Vad är observationsområdet för optiska mikroskop och elektronmikroskop
Ett optiskt mikroskops sammansättning och struktur Ett optiskt mikroskop består i allmänhet av en scen, ett spotlight-belysningssystem, en objektivlins, ett okular och en fokuseringsmekanism. Scenen används för att hålla föremålet som ska observeras. Fokuseringsmekanismen kan drivas av fokuseringsratten för att få scenen att röra sig upp och ner för grov justering och finjustering, så att det observerade objektet kan fokuseras och avbildas tydligt.
Dess övre skikt kan röra sig och rotera exakt i horisontalplanet och generellt anpassa den observerade delen till mitten av synfältet. Spotbelysningssystemet består av en ljuskälla och en kondensor. Kondensorns funktion är att koncentrera mer ljusenergi till den observerade delen. Den lysande lampans spektrala egenskaper måste vara kompatibla med mikroskopmottagarens arbetsband.
Objektivlinsen är placerad nära objektet som ska observeras, och det är linsen som realiserar den första nivån av förstoring. Flera objektivlinser med olika förstoringar installeras på objektivlinsomvandlaren samtidigt, och objektivlinserna med olika förstoringar kan komma in i den fungerande optiska banan genom att rotera omvandlaren. Förstoringen av objektivlinsen är vanligtvis 5 till 100 gånger. Objektivlinsen är det optiska element som spelar en avgörande roll för kvaliteten på bilden i mikroskopet.
Vanligtvis används akromatiska objektivlinser som kan korrigera kromatisk aberration för två ljusfärger; apokromatiska objektivlinser av högre kvalitet som kan korrigera kromatisk aberration för tre typer av färgljus; kan säkerställa att hela bildplanet för objektivlinsen är platt för att förbättra synfältet Plattfältsobjektiv med marginell bildkvalitet. Vätskesänkningsobjektiv används ofta i högförstoringsobjektiv, det vill säga brytningsindexet är 1 mellan den nedre ytan av objektivlinsen och den övre ytan av provarket.
5 vätska, kan det avsevärt förbättra upplösningen av mikroskopisk observation. Okularet är en lins som är placerad nära det mänskliga ögat för att uppnå den andra nivån av förstoring, och förstoringen av linsen är vanligtvis 5 till 20 gånger. Beroende på storleken på synfältet som kan ses kan okular delas in i två typer: vanliga okular med mindre synfält och storfältsokular (eller vidvinkelokular) med större synfält.
Både scenen och objektivlinsen måste kunna röra sig i förhållande till varandra längs objektivlinsens optiska axel för att uppnå fokusjustering och få en tydlig bild. När man arbetar med ett objektiv med hög förstoring är det tillåtna fokusomfånget ofta mindre än mikron, så mikroskopet måste ha en mycket exakt mikrofokuseringsmekanism. Gränsen för mikroskopets förstoring är den effektiva förstoringen, och mikroskopets upplösning hänvisar till det minsta avståndet mellan två objektpunkter som klart kan urskiljas av mikroskopet.
Upplösning och förstoring är två olika men relaterade begrepp. När den numeriska bländaren för den valda objektivlinsen inte är tillräckligt stor, det vill säga upplösningen inte är tillräckligt hög, kan mikroskopet inte urskilja objektets fina struktur. Vid denna tidpunkt, även om förstoringen är överdrivet ökad, kan den erhållna bilden bara vara en bild med en stor kontur men oklara detaljer. , kallad ogiltig förstoring.
Omvänt, om upplösningen uppfyller kraven men förstoringen är otillräcklig, har mikroskopet förmågan att lösa upp, men bilden är fortfarande för liten för att tydligt ses av mänskliga ögon. Därför, för att ge fullt spel åt mikroskopets upplösningsförmåga, bör den numeriska bländaren vara rimligt anpassad till mikroskopets totala förstoring. Spotlight-belysningssystemet har stor inverkan på mikroskopets bildprestanda, men det är en länk som lätt förbises av användarna.
Dess funktion är att ge tillräcklig och enhetlig belysning av objektytan. Ljusstrålen som sänds av kondensorn ska säkerställa att den fyller objektivlinsens bländarvinkel, annars kan den högsta upplösningen som objektivlinsen kan uppnå inte utnyttjas fullt ut. För detta ändamål är kondensorn utrustad med ett bländare med variabel bländare liknande det i den fotografiska objektivlinsen, som kan justera storleken på bländaren och används för att justera bländaröppningen på belysningsstrålen för att matcha objektivets bländarvinkel. lins.
Genom att ändra belysningsmetoden kan olika observationsmetoder som mörka objektpunkter på en ljus bakgrund (kallad ljusfältsbelysning) eller ljusa objektpunkter på en mörk bakgrund (kallas mörkfältsbelysning) erhållas, för att bättre upptäcka och observera mikrostruktur. Ett elektronmikroskop är ett instrument som använder elektronstrålar och elektronlinser istället för ljusstrålar och optiska linser för att avbilda ämnens fina strukturer i mycket höga förstoringar baserat på principen om elektronoptik.
Upplösningsförmågan hos ett elektronmikroskop representeras av det minsta avståndet mellan två angränsande punkter som det kan lösa. På 1970-talet var upplösningen för transmissionselektronmikroskopet cirka 0,3 nanometer (det mänskliga ögats upplösningsförmåga var cirka 0,1 mm). Nu överstiger den maximala förstoringen av elektronmikroskopet 3 miljoner gånger, medan den maximala förstoringen av det optiska mikroskopet är cirka 2000 gånger, så atomerna i vissa tungmetaller och de prydligt arrangerade atomgittren i kristallen kan observeras direkt genom elektronmikroskopet .
År 1931 monterade Knorr-Bremse och Ruska i Tyskland om ett högspänningsoscilloskop med en kallkatodurladdningselektronkälla och tre elektronlinser och fick en bild som förstorades mer än tio gånger, vilket bekräftade möjligheten till förstorad avbildning med elektronmikroskop. 1932, efter Ruskas förbättring, nådde elektronmikroskopets upplösningsförmåga 50 nanometer, ungefär tio gånger upplösningsförmågan hos det optiska mikroskopet vid den tiden, så elektronmikroskopet började få folks uppmärksamhet.
På 1940-talet använde Hill i USA en astigmatisator för att kompensera rotationsasymmetrin hos elektronlinsen, vilket gjorde ett nytt genombrott i elektronmikroskopets upplösningsförmåga och gradvis nådde den moderna nivån. I Kina utvecklades ett transmissionselektronmikroskop framgångsrikt 1958 med en upplösning på 3 nanometer, och 1979 tillverkades det med en upplösning på 0.
3nm stort elektronmikroskop. Även om elektronmikroskopets upplösningsförmåga är mycket bättre än det optiska mikroskopets, är det svårt att observera levande organismer eftersom elektronmikroskopet behöver arbeta under vakuumförhållanden, och bestrålningen av elektronstrålen kommer också att få de biologiska proverna att skadas av strålning. Andra frågor, såsom förbättringen av ljusstyrkan hos elektronkanonen och kvaliteten på elektronlinsen, behöver också studeras ytterligare.
Upplösningsförmåga är en viktig indikator för elektronmikroskopi, som är relaterad till den infallande konvinkeln och våglängden hos elektronstrålen som passerar genom provet. Våglängden för synligt ljus är ungefär {{0}} nanometer, medan våglängden för elektronstrålar är relaterad till accelerationsspänningen. När accelerationsspänningen är 50-100 kV är elektronstrålens våglängd cirka 0.
0053 till 0,0037 nm. Eftersom elektronstrålens våglängd är mycket mindre än våglängden för synligt ljus, även om konvinkeln på elektronstrålen bara är 1 procent av det optiska mikroskopets, är upplösningsförmågan hos elektronmikroskopet fortfarande mycket överlägsen den. av det optiska mikroskopet. Elektronmikroskop består av tre delar: linshylsa, vakuumsystem och strömförsörjningsskåp.
Linsröret innehåller huvudsakligen elektronkanoner, elektronlinser, provhållare, fluorescerande skärmar och kameramekanismer. Dessa komponenter är vanligtvis sammansatta i en kolumn från topp till botten; Vakuumsystemet består av mekaniska vakuumpumpar, diffusionspumpar och vakuumventiler. Gasledningen är ansluten till linshylsan; Elskåpet består av en högspänningsgenerator, en magnetiseringsströmstabilisator och olika justeringsstyrenheter.
Elektronlinsen är den viktigaste delen av elektronmikroskopets linshylsa. Den använder ett elektriskt rymdfält eller magnetfält som är symmetriskt till linscylinderns axel för att böja elektronspåret till axeln för att bilda ett fokus. Dess funktion liknar den hos en konvex glaslins för att fokusera strålen, så den kallas elektron. lins. De flesta moderna elektronmikroskop använder elektromagnetiska linser, som fokuserar elektroner genom ett starkt magnetfält som genereras av en mycket stabil DC-excitationsström som passerar genom en spole med polskor.
Elektronpistolen är en komponent som består av en varm katod av volframfilament, ett galler och en katod. Den kan sända ut och bilda en elektronstråle med en enhetlig hastighet, så stabiliteten hos accelerationsspänningen måste vara inte mindre än en tiotusendel. Elektronmikroskop kan delas in i transmissionselektronmikroskop, svepelektronmikroskop, reflektionselektronmikroskop och emissionselektronmikroskop enligt deras strukturer och användningsområden.
Transmissionselektronmikroskop används ofta för att observera de fina materialstrukturerna som inte kan lösas upp med vanliga mikroskop; svepelektronmikroskop används huvudsakligen för att observera morfologin hos fasta ytor, och kan även kombineras med röntgendiffraktometrar eller elektronenergispektrometrar för att bilda elektroniska mikrosonder för analys av materialsammansättning; emissionselektronmikroskopi för studiet av självemitterande elektronytor.
Transmissionselektronmikroskopet är uppkallat efter att elektronstrålen penetrerar provet och sedan förstorar bilden med elektronlinsen. Dess optiska väg liknar den för ett optiskt mikroskop. I denna typ av elektronmikroskop skapas kontrasten i bilddetalj genom spridningen av elektronstrålen av atomerna i provet. Den tunnare eller lägre densitetsdelen av provet har mindre elektronstrålespridning, så att fler elektroner passerar genom objektivets membran och deltar i avbildningen och ser ljusare ut i bilden.
Omvänt ser tjockare eller tätare delar av provet mörkare ut i bilden. Om provet är för tjockt eller för tätt kommer kontrasten i bilden att försämras, eller till och med skadas eller förstöras genom att absorbera elektronstrålens energi. Den övre delen av transmissionselektronmikroskopets linshylsa är en elektronpistol. Elektronerna emitteras av den heta volframkatoden, och elektronstrålarna fokuseras av den första och andra kondensorn.
Efter att ha passerat genom provet avbildas elektronstrålen på den mellanliggande spegeln av objektivlinsen, och förstoras sedan steg för steg genom den mellanliggande spegeln och projektionsspegeln och avbildas sedan på den fluorescerande skärmen eller den fotokoherenta plattan. Förstoringen av den mellanliggande spegeln kan kontinuerligt ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger, huvudsakligen genom justering av excitationsströmmen; genom att ändra brännvidden på mellanspegeln kan elektronmikroskopiska bilder och elektrondiffraktionsbilder erhållas på de små delarna av samma prov.
För att studera tjockare metallskivor utvecklade franska Dulos Electron Optics Laboratory ett ultrahögspänningselektronmikroskop med en accelererande spänning på 3500 kV. Elektronstrålen i svepelektronmikroskopet passerar inte genom provet, utan skannar och exciterar endast sekundära elektroner på provets yta. Scintillationskristallen som placeras bredvid provet tar emot dessa sekundära elektroner, förstärker och modulerar elektronstråleintensiteten hos bildröret, och ändrar därigenom ljusstyrkan på bildrörets skärm.
Bildrörets avböjningsspole håller synkron scanning med elektronstrålen på ytan av provet, så att bildrörets fluorescerande skärm visar den topografiska bilden av provytan, vilket liknar arbetsprincipen för en industriell TV . Upplösningen för ett svepelektronmikroskop bestäms huvudsakligen av diametern på elektronstrålen på provytan.
Förstoringen är förhållandet mellan scanningsamplituden på bildröret och scanningsamplituden på provet, som kontinuerligt kan ändras från tiotals gånger till hundratusentals gånger. Svepelektronmikroskopet kräver inte ett mycket tunt prov; bilden har en stark tredimensionell effekt; den kan använda information som sekundära elektroner, absorberade elektroner och röntgenstrålar som genereras av interaktionen mellan elektronstrålen och ämnet för att analysera ämnets sammansättning.
Elektronkanonen och kondensorlinsen i ett svepelektronmikroskop är ungefär desamma som i ett transmissionselektronmikroskop, men för att göra elektronstrålen tunnare läggs en objektivlins och en astigmatisator till under kondensorlinsen, och två uppsättningar av ömsesidigt vinkelräta skanningsstrålar är installerade inuti objektivlinsen. spole. Provkammaren under objektivlinsen är utrustad med ett provbord som kan röra sig, rotera och luta.
