Яка дальність спостереження оптичного мікроскопа та електронного мікроскопа
Склад і структура оптичного мікроскопа Оптичний мікроскоп зазвичай складається зі столика, системи освітлення прожектора, 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 може рухатися і обертатися точно в горизонтальній площині, і в цілому налаштовувати спостережувану частину до центру поля зору. Система точкового освітлення складається з джерела світла і конденсора. Функція конденсора полягає в концентрації більшої кількості світлової енергії в спостережуваній частині. Спектральні характеристики освітлювальної лампи повинні бути сумісні з робочим діапазоном приймача мікроскопа.
Лінза об'єктива розташована поблизу об'єкта спостереження, і саме вона реалізує перший рівень збільшення. На перетворювачі об'єктивів одночасно встановлено кілька лінз об'єктива з різними збільшеннями, причому лінзи об'єктивів з різними збільшеннями можуть 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 використовуються ахроматичні лінзи об’єктива, які можуть коригувати хроматичну аберацію для двох кольорів світла; високоякісні апохроматичні лінзи об’єктива, які можуть коригувати хроматичну аберацію для трьох видів кольорового світла; може гарантувати, що вся площина зображення лінзи об’єктива є плоскою, щоб покращити поле зору Об’єктиви з плоским полем із граничною якістю зображення. Рідинні імерсійні об’єктиви часто використовуються в об’єктивах із великим збільшенням, тобто показник заломлення між нижньою поверхнею лінзи об’єктива та верхньою поверхнею листа зразка становить 1.
5 рідини, це може значно покращити роздільну здатність мікроскопічного спостереження. Окуляр — це лінза, розташована поблизу людського ока для досягнення другого рівня збільшення, і збільшення лінзи зазвичай становить від 5 до 20 разів. За розміром поля зору, яке можна побачити, окуляри можна розділити на два типи: 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 один одного вздовж оптичної осі лінзи об’єктива, щоб досягти регулювання фокуса та отримати чітке зображення. При роботі з об’єктивом із великим збільшенням допустимий діапазон фокусування часто менше мікрон, тому мікроскоп повинен мати дуже 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 буде надмірно збільшено, отримане зображення може бути лише зображенням із великими контурами, але нечіткими деталями. , називається недійсним збільшенням.
І навпаки, якщо роздільна здатність відповідає вимогам, але збільшення недостатнє, мікроскоп має здатність розділяти, але зображення все ще занадто мале, щоб його чітко можна було побачити людським оком. Таким чином, для повного використання роздільної здатності мікроскопа числова апертура повинна відповідати загальному збільшенню мікроскопа. Система освітлення прожекторами має великий вплив на продуктивність зображення мікроскопа, але це зв’язок, який користувачі легко не помічають.
Його функція полягає в тому, щоб забезпечити достатнє і рівномірне освітлення поверхні предмета. Світловий промінь, який посилає конденсор, повинен забезпечити заповнення кута апертури лінзи об’єктива, інакше найвища роздільна здатність, яку може досягти лінза об’єктива, не може бути повністю використана. З цією метою конденсор оснащений діафрагмою зі змінною апертурою, подібною до діафрагми фотооб’єктива, яка може регулювати розмір апертури та використовується для налаштування апертури пучка освітлення відповідно до кута апертури об’єктива. об'єктив.
Змінюючи метод освітлення, можна отримати різні методи спостереження, такі як 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 виявити та спостерігати мікроструктура. Електронний мікроскоп — це прилад, який використовує електронні пучки та електронні лінзи замість світлових променів та оптичних лінз для зображення тонких структур речовин при дуже великих збільшеннях на основі принципу електронної оптики.
Роздільна здатність електронного мікроскопа представлена мінімальною відстанню між двома сусідніми точками, яку він може розділити. У 1970-х роках роздільна здатність просвічуючого електронного мікроскопа становила близько 0,3 нанометрів (роздільна здатність людського ока була приблизно 0,1 мм). Тепер максимальне збільшення електронного мікроскопа перевищує 3 мільйони разів, тоді як максимальне збільшення оптичного мікроскопа становить приблизно 2000 разів, тому атоми деяких важких металів і акуратно розташовані атомні решітки в кристалі можна безпосередньо спостерігати через електронний мікроскоп. .
У 1931 році Норр-Бремзе та Руска з Німеччини переобладнали високовольтний осцилограф із джерелом електронів із холодним катодом і трьома електронними лінзами й отримали зображення, збільшене більш ніж у десять разів, що підтвердило можливість збільшеного зображення електронного мікроскопа. У 1932 році, після удосконалення Руски, 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 США використав астигматизатор для компенсації асиметрії обертання електронної лінзи, що здійснило 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. Незважаючи на те, що роздільна здатність електронного мікроскопа набагато краща, ніж у оптичного мікроскопа, спостерігати за живими організмами важко, оскільки електронний мікроскоп повинен працювати в умовах вакууму, а опромінення електронним пучком також призведе до руйнування біологічних зразків. бути пошкоджені радіацією. 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 близько {{0}} нанометрів, тоді як довжина хвилі пучка електронів пов’язана з прискорювальною напругою. Коли прискорювальна напруга дорівнює 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 пучка становить лише 1 відсоток від кута оптичного мікроскопа, роздільна здатність електронного мікроскопа все одно набагато вища, ніж оптичного мікроскопа. Електронний мікроскоп складається з трьох частин: оправа об'єктива, вакуумна система і блок живлення.
Стовбур об’єктива в основному включає електронні гармати, електронні лінзи, тримачі зразків, флуоресцентні екрани та механізми камери. Ці компоненти зазвичай збираються в колону зверху вниз; вакуумна система складається з механічних вакуумних насосів, дифузійних насосів і вакуумних клапанів. Газопровід з'єднаний з оправою об'єктива; Силова шафа складається з генератора високої напруги, стабілізатора струму збудження та різних блоків регулювання регулювання.
Електронна лінза є найважливішою частиною оправи об’єктива електронного мікроскопа. Він використовує просторове електричне або магнітне поле, симетричне осі оправи лінзи, щоб згинати електронну доріжку до осі та формувати фокус. Його функція подібна до функції скляної опуклої лінзи для фокусування променя, тому вона називається електронною. об'єктив. Більшість сучасних електронних мікроскопів використовують електромагнітні лінзи, які фокусують електрони через сильне магнітне поле, створене дуже стабільним постійним струмом збудження, що проходить через котушку з полюсними башмаками.
Електронна гармата - це компонент, що складається з гарячого катода з вольфрамової нитки, сітки та катода. Він може випускати і формувати електронний пучок з рівномірною швидкістю, тому стабільність прискорювальної напруги повинна бути не менше однієї десятитисячної. 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 тонких структур матеріалу, які не можуть бути розпізнані 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 електронних мікрозондів для аналізу складу матеріалу; емісійна електронна мікроскопія для дослідження поверхонь самовипромінюючих електронів.
Трансмісійний електронний мікроскоп названий на честь того, що електронний промінь проникає в зразок, а потім збільшує зображення за допомогою електронної лінзи. Його оптичний шлях подібний до оптичного мікроскопа. У цьому типі електронного мікроскопа контраст у деталізації зображення створюється розсіюванням електронного пучка на атомах зразка. Тонша частина зразка або частина зразка з нижчою щільністю має менше розсіювання електронного променя, тому більше електронів проходить через діафрагму об’єктива та бере участь у формуванні зображення, і на зображенні виглядає яскравіше.
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 лінзи трансмісійного електронного мікроскопа є електронною гарматою. Електрони випускаються вольфрамовим гарячим катодом, а пучки електронів фокусуються першим і другим конденсаторами.
Після проходження через зразок електронний промінь відображається на проміжному дзеркалі лінзою об’єктива, потім поступово збільшується через проміжне дзеркало та проекційне дзеркало, а потім відображається на флуоресцентному екрані або фотокогерентній пластині. Збільшення проміжного дзеркала можна безперервно змінювати від десятків разів до сотень тисяч разів головним чином шляхом регулювання струму збудження; змінюючи фокусну відстань проміжного дзеркала, електронно-мікроскопічні зображення та зображення електронної дифракції можна отримати на крихітних частинах того самого 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, підсилює та модулює інтенсивність електронного пучка кінескопа, тим самим змінюючи яскравість на екрані кінескопа.
Котушка відхилення кінескопа підтримує синхронне сканування з електронним променем на поверхні зразка, так що флуоресцентний екран кінескопа відображає топографічне зображення поверхні зразка, що схоже на принцип роботи промислового телевізора. . 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 до сотень тисяч разів. Для скануючого електронного мікроскопа не потрібен дуже тонкий зразок; зображення має сильний тривимірний ефект; він може використовувати таку інформацію, як вторинні електрони, поглинені електрони та рентгенівські промені, створені взаємодією між електронним пучком і речовиною, для аналізу складу речовини.
Електронна гармата та конденсорна лінза скануючого електронного мікроскопа приблизно такі ж, як і просвічуючого електронного мікроскопа, але щоб зробити електронний промінь тоншим, об’єктив і астигматизатор додаються під збиральну лінзу, а також два комплекти всередині лінзи об'єктива встановлені взаємно перпендикулярні скануючі промені. котушка. Камера для зразків під лінзою об’єктива оснащена підставкою для зразків, яка може рухатися, обертатися та нахилятися.
