Hva er observasjonsområdet til lysmikroskop og elektronmikroskop
Strukturen til det optiske mikroskopet Det optiske mikroskopet er vanligvis sammensatt av en scene, et kondensatorbelysningssystem, en objektivlinse, et okular og en fokuseringsmekanisme. Scenen brukes til å holde objektet som skal observeres. Fokuseringsmekanismen kan drives av fokuseringsknappen for å få scenen til å bevege seg opp og ned for grovjustering og finjustering, slik at det observerte objektet kan fokuseres og avbildes tydelig.
Det øvre laget kan flyttes og roteres nøyaktig i horisontalplanet, og den observerte delen er generelt justert til sentrum av synsfeltet. Spotlight-belysningssystemet består av en lyskilde og en kondensatorlinse. Kondensatorlinsens funksjon er å konsentrere mer lysenergi til den observerte delen. Spektralegenskapene til belysningsinstrumentet må tilpasses arbeidsbåndet til mikroskopets mottaker.
Objektivlinsen er plassert nær det observerte objektet og er linsen som realiserer førstenivåforstørrelsen. Flere objektivlinser med forskjellige forstørrelser er installert på objektivlinsekonverteren samtidig, og objektivlinsen med forskjellige forstørrelser kan gå inn i den fungerende optiske banen ved å rotere omformeren. Forstørrelsen av objektivlinsen er vanligvis 5 til 100 ganger. Objektivlinsen er et optisk element som spiller en avgjørende rolle for kvaliteten på bildet i mikroskopet.
Vanlig brukte akromatiske objektiver som kan korrigere kromatisk aberrasjon for to lysfarger; apokromatiske objektiver av høyere kvalitet som kan korrigere kromatisk aberrasjon for tre lysfarger; kan sikre at hele bildeplanet til objektivlinsen er et plan, for å forbedre synsfeltet Flate feltobjektiver med marginal bildekvalitet. Væskenedsenkningsobjektiver brukes ofte i objektiv med høy effekt, det vil si at brytningsindeksen på 1 fylles mellom den nedre overflaten av objektivlinsen og den øvre overflaten av prøvearket.
5 eller så, kan det forbedre oppløsningen av mikroskopisk observasjon betydelig. Okularet er en linse som er plassert nær det menneskelige øyet for å oppnå forstørrelse på andre nivå, og forstørrelsen av speilet er vanligvis 5 til 20 ganger. I henhold til størrelsen på synsfeltet som kan sees, kan okularer deles inn i vanlige okularer med mindre synsfelt og storfelts okularer (eller vidvinkelokularer) med større synsfelt.
Både scenen og objektivlinsen må kunne bevege seg i forhold til objektivets optiske akse for å oppnå fokusjustering og få et klart bilde. Når du arbeider med et objektiv med høy forstørrelse, er det tillatte fokusområdet ofte mindre enn en mikron, så mikroskopet må ha en ekstremt presis mikrofokuseringsmekanisme. Grensen for mikroskopforstørrelse er den effektive forstørrelsen, og oppløsningen til mikroskopet refererer til minimumsavstanden mellom to objektpunkter som tydelig kan skilles fra mikroskopet.
Oppløsning og forstørrelse er to distinkte, men beslektede konsepter. Når den numeriske blenderåpningen til den valgte objektivlinsen ikke er stor nok, det vil si at oppløsningen ikke er høy nok, kan ikke mikroskopet skille den fine strukturen til objektet. På dette tidspunktet, selv om forstørrelsen økes for mye, kan bare et bilde med store omriss men uklare detaljer oppnås. , kalt ineffektiv forstørrelse.
På den annen side, hvis oppløsningen har oppfylt kravene og forstørrelsen er utilstrekkelig, har mikroskopet evnen til å løse opp, men bildet er for lite til å ses tydelig av det menneskelige øyet. Derfor, for å gi fullt spill til mikroskopets oppløsningsevne, bør den numeriske blenderåpningen være rimelig tilpasset den totale forstørrelsen til mikroskopet. Det kondenserte belysningssystemet har stor innflytelse på mikroskopets bildeytelse, men det er også en kobling som lett blir oversett av brukerne.
Dens funksjon er å gi tilstrekkelig og jevn belysning av objektets overflate. Strålen fra kondensatoren skal kunne fylle blendervinkelen til objektivlinsen, ellers kan den høyeste oppløsningen som objektivlinsen kan oppnå ikke utnyttes fullt ut. For dette formålet er kondensatoren utstyrt med en blender med variabel blenderåpning som ligner den i det fotografiske objektivet, og blenderåpningsstørrelsen kan justeres for å justere belysningsstråleåpningen for å matche objektivets blendervinkel.
Ved å endre belysningsmetoden kan du få forskjellige observasjonsmetoder som mørke objektpunkter på en lys bakgrunn (kalt lysfeltbelysning) eller lyse objektpunkter på mørk bakgrunn (kalt mørkfeltbelysning), for å oppdage bedre i forskjellige situasjoner og observere mikrostrukturen. Elektronmikroskop er et instrument som erstatter lysstråle og optisk linse med elektronstråle og elektronlinse etter prinsippet om elektronoptikk, slik at den fine strukturen til materie kan avbildes under svært høy forstørrelse.
Oppløsningskraften til et elektronmikroskop uttrykkes ved den minste avstanden mellom to tilstøtende punkter det kan løse. I 1970-årene var oppløsningen til transmisjonselektronmikroskoper omtrent 0,3 nanometer (oppløsningsevnen til det menneskelige øyet var omtrent 0,1 mm). Nå er den maksimale forstørrelsen av elektronmikroskop mer enn 3 millioner ganger, og den maksimale forstørrelsen av optisk mikroskop er omtrent 2000 ganger, så atomene til visse tungmetaller og det pent arrangerte atomgitteret i krystaller kan observeres direkte gjennom elektronmikroskop.
I 1931 modifiserte Knorr-Bremse og Ruska i Tyskland et høyspenningsoscilloskop med en kaldkatodeutladningselektronkilde og tre elektronlinser, og oppnådde et forstørret bilde mer enn ti ganger, noe som bekreftet muligheten for å forstørre avbildning med et elektronmikroskop . . I 1932, etter Ruskas forbedring, nådde elektronmikroskopets oppløsningsevne 50 nanometer, som var omtrent ti ganger oppløsningskraften til det optiske mikroskopet på den tiden, så elektronmikroskopet begynte å tiltrekke seg folks oppmerksomhet.
På 1940-tallet brukte Hill i USA en astigmatiker for å kompensere for rotasjonsasymmetrien til elektronlinsen, som gjorde et nytt gjennombrudd i elektronmikroskopets oppløsningsevne og gradvis nådde det moderne nivået. I Kina ble et transmisjonselektronmikroskop med suksess utviklet i 1958 med en oppløsning på 3 nanometer, og i 1979 ble det laget med en oppløsning på 0.
3 nm stort elektronmikroskop. Selv om oppløsningsevnen til elektronmikroskoper er langt bedre enn den til optiske mikroskoper, er det vanskelig å observere levende organismer fordi elektronmikroskoper må jobbe under vakuumforhold, og bestråling av elektronstråler vil også forårsake strålingsskader på biologiske prøver. Andre problemer, som forbedring av lysstyrken til elektronkanonen og kvaliteten på elektronlinsen, må også studeres videre.
Oppløsningskraften er en viktig indikator på elektronmikroskopi, som er relatert til den innfallende kjeglevinkelen og bølgelengden til elektronstrålen som passerer gjennom prøven. Bølgelengden til synlig lys er omtrent 300 til 700 nanometer, mens bølgelengden til elektronstrålen er relatert til akselerasjonsspenningen. Når akselerasjonsspenningen er 50-100 kV, er elektronstrålens bølgelengde omtrent 0.
0053 til 0,0037 nm. Siden bølgelengden til elektronstrålen er mye mindre enn bølgelengden til synlig lys, selv om kjeglevinkelen til elektronstrålen bare er 1 prosent av den til et optisk mikroskop, er oppløsningskraften til et elektronmikroskop fortsatt langt overlegen den. av et optisk mikroskop. Elektronmikroskopet består av tre deler: linserøret, vakuumsystemet og strømforsyningsskapet.
Linserøret inkluderer hovedsakelig elektronkanon, elektronlinse, prøveholder, fluorescerende skjerm og kameramekanisme, som vanligvis er satt sammen til en sylinder fra topp til bunn; vakuumsystemet er sammensatt av mekanisk vakuumpumpe, diffusjonspumpe og vakuumventil, etc. Gassrørledningen er forbundet med linsehylsen; strømforsyningsskapet består av en høyspenningsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og ulike justerings- og kontrollenheter.
Elektronlinsen er den viktigste delen av elektronmikroskopet. Den bruker et romlig elektrisk felt eller magnetisk felt som er symmetrisk til aksen til linserøret for å bøye elektronbanen til aksen for å danne fokusering. Dens funksjon er lik den til den konvekse glasslinsen for å fokusere strålen, så den kalles elektron. linse. De fleste moderne elektronmikroskoper bruker elektromagnetiske linser, som fokuserer elektronene ved hjelp av et sterkt magnetfelt generert av en veldig stabil DC eksitasjonsstrøm gjennom en spole med en polsko.
Elektronkanonen er en komponent som består av en wolframfilament varm katode, et gitter og en katode. Den kan sende ut og danne en elektronstråle med jevn hastighet, så stabiliteten til akselerasjonsspenningen er ikke mindre enn 1/10,000. Elektronmikroskoper kan deles inn i transmisjonselektronmikroskop, skanningselektronmikroskop, refleksjonselektronmikroskop og emisjonselektronmikroskop i henhold til deres struktur og bruk.
Transmisjonselektronmikroskoper brukes ofte til å observere de fine materialstrukturene som ikke kan skilles fra vanlige mikroskoper; skanningselektronmikroskoper brukes hovedsakelig for å observere morfologien til faste overflater, og kan også kombineres med røntgendiffraktometre eller elektronenergispektrometre for å danne elektroner. Mikroprober for analyse av materialsammensetning; Emisjonselektronmikroskopi for studiet av selvemitterende elektronoverflater.
Projeksjonselektronmikroskopet er oppkalt etter at elektronstrålen trenger inn i prøven og deretter bruker elektronlinsen til å avbilde og forstørre. Dens optiske vei er lik den til et optisk mikroskop. I dette elektronmikroskopet skapes kontrasten til bildedetaljer ved spredning av elektronstrålen av atomene i prøven. Tynnere eller mindre tette deler av prøven sprer elektronstrålen mindre, slik at flere elektroner passerer gjennom objektivåpningen, deltar i avbildningen og ser lysere ut i bildet.
Omvendt ser tykkere eller tettere deler av prøven mørkere ut i bildet. Hvis prøven er for tykk eller for tett, vil kontrasten i bildet forringes eller til og med bli skadet eller ødelagt ved å absorbere energien til elektronstrålen. Toppen av transmisjonselektronmikroskoprøret er en elektronkanon. Elektronene sendes ut av wolframfilamentets varme katode og passerer gjennom den første og andre kondensatoren for å fokusere elektronstrålen.
Etter å ha passert gjennom prøven, blir elektronstrålen avbildet på det mellomliggende speilet av objektivlinsen, og deretter forstørret trinnvis gjennom det mellomliggende speilet og projeksjonsspeilet, og deretter avbildet på den fluorescerende skjermen eller den fotografiske tørre platen. Mellomspeilet justerer hovedsakelig eksitasjonsstrømmen, og forstørrelsen kan kontinuerlig endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger; ved å endre brennvidden til det mellomliggende speilet, kan elektronmikroskopbilder og elektrondiffraksjonsbilder oppnås på bittesmå deler av samme prøve. .
For å studere tykkere metallskiveprøver har det franske Dulos Electron Optics Laboratory utviklet et ultrahøyspent elektronmikroskop med en akselererende spenning på 3500 kV. Elektronstrålen til et skanningselektronmikroskop passerer ikke gjennom prøven, men skanner og eksiterer bare sekundære elektroner på overflaten av prøven. En scintillasjonskrystall plassert ved siden av prøven mottar disse sekundære elektronene og modulerer intensiteten til elektronstrålen til bilderøret etter forsterkning, og endrer derved lysstyrken på skjermen til bilderøret.
Avbøyningsåket til bilderøret fortsetter å skanne synkront med elektronstrålen på prøveoverflaten, slik at den fluorescerende skjermen til bilderøret viser det topografiske bildet av prøveoverflaten, som ligner arbeidsprinsippet til industriell fjernsyn. Oppløsningen til et skanningselektronmikroskop bestemmes hovedsakelig av diameteren til elektronstrålen på prøveoverflaten.
Forstørrelsen er forholdet mellom skanningsamplituden på bilderøret og skanningsamplituden på prøven, som kontinuerlig kan endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger. Skanneelektronmikroskop krever ikke veldig tynne prøver; bildet har en sterk tredimensjonal effekt; den kan analysere sammensetningen av materie ved å bruke informasjon som sekundære elektroner, absorberte elektroner og røntgenstråler generert av samspillet mellom elektronstråler og materie.
Elektronkanonen og kondensatoren til skanningselektronmikroskopet er omtrent de samme som transmisjonselektronmikroskopet, men for å gjøre elektronstrålen tynnere legges en objektivlinse og en astigmatisme til under kondensatorlinsen, og to sett gjensidig vinkelrett skanning er også installert inne i objektivlinsen. Spole. Prøvekammeret under objektivlinsen rommer prøvebordet som kan flyttes, roteres og vippes.
