要專業人士的幫助,所以就試著跟他聯絡了好幾次。」Antoniou說。「我管理這臺裝置​​已有幾十年的經驗,至少能以服務工程師的身分助他一臂之力。」
 
蔡司公司的負責人Harald Hass在2004年購買LEO,他也感受到相同的不安。他說:「這項挑戰對這個人來說相當吃力,假如沒有經驗豐富的工程師協助,就不可能成功。」
 
壞掉了……
 
假如Sanfilippo沒有離開城鎮,參加姪女的高中畢業典禮,或許他的修理工作就會到此結束(他說:「我沉醉在那臺機器成功運作的喜悅當中。」)。還記得冷卻裝置是怎麼跟自來水管連接的嗎?他週末不在工匠庇護所,這段期間有人拔掉軟管沒有接回去,於是電子顯微鏡就在冷卻裝置沒水的情況下持續運作。Sanfilippo以為溫度最高達到22度就會自動關機,但實際上早在電路過熱之前,櫃子裡的軟管就破裂了。
 
當他啟動開關時,發生了一件恐怖的事。水竟然噴到電子裝置上,弄得地板溼答答。
 
他關掉電源,拆開櫃子,用吹風機吹乾每個零件。這件事讓他驚覺從水槽取水並非長久之計,所以就打算牽一條專用的自來水管。雖然電子系統受損沒有特別嚴重,電子槍的前端卻因為這起事件而扭曲變形,無法擷取清晰的影像。Sanfilippo找來貴到不行的電子槍回收品,卻沒有說明書記載更換的方法。他只好步步為營,小心謹慎地拆解成像室,最後總算安裝成功了。
以後會怎麼樣?
 

平凡無奇的一天,修復過的顯微鏡上蓋滿不少工具、文件、盒子及各式各樣的電子零件。東西已經修好了,接下來會發生什麼事?「下一步是除此之外還能用它做什麼?」工匠庇護所的總裁Derek Seabury這麼說。「我們可以分析損壞零件的結構,比對這些零件與電腦上的模型是否一致,調查哪種3D印表機的塑料絲適合製作這些零件。這會成為很棒的工具。」
 
Sanfilippo計畫至少要開一堂課講解顯微鏡的相關知識。他希望能傳授使用方法,讓工匠庇護所的其他成員也能運用在自己的專題上。此外他還與附近的氣球飛行員釀酒廠(Aeronaut Brewery)洽詢,思考如何把顯微鏡應用在啤酒釀造中。Sanfilippo還想過要賣掉它,填補工匠庇護所的開支。雖然很難想像區區一臺電子顯微鏡可以賣多少錢,但同等規格的機種卻要價10萬美元。
 
對Sanfilippo來說,成果並不在於做好一臺顯微鏡。重要的是歷盡艱辛研究和修理所有零件的過程。通常只有製造商和專業技術人員才了解電子顯微鏡內部的構造,那正是這項專題的價值。
 
「以前我不了解(電子顯微鏡的)構造,只有理論上知道而已。現在我敢說自己真的搞懂了。」他說。

(譯:李友君)
[原文]

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