Jaki jest zakres obserwacji mikroskopu świetlnego i mikroskopu elektronowego
Budowa mikroskopu optycznego Mikroskop optyczny składa się zasadniczo ze stolika przedmiotowego, układu oświetlenia kondensora, soczewki obiektywu, okularu i mechanizmu ogniskującego. Scena służy do trzymania obserwowanego obiektu. Mechanizm ustawiania ostrości może być napędzany pokrętłem ustawiania ostrości, aby przesuwać scenę w górę iw dół w celu regulacji zgrubnej i precyzyjnej, dzięki czemu obserwowany obiekt może być wyostrzony i wyraźnie zobrazowany.
Jego górna warstwa może być precyzyjnie przesuwana i obracana w płaszczyźnie poziomej, a obserwowana część jest generalnie ustawiana na środek pola widzenia. System oświetlenia punktowego składa się ze źródła światła i soczewki kondensora. Funkcją soczewki kondensora jest skupienie większej ilości energii świetlnej na obserwowanej części. Charakterystykę widmową oświetlacza należy dostosować do pasma roboczego odbiornika mikroskopu.
Soczewka obiektywu znajduje się w pobliżu obserwowanego obiektu i jest soczewką realizującą powiększenie pierwszego stopnia. Kilka obiektywów o różnych powiększeniach jest jednocześnie zainstalowanych na konwerterze obiektywu, a obiektyw o różnych powiększeniach może wejść na roboczą ścieżkę optyczną, obracając konwerter. Powiększenie obiektywu wynosi zwykle od 5 do 100 razy. Soczewka obiektywu jest elementem optycznym, który ma decydujący wpływ na jakość obrazu w mikroskopie.
Powszechnie używane obiektywy achromatyczne, które mogą korygować aberrację chromatyczną dla dwóch kolorów światła; wyższej jakości obiektywy apochromatyczne, które mogą korygować aberrację chromatyczną dla trzech kolorów światła; może zapewnić, że cała płaszczyzna obrazu obiektywu jest płaszczyzną, aby poprawić pole widzenia Obiektywy o płaskim polu z marginalną jakością obrazu. Obiektywy immersyjne w płynie są często stosowane w soczewkach obiektywowych o dużej mocy, to znaczy współczynnik załamania światła równy 1 jest wypełniony między dolną powierzchnią soczewki obiektywu a górną powierzchnią arkusza próbki.
5 lub więcej, może znacznie poprawić rozdzielczość obserwacji mikroskopowych. Okular jest soczewką umieszczoną blisko ludzkiego oka w celu uzyskania powiększenia drugiego poziomu, a powiększenie lustra wynosi zwykle od 5 do 20 razy. W zależności od wielkości pola widzenia, które można zobaczyć, okulary można podzielić na zwykłe okulary o mniejszym polu widzenia i okulary o dużym polu widzenia (lub okulary szerokokątne) o większym polu widzenia.
Zarówno stolik, jak i soczewka obiektywu muszą mieć możliwość poruszania się względem osi optycznej soczewki obiektywu, aby uzyskać regulację ostrości i wyraźny obraz. Podczas pracy z obiektywem o dużym powiększeniu dopuszczalny zakres ogniskowania jest często mniejszy niż mikron, dlatego mikroskop musi mieć niezwykle precyzyjny mechanizm mikroogniskowania. Granicą powiększenia mikroskopu jest powiększenie efektywne, a rozdzielczość mikroskopu odnosi się do minimalnej odległości między dwoma punktami obiektu, którą mikroskop może wyraźnie rozróżnić.
Rozdzielczość i powiększenie to dwa odrębne, ale powiązane ze sobą pojęcia. Kiedy apertura numeryczna wybranego obiektywu nie jest wystarczająco duża, to znaczy rozdzielczość nie jest wystarczająco wysoka, mikroskop nie może rozróżnić drobnej struktury obiektu. W tym momencie, nawet jeśli powiększenie zostanie nadmiernie zwiększone, można uzyskać tylko obraz z dużymi konturami, ale niewyraźnymi szczegółami. , zwane powiększeniem nieefektywnym.
Z drugiej strony, jeśli rozdzielczość spełnia wymagania, a powiększenie jest niewystarczające, mikroskop ma zdolność rozdzielania, ale obraz jest zbyt mały, aby mógł być wyraźnie widziany przez ludzkie oko. Dlatego, aby w pełni wykorzystać zdolność rozdzielczą mikroskopu, apertura numeryczna powinna być rozsądnie dopasowana do całkowitego powiększenia mikroskopu. System oświetlenia skondensowanego ma ogromny wpływ na jakość obrazowania mikroskopu, ale jest to również ogniwo, które użytkownicy łatwo przeoczą.
Jego zadaniem jest zapewnienie dostatecznego i równomiernego oświetlenia powierzchni obiektu. Wiązka z kondensora powinna być w stanie wypełnić kąt apertury soczewki obiektywu, w przeciwnym razie nie można w pełni wykorzystać najwyższej rozdzielczości, jaką może osiągnąć soczewka obiektywu. W tym celu kondensor jest wyposażony w przysłonę o zmiennej aperturze, podobną do tej w obiektywie fotograficznym, a rozmiar apertury można regulować, aby dopasować aperturę wiązki oświetlenia do kąta apertury obiektywu.
Zmieniając metodę oświetlenia, można uzyskać różne metody obserwacji, takie jak ciemne punkty obiektów na jasnym tle (nazywane oświetleniem jasnego pola) lub jasne punkty obiektów na ciemnym tle (nazywane oświetleniem ciemnego pola), aby lepiej wykrywać w różnych sytuacjach i obserwować mikrostrukturę. Mikroskop elektronowy jest instrumentem, który zastępuje wiązkę światła i soczewkę optyczną wiązką elektronów i soczewką elektronową zgodnie z zasadami optyki elektronowej, dzięki czemu drobna struktura materii może być obrazowana przy bardzo dużym powiększeniu.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego wyraża się jako najmniejsza odległość między dwoma sąsiednimi punktami, jaką może on rozróżnić. W latach siedemdziesiątych XX wieku rozdzielczość transmisyjnych mikroskopów elektronowych wynosiła około 0,3 nanometra (zdolność rozdzielcza ludzkiego oka wynosiła około 0,1 mm). Teraz maksymalne powiększenie mikroskopu elektronowego wynosi ponad 3 miliony razy, a maksymalne powiększenie mikroskopu optycznego wynosi około 2000 razy, więc atomy niektórych metali ciężkich i starannie ułożoną sieć atomową w kryształach można bezpośrednio obserwować pod mikroskopem elektronowym.
W 1931 roku Knorr-Bremse i Ruska w Niemczech zmodyfikowali oscyloskop wysokonapięciowy ze źródłem elektronów wyładowczych z zimną katodą i trzema soczewkami elektronowymi i uzyskali obraz powiększony ponad dziesięciokrotnie, co potwierdziło możliwość obrazowania w powiększeniu za pomocą mikroskopu elektronowego . . W 1932 roku, po ulepszeniu Ruski, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego osiągnęła 50 nanometrów, co stanowiło około dziesięciokrotność zdolności rozdzielczej ówczesnego mikroskopu optycznego, więc mikroskop elektronowy zaczął przyciągać uwagę ludzi.
W latach czterdziestych XX wieku Hill w Stanach Zjednoczonych użył astygmatysty do skompensowania asymetrii obrotowej soczewki elektronowej, co spowodowało nowy przełom w zdolności rozdzielczej mikroskopu elektronowego i stopniowo osiągnęło współczesny poziom. W Chinach transmisyjny mikroskop elektronowy został pomyślnie opracowany w 1958 roku z rozdzielczością 3 nanometrów, aw 1979 roku został wykonany z rozdzielczością 0.
Duży mikroskop elektronowy 3 nm. Chociaż zdolność rozdzielcza mikroskopów elektronowych jest znacznie lepsza niż mikroskopów optycznych, obserwacja żywych organizmów jest trudna, ponieważ mikroskopy elektronowe muszą pracować w warunkach próżni, a napromieniowanie wiązkami elektronów spowoduje również uszkodzenie promieniowania próbek biologicznych. Inne kwestie, takie jak poprawa jasności działa elektronowego i jakość soczewki elektronowej, również wymagają dalszych badań.
Zdolność rozdzielcza jest ważnym wskaźnikiem mikroskopii elektronowej, który jest powiązany z kątem stożka padającego i długością fali wiązki elektronów przechodzącej przez próbkę. Długość fali światła widzialnego wynosi od około 300 do 700 nanometrów, podczas gdy długość fali wiązki elektronów jest związana z napięciem przyspieszającym. Gdy napięcie przyspieszające wynosi 50-100 kV, długość fali wiązki elektronów wynosi około 0.
0053 do 0,0037 nm. Ponieważ długość fali wiązki elektronów jest znacznie mniejsza niż długość fali światła widzialnego, nawet jeśli kąt stożka wiązki elektronów wynosi tylko 1 procent kąta padającego w mikroskopie optycznym, zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest wciąż znacznie większa niż mikroskopu optycznego. Mikroskop elektronowy składa się z trzech części: tubusu obiektywu, układu próżniowego oraz szafy zasilającej.
Tuba obiektywu obejmuje głównie działo elektronowe, soczewkę elektronową, uchwyt próbki, ekran fluorescencyjny i mechanizm kamery, które zwykle są montowane w cylindrze od góry do dołu; system próżniowy składa się z mechanicznej pompy próżniowej, pompy dyfuzyjnej i zaworu próżniowego itp. Rurociąg gazowy jest połączony z lufą obiektywu; szafa zasilająca składa się z generatora wysokiego napięcia, stabilizatora prądu wzbudzenia oraz różnych jednostek regulujących i sterujących.
Soczewka elektronowa jest najważniejszą częścią korpusu mikroskopu elektronowego. Wykorzystuje przestrzenne pole elektryczne lub magnetyczne, które jest symetryczne względem osi tubusu obiektywu, aby zakrzywić trajektorię elektronów względem osi, tworząc ogniskowanie. Jego funkcja jest podobna do funkcji szklanej soczewki wypukłej polegającej na skupianiu wiązki, dlatego nazywa się ją elektronem. obiektyw. Większość nowoczesnych mikroskopów elektronowych wykorzystuje soczewki elektromagnetyczne, które skupiają elektrony za pomocą silnego pola magnetycznego generowanego przez bardzo stabilny prąd wzbudzenia DC przez cewkę z nabiegunnikiem.
Działo elektronowe jest elementem składającym się z gorącej katody z włókna wolframowego, siatki i katody. Może emitować i tworzyć wiązkę elektronów z jednakową prędkością, więc stabilność napięcia przyspieszającego jest nie mniejsza niż 1/10,{2}}. Mikroskopy elektronowe można podzielić na transmisyjne mikroskopy elektronowe, skaningowe mikroskopy elektronowe, refleksyjne mikroskopy elektronowe i emisyjne mikroskopy elektronowe zgodnie z ich budową i zastosowaniem.
Transmisyjne mikroskopy elektronowe są często używane do obserwacji tych drobnych struktur materiałowych, których nie można rozróżnić zwykłymi mikroskopami; Skaningowe mikroskopy elektronowe są używane głównie do obserwacji morfologii powierzchni ciał stałych, a także mogą być łączone z dyfraktometrami rentgenowskimi lub spektrometrami energii elektronów w celu tworzenia elektronów. Mikrosondy do analizy składu materiałów; Emisyjna mikroskopia elektronowa do badania samoemisyjnych powierzchni elektronowych.
Nazwa projekcyjnego mikroskopu elektronowego pochodzi od tego, jak wiązka elektronów penetruje próbkę, a następnie wykorzystuje soczewkę elektronową do obrazowania i powiększania. Jego droga optyczna jest podobna do drogi optycznej mikroskopu. W tym mikroskopie elektronowym kontrast szczegółów obrazu jest tworzony przez rozpraszanie wiązki elektronów przez atomy próbki. W przypadku cieńszych lub mniej gęstych części próbki wiązka elektronów rozprasza się mniej, więc więcej elektronów przechodzi przez aperturę obiektywu, bierze udział w obrazowaniu i wydaje się jaśniejsze na obrazie.
I odwrotnie, grubsze lub gęstsze części próbki wydają się ciemniejsze na obrazie. Jeśli próbka jest zbyt gruba lub zbyt gęsta, kontrast obrazu ulegnie pogorszeniu, a nawet zostanie uszkodzony lub zniszczony przez pochłonięcie energii wiązki elektronów. W górnej części tuby transmisyjnego mikroskopu elektronowego znajduje się działo elektronowe. Elektrony są emitowane przez gorącą katodę z włókna wolframowego i przechodzą przez pierwszy i drugi kondensator, skupiając wiązkę elektronów.
Po przejściu przez próbkę wiązka elektronów jest obrazowana na zwierciadle pośrednim przez soczewkę obiektywu, a następnie stopniowo powiększana przez zwierciadło pośrednie i zwierciadło projekcyjne, a następnie obrazowana na ekranie fluorescencyjnym lub suchej płytce fotograficznej. Lustro pośrednie reguluje głównie prąd wzbudzenia, a powiększenie można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy; zmieniając ogniskową zwierciadła pośredniego, można uzyskać obrazy z mikroskopu elektronowego i dyfrakcji elektronów na małych częściach tej samej próbki. .
Aby badać grubsze próbki skrawków metalu, francuskie Laboratorium Optyki Elektronowej Dulos opracowało mikroskop elektronowy ultrawysokiego napięcia o napięciu przyspieszającym 3500 kV. Wiązka elektronów ze skaningowego mikroskopu elektronowego nie przechodzi przez próbkę, a jedynie skanuje i wzbudza elektrony wtórne na powierzchni próbki. Kryształ scyntylacyjny umieszczony obok próbki odbiera te wtórne elektrony i po wzmocnieniu moduluje intensywność wiązki elektronów kineskopu, zmieniając w ten sposób jasność na ekranie kineskopu.
Jarzmo odchylające kineskopu skanuje synchronicznie z wiązką elektronów na powierzchni próbki, dzięki czemu ekran fluorescencyjny kineskopu wyświetla topograficzny obraz powierzchni próbki, co jest podobne do zasady działania telewizji przemysłowej. Rozdzielczość skaningowego mikroskopu elektronowego zależy głównie od średnicy wiązki elektronów na powierzchni próbki.
Powiększenie to stosunek amplitudy skanowania kineskopu do amplitudy skanowania próbki, który można zmieniać w sposób ciągły od dziesiątek do setek tysięcy razy. Skaningowy mikroskop elektronowy nie wymaga bardzo cienkich próbek; obraz ma silny efekt trójwymiarowości; może analizować skład materii, wykorzystując informacje, takie jak elektrony wtórne, elektrony pochłonięte i promieniowanie rentgenowskie generowane przez oddziaływanie wiązek elektronów z materią.
Działo elektronowe i kondensor skaningowego mikroskopu elektronowego są mniej więcej takie same jak te w transmisyjnym mikroskopie elektronowym, ale aby wiązka elektronów była cieńsza, dodano soczewkę obiektywu i astygmatyzm pod soczewką kondensora oraz dwa zestawy wzajemnie skanowanie prostopadłe są również zainstalowane wewnątrz soczewki obiektywu. cewka. W komorze próbki pod soczewką obiektywu znajduje się stolik próbny, który można przesuwać, obracać i przechylać.
