Яка дальність спостереження світлового мікроскопа та електронного мікроскопа
Структура оптичного мікроскопа Оптичний мікроскоп, як правило, складається зі столика, конденсорної системи освітлення, об’єктива, окуляра та механізму фокусування. Підставка використовується для утримання об’єкта спостереження. Механізм фокусування можна керувати ручкою фокусування, щоб предметний столик рухався вгору та вниз для грубого та точного налаштування, щоб спостережуваний об’єкт можна було сфокусувати та чітко відобразити.
Його верхній шар можна точно переміщувати і обертати в горизонтальній площині, а спостережувана частина, як правило, регулюється по центру поля зору. Система освітлення прожектора складається з джерела світла та збиральної лінзи. Функція збиральної лінзи полягає в тому, щоб зосередити більше світлової енергії на спостережуваній частині. Спектральні характеристики освітлювача повинні бути адаптовані до робочого діапазону приймача мікроскопа.
Лінза об'єктива розташована поблизу спостережуваного об'єкта і є лінзою, яка реалізує перший рівень збільшення. На перетворювачі об'єктивів одночасно встановлено кілька лінз об'єктива з різними збільшеннями, причому лінза об'єктива з різними збільшеннями може входити в робочий оптичний шлях обертанням перетворювача. Збільшення лінзи об'єктива зазвичай становить від 5 до 100 разів. Об'єктив - це оптичний елемент, який відіграє вирішальну роль у якості зображення в мікроскопі.
Зазвичай використовувані ахроматичні об’єктиви, які можуть коригувати хроматичну аберацію для двох кольорів світла; високоякісні апохроматичні об’єктиви, які можуть коригувати хроматичну аберацію для трьох кольорів світла; може гарантувати, що вся площина зображення лінзи об’єктива є площиною, щоб покращити поле зору Об’єктиви з плоским полем із граничною якістю зображення. Рідинні імерсійні об’єктиви часто використовуються в об’єктивах високої потужності, тобто показник заломлення 1 заповнюється між нижньою поверхнею лінзи об’єктива та верхньою поверхнею листа зразка.
5 або близько того, це може значно покращити роздільну здатність мікроскопічного спостереження. Окуляр — це лінза, розташована поблизу людського ока для досягнення другого рівня збільшення, а збільшення дзеркала зазвичай становить від 5 до 20 разів. За розміром поля зору, яке можна побачити, окуляри можна розділити на звичайні окуляри з меншим полем зору і окуляри з великим полем (або ширококутні окуляри) з більшим полем зору.
І предметний столик, і лінза об’єктива повинні мати можливість переміщатися відносно оптичної осі лінзи об’єктива, щоб досягти регулювання фокуса та отримати чітке зображення. Під час роботи з об’єктивом із великим збільшенням допустимий діапазон фокусування часто менший за мікрон, тому мікроскоп повинен мати надзвичайно точний механізм мікрофокусування. Межею збільшення мікроскопа є ефективне збільшення, а роздільна здатність мікроскопа відноситься до мінімальної відстані між двома точками об’єкта, які можна чітко розрізнити за допомогою мікроскопа.
Роздільна здатність і збільшення — це два різні, але пов’язані поняття. Коли числова апертура обраної лінзи об’єктива недостатньо велика, тобто роздільна здатність недостатньо висока, мікроскоп не може розрізнити тонку структуру об’єкта. У цей час, навіть якщо збільшення збільшити надмірно, можна отримати лише зображення з великими контурами, але нечіткими деталями. , називається неефективним збільшенням.
З іншого боку, якщо роздільна здатність відповідає вимогам, а збільшення недостатнє, мікроскоп має здатність розділяти, але зображення занадто мале, щоб його чітко побачило людське око. Таким чином, для повного використання роздільної здатності мікроскопа числова апертура повинна відповідати загальному збільшенню мікроскопа. Система конденсованого освітлення має великий вплив на ефективність зображення мікроскопа, але це також зв’язок, який користувачі легко не помічають.
Його функція полягає в тому, щоб забезпечити достатнє і рівномірне освітлення поверхні предмета. Промінь від конденсора повинен заповнювати кут апертури лінзи об’єктива, інакше найвища роздільна здатність, яку може досягти лінза об’єктива, не може бути повністю використана. З цією метою конденсор забезпечений діафрагмою зі змінною апертурою, подібною до діафрагми фотооб’єктива, і розмір апертури можна регулювати, щоб регулювати апертуру пучка освітлення відповідно до кута апертури об’єктива.
Змінюючи метод освітлення, ви можете отримати різні методи спостереження, як-от темні точки об’єкта на світлому фоні (так зване освітлення яскравого поля) або яскраві точки об’єкта на темному тлі (так зване освітлення темного поля), щоб краще знаходити в різних ситуаціях і спостерігайте за мікроструктурою. Електронний мікроскоп — це прилад, який замінює світловий промінь і оптичну лінзу на електронний промінь і електронну лінзу відповідно до принципу електронної оптики, завдяки чому тонка структура речовини може бути зображена під дуже великим збільшенням.
Роздільна здатність електронного мікроскопа виражається найменшою відстанню між двома сусідніми точками, яку він може розділити. У 1970} році роздільна здатність просвічуючих електронних мікроскопів становила близько 0,3 нанометрів (роздільна здатність людського ока становила близько 0,1 мм). Тепер максимальне збільшення електронного мікроскопа становить понад 3 мільйони разів, а максимальне збільшення оптичного мікроскопа становить приблизно 2000 разів, тому атоми деяких важких металів і акуратно організовану атомну решітку в кристалах можна безпосередньо спостерігати за допомогою електронного мікроскопа.
У 1931 році Кнорр-Бремзе і Руска в Німеччині модифікували високовольтний осцилограф з джерелом електронів з холодним катодом і трьома електронними лінзами і отримали збільшене більш ніж у десять разів зображення, що підтвердило можливість збільшення зображення за допомогою електронного мікроскопа. . . У 1932 році, після удосконалення Руска, роздільна здатність електронного мікроскопа досягла 50 нанометрів, що приблизно в десять разів перевищувало роздільну здатність оптичного мікроскопа того часу, тому електронний мікроскоп почав привертати увагу людей.
У 1940} роках Хілл у Сполучених Штатах використовував астигматизатор для компенсації асиметрії обертання електронної лінзи, що зробило новий прорив у роздільній здатності електронного мікроскопа та поступово досягло сучасного рівня. У Китаї в 1958 році був успішно розроблений трансмісійний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 3 нанометри, а в 1979 році він був виготовлений з роздільною здатністю 0.
3 нм великий електронний мікроскоп. Хоча роздільна здатність електронних мікроскопів набагато краща, ніж у оптичних мікроскопів, спостерігати за живими організмами важко, оскільки електронні мікроскопи повинні працювати в умовах вакууму, а опромінення електронними променями також спричинить радіаційне пошкодження біологічних зразків. Інші питання, такі як покращення яскравості електронної гармати та якості електронної лінзи, також потребують подальшого вивчення.
Роздільна здатність є важливим показником електронної мікроскопії, який пов'язаний з кутом падіння конуса та довжиною хвилі електронного променя, що проходить через зразок. Довжина хвилі видимого світла становить приблизно від 300 до 700 нанометрів, тоді як довжина хвилі електронного променя пов’язана з прискорювальною напругою. Коли прискорювальна напруга становить 50-100 кВ, довжина хвилі електронного пучка становить приблизно 0.
0053 до 0,0037 нм. Оскільки довжина хвилі електронного пучка набагато менша за довжину хвилі видимого світла, навіть якщо кут конуса електронного променя становить лише 1 відсоток від кута оптичного мікроскопа, роздільна здатність електронного мікроскопа все одно значно перевищує оптичного мікроскопа. Електронний мікроскоп складається з трьох частин: тубуса, вакуумної системи та блоку живлення.
Стовбур об'єктива в основному включає електронну гармату, електронну лінзу, тримач зразка, флуоресцентний екран і механізм камери, які зазвичай збираються в циліндр зверху вниз; вакуумна система складається з механічного вакуумного насоса, дифузійного насоса та вакуумного клапана тощо. шафа живлення складається з генератора високої напруги, стабілізатора струму збудження і різних блоків регулювання і керування.
Електронна лінза є найважливішою частиною оправи електронного мікроскопа. Він використовує просторове електричне або магнітне поле, симетричне осі оправи лінзи, щоб згинати траєкторію електронів до осі для формування фокусування. Його функція подібна до функції скляної опуклої лінзи для фокусування променя, тому вона називається електронною. об'єктив. У більшості сучасних електронних мікроскопів використовуються електромагнітні лінзи, які фокусують електрони за допомогою сильного магнітного поля, створюваного дуже стабільним постійним струмом збудження через котушку з полюсним башмаком.
Електронна гармата - це компонент, що складається з гарячого катода з вольфрамової нитки, сітки та катода. Він може випромінювати та формувати електронний пучок з рівномірною швидкістю, тому стабільність прискорювальної напруги становить не менше 1/10,000. Електронні мікроскопи можна розділити на просвічуючі електронні мікроскопи, скануючі електронні мікроскопи, відбивні електронні мікроскопи та емісійні електронні мікроскопи відповідно до їх будови та використання.
Трансмісійні електронні мікроскопи часто використовуються для спостереження тих тонких структур матеріалу, які неможливо розрізнити звичайними мікроскопами; скануючі електронні мікроскопи в основному використовуються для спостереження за морфологією твердих поверхонь, а також можуть поєднуватися з рентгенівськими дифрактометрами або спектрометрами електронної енергії для формування електронів. Мікрозонди для аналізу складу матеріалу; Емісійна електронна мікроскопія для дослідження поверхонь самовипромінюючих електронів.
Проекційний електронний мікроскоп отримав свою назву після того, як електронний промінь проникає в зразок, а потім використовує електронну лінзу для зображення та збільшення. Його оптичний шлях подібний до оптичного мікроскопа. У цьому електронному мікроскопі контрастність деталей зображення створюється розсіюванням електронного пучка на атомах зразка. У тонких або менш щільних частинах зразка електронний промінь розсіюється менше, тому більше електронів проходить через отвір об’єктива, бере участь у зображенні та виглядає яскравішим на зображенні.
І навпаки, більш товсті або щільні частини зразка виглядають темнішими на зображенні. Якщо зразок занадто товстий або занадто щільний, контрастність зображення погіршиться або навіть буде пошкоджено чи знищено через поглинання енергії електронного променя. Верхня частина трубки трансмісійного електронного мікроскопа є електронною гарматою. Електрони випускаються гарячим катодом з вольфрамової нитки і проходять через перший і другий конденсатори для фокусування електронного пучка.
Після проходження через зразок електронний промінь відображається на проміжному дзеркалі за допомогою лінзи об’єктива, а потім поступово збільшується через проміжне дзеркало та проекційне дзеркало, а потім відображається на флуоресцентному екрані або фотопластинці. Проміжне дзеркало в основному регулює струм збудження, а збільшення можна безперервно змінювати від десятків разів до сотень тисяч разів; змінюючи фокусну відстань проміжного дзеркала, можна отримати зображення електронного мікроскопа та електронної дифракції на крихітних частинах одного зразка. .
Для дослідження більш товстих металевих зразків французька лабораторія електронної оптики Dulos розробила електронний мікроскоп надвисокої напруги з прискорювальною напругою 3500 кВ. Електронний промінь скануючого електронного мікроскопа не проходить через зразок, а лише сканує та збуджує вторинні електрони на поверхні зразка. Сцинтиляційний кристал, розміщений поруч із зразком, приймає ці вторинні електрони та модулює інтенсивність електронного пучка кінескопа після підсилення, тим самим змінюючи яскравість на екрані кінескопа.
Відхиляюче ярмо кінескопа продовжує сканувати синхронно з електронним променем на поверхні зразка, так що флуоресцентний екран кінескопа відображає топографічне зображення поверхні зразка, що подібно до принципу роботи промислового телебачення. Роздільна здатність скануючого електронного мікроскопа в основному визначається діаметром електронного променя на поверхні зразка.
Збільшення — це відношення амплітуди сканування на кінескопі до амплітуди сканування на зразку, яке можна безперервно змінювати від десятків разів до сотень тисяч разів. Для скануючого електронного мікроскопа не потрібні дуже тонкі зразки; зображення має сильний тривимірний ефект; він може аналізувати склад матерії, використовуючи таку інформацію, як вторинні електрони, поглинені електрони та рентгенівське випромінювання, створене взаємодією електронних променів із речовиною.
Електронна гармата та конденсор скануючого електронного мікроскопа приблизно такі ж, як і трансмісійного електронного мікроскопа, але щоб зробити електронний промінь тоншим, під конденсорною лінзою додано лінзу об’єктива та астигматизм, а також два набори взаємних перпендикулярного сканування також встановлені всередині лінзи об'єктива. котушка. У камері для зразків під лінзою об’єктива розміщено столик для зразків, який можна переміщувати, обертати та нахиляти.
