Hva er observasjonsområdet til optisk mikroskop og elektronmikroskop
Sammensetningen og strukturen til et optisk mikroskop Et optisk mikroskop består vanligvis av en scene, et spotlight-system, 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 bevege seg og rotere nøyaktig i horisontalplanet, og generelt justere den observerte delen til sentrum av synsfeltet. Punktbelysningssystemet består av en lyskilde og en kondensator. Kondensatorens funksjon er å konsentrere mer lysenergi til den observerte delen. Spektralegenskapene til den lysende lampen må være kompatible med arbeidsbåndet til mikroskopmottakeren.
Objektivlinsen er plassert nær objektet som skal observeres, og det er linsen som realiserer det første forstørrelsesnivået. Flere objektivlinser med forskjellige forstørrelser er installert på objektivlinsekonverteren samtidig, og objektivlinsene 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 det optiske elementet som spiller en avgjørende rolle for kvaliteten på bildet i mikroskopet.
Vanligvis brukt er akromatiske objektivlinser som kan korrigere kromatisk aberrasjon for to farger lys; apokromatiske objektivlinser av høyere kvalitet som kan korrigere kromatisk aberrasjon for tre typer fargelys; kan sikre at hele bildeplanet til objektivlinsen er flatt for å forbedre synsfeltet Flatefeltobjektiver med marginal bildekvalitet. Væskeneddykkingsobjektiver brukes ofte i objektiver med høy forstørrelse, det vil si at brytningsindeksen er 1 mellom den nedre overflaten av objektivlinsen og den øvre overflaten av prøvearket.
5 væske, kan det forbedre oppløsningen av mikroskopisk observasjon betydelig. Okularet er en linse som ligger nær det menneskelige øyet for å oppnå det andre nivået av forstørrelse, og forstørrelsen av linsen er vanligvis 5 til 20 ganger. I henhold til størrelsen på synsfeltet som kan sees, kan okularer deles inn i to typer: vanlige okularer med mindre synsfelt og storfelts okularer (eller vidvinkelokularer) med større synsfelt.
Både scenen og objektivlinsen må kunne bevege seg i forhold til hverandre langs den optiske aksen til objektivlinsen 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 mikron, så mikroskopet må ha en veldig presis mikrofokuseringsmekanisme. Grensen for mikroskopets forstørrelse 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 forskjellige, 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 det oppnådde bildet bare være et bilde med stor kontur, men uklare detaljer. , kalt den ugyldige forstørrelsen.
Omvendt, hvis oppløsningen oppfyller kravene, men forstørrelsen er utilstrekkelig, har mikroskopet evnen til å løse opp, men bildet er fortsatt for lite til å ses tydelig av menneskelige øyne. Derfor, for å gi fullt spill til mikroskopets oppløsningsevne, bør den numeriske blenderåpningen være rimelig tilpasset den totale forstørrelsen til mikroskopet. Spotlight-belysningssystemet har stor innvirkning på mikroskopets bildeytelse, men det er en kobling som lett blir oversett av brukerne.
Dens funksjon er å gi tilstrekkelig og jevn belysning av objektoverflaten. Lysstrålen som sendes av kondensatoren skal sørge for at den fyller 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 den fotografiske objektivlinsen, som kan justere størrelsen på blenderåpningen, og brukes til å justere blenderåpningen til belysningsstrålen for å matche objektivets blendervinkel. linse.
Ved å endre belysningsmetoden kan forskjellige observasjonsmetoder som mørke objektpunkter på en lys bakgrunn (kalt lysfeltbelysning) eller lyse objektpunkter på en mørk bakgrunn (kalt mørkfeltbelysning) oppnås, for å bedre oppdage og observere mikrostruktur. Et elektronmikroskop er et instrument som bruker elektronstråler og elektronlinser i stedet for lysstråler og optiske linser for å avbilde de fine strukturene til stoffer ved svært høye forstørrelser basert på elektronoptikkprinsippet.
Oppløsningskraften til et elektronmikroskop er representert av minimumsavstanden mellom to tilstøtende punkter som det kan løse. I 1970-årene var oppløsningen til transmisjonselektronmikroskopet omtrent 0,3 nanometer (oppløsningsevnen til det menneskelige øyet var omtrent 0,1 mm). Nå overstiger den maksimale forstørrelsen av elektronmikroskopet 3 millioner ganger, mens den maksimale forstørrelsen av det optiske mikroskopet er omtrent 2000 ganger, så atomene til noen tungmetaller og de pent arrangerte atomgitteret i krystallen kan observeres direkte gjennom elektronmikroskopet .
I 1931 monterte Knorr-Bremse og Ruska fra Tyskland et høyspentoscilloskop med en kaldkatodeutladningselektronkilde og tre elektronlinser, og oppnådde et bilde forstørret mer enn ti ganger, noe som bekreftet muligheten for elektronmikroskopforstørret avbildning. I 1932, etter Ruskas forbedring, nådde elektronmikroskopets oppløsningsevne 50 nanometer, omtrent ti ganger oppløsningskraften til det optiske mikroskopet på den tiden, så elektronmikroskopet begynte å få folks oppmerksomhet.
På 1940-tallet brukte Hill i USA en astigmatisator for å kompensere rotasjonsasymmetrien til elektronlinsen, noe 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 produsert med en oppløsning på 0.
3nm stort elektronmikroskop. Selv om oppløsningsevnen til elektronmikroskopet er langt bedre enn det optiske mikroskopets, er det vanskelig å observere levende organismer fordi elektronmikroskopet må jobbe under vakuumforhold, og bestrålingen av elektronstrålen vil også føre til at de biologiske prøvene bli skadet av stråling. Andre problemer, som forbedring av lysstyrken til elektronkanonen og kvaliteten på elektronlinsen, må også studeres videre.
Oppløsningskraft 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 {{0}} nanometer, mens bølgelengden til elektronstråler 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 det optiske mikroskopet, er oppløsningskraften til elektronmikroskopet fortsatt langt overlegen den. av det optiske mikroskopet. Elektronmikroskop består av tre deler: linsehylse, vakuumsystem og strømforsyningsskap.
Linserøret inkluderer hovedsakelig elektronkanoner, elektronlinser, prøveholdere, fluorescerende skjermer og kameramekanismer. Disse komponentene er vanligvis satt sammen til en kolonne fra topp til bunn; Vakuumsystemet består av mekaniske vakuumpumper, diffusjonspumper og vakuumventiler. Gassrørledningen er forbundet med linsehylsen; strømskapet består av en høyspenningsgenerator, en magnetiseringsstrømstabilisator og ulike justeringskontrollenheter.
Elektronlinsen er den viktigste delen av elektronmikroskopets linsehylse. Den bruker et romelektrisk felt eller magnetfelt symmetrisk til aksen til linsehylsen for å bøye elektronsporet til aksen for å danne et fokus. Dens funksjon ligner på en konveks glasslinse for å fokusere strålen, så den kalles elektron. linse. De fleste moderne elektronmikroskoper bruker elektromagnetiske linser, som fokuserer elektroner gjennom et sterkt magnetfelt generert av en meget stabil likestrømseksitasjonsstrøm som går gjennom en spole med 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 ensartet hastighet, så stabiliteten til akselerasjonsspenningen må ikke være mindre enn en ti tusendel. Elektronmikroskoper kan deles inn i transmisjonselektronmikroskoper, skanningelektronmikroskoper, refleksjonselektronmikroskoper og emisjonselektronmikroskoper i henhold til deres strukturer og bruksområder.
Transmisjonselektronmikroskoper brukes ofte for å observere de fine materialstrukturene som ikke kan løses med vanlige mikroskoper; skanningselektronmikroskoper brukes hovedsakelig for å observere morfologien til faste overflater, og kan også kombineres med røntgendiffraktometre eller elektronenergispektrometre for å danne elektroniske mikroprober for materialsammensetningsanalyse; emisjonselektronmikroskopi for studiet av selvemitterende elektronoverflater.
Transmisjonselektronmikroskopet er oppkalt etter at elektronstrålen trenger inn i prøven og deretter forstørrer bildet med elektronlinsen. Dens optiske vei er lik den til et optisk mikroskop. I denne typen elektronmikroskop skapes kontrasten i bildedetaljer ved spredning av elektronstrålen av atomene i prøven. Den tynnere eller lavere tetthetsdelen av prøven har mindre elektronstrålespredning, slik at flere elektroner passerer gjennom den objektive diafragmaen og deltar i avbildning, og fremstår lysere 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 transmisjonselektronmikroskoplinseløpet er en elektronkanon. Elektronene sendes ut av den varme wolframkatoden, og elektronstrålene fokuseres av den første og andre kondensatoren.
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 fotokoherente platen. Forstørrelsen av det mellomliggende speilet kan kontinuerlig endres fra titalls ganger til hundretusenvis av ganger, hovedsakelig gjennom justering av eksitasjonsstrømmen; ved å endre brennvidden til det mellomliggende speilet, kan elektronmikroskopiske bilder og elektrondiffraksjonsbilder oppnås på de små delene av samme prøve.
For å studere tykkere metallskiveprøver utviklet det franske Dulos Electron Optics Laboratory et ultrahøyspent elektronmikroskop med en akselererende spenning på 3500 kV. Elektronstrålen til skanningselektronmikroskopet passerer ikke gjennom prøven, men skanner og eksiterer bare sekundære elektroner på overflaten av prøven. Scintillasjonskrystallen plassert ved siden av prøven mottar disse sekundære elektronene, forsterker og modulerer elektronstråleintensiteten til bilderøret, og endrer derved lysstyrken på skjermen til bilderøret.
Avbøyningsspolen til bilderøret holder synkron skanning med elektronstrålen på overflaten av prøven, slik at den fluorescerende skjermen til bilderøret viser det topografiske bildet av prøveoverflaten, som ligner arbeidsprinsippet til en industriell TV . 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. Skanneelektronmikroskopet krever ikke en veldig tynn prøve; bildet har en sterk tredimensjonal effekt; den kan bruke informasjon som sekundære elektroner, absorberte elektroner og røntgenstråler generert av interaksjonen mellom elektronstrålen og stoffet for å analysere sammensetningen av stoffet.
Elektronkanonen og kondensatorlinsen til et skanningselektronmikroskop er omtrent de samme som i et transmisjonselektronmikroskop, men for å gjøre elektronstrålen tynnere, legges en objektivlinse og en astigmatisator under kondensatorlinsen, og to sett med gjensidig vinkelrette skannestråler er installert inne i objektivlinsen. Spole. Prøvekammeret under objektivlinsen er utstyrt med et prøvetrinn som kan bevege seg, rotere og vippe.
