Какова дальность наблюдения светового микроскопа и электронного микроскопа?
Структура оптического микроскопа Оптический микроскоп обычно состоит из предметного столика, системы конденсорного освещения, объектива, окуляра и механизма фокусировки. Этап используется для удержания объекта наблюдения. Механизм фокусировки может приводиться в действие ручкой фокусировки, чтобы заставить предметный столик двигаться вверх и вниз для грубой и точной настройки, чтобы наблюдаемый объект можно было сфокусировать и четко отобразить.
Его верхний слой можно точно перемещать и вращать в горизонтальной плоскости, а наблюдаемая часть обычно настраивается по центру поля зрения. Система прожекторного освещения состоит из источника света и конденсорной линзы. Функция конденсорной линзы состоит в том, чтобы концентрировать больше световой энергии в наблюдаемой части. Спектральные характеристики осветителя должны быть адаптированы к рабочему диапазону приемника микроскопа.
Линза объектива расположена вблизи наблюдаемого объекта и является линзой, реализующей увеличение первого уровня. На конвертер объективов устанавливаются одновременно несколько объективов с разным увеличением, причем объективы с разным увеличением могут входить в рабочий оптический тракт за счет вращения конвертора. Увеличение объектива обычно составляет от 5 до 100 раз. Объектив — оптический элемент, играющий решающую роль в качестве изображения в микроскопе.
Обычно используемые ахроматические объективы, которые могут корректировать хроматическую аберрацию для двух цветов света; апохроматические объективы более высокого качества, которые могут корректировать хроматическую аберрацию для трех цветов света; может гарантировать, что вся плоскость изображения объектива является плоскостью, чтобы улучшить поле зрения Объективы с плоским полем с минимальным качеством изображения. Жидкостные иммерсионные объективы часто используются в линзах объективов с большим увеличением, то есть показатель преломления 1 заполняется между нижней поверхностью линзы объектива и верхней поверхностью листа образца.
5 или около того, это может значительно улучшить разрешение микроскопических наблюдений. Окуляр представляет собой линзу, расположенную рядом с человеческим глазом для достижения увеличения второго уровня, а увеличение зеркала обычно составляет от 5 до 20 раз. По размеру видимого поля зрения окуляры можно разделить на обычные окуляры с меньшим полем зрения и окуляры с большим полем зрения (или широкоугольные окуляры) с большим полем зрения.
И предметный столик, и линза объектива должны иметь возможность перемещаться относительно оптической оси линзы объектива для регулировки фокуса и получения четкого изображения. При работе с объективом с большим увеличением допустимый диапазон фокусировки часто меньше микрона, поэтому микроскоп должен иметь чрезвычайно точный механизм микрофокусировки. Пределом увеличения микроскопа является эффективное увеличение, а разрешение микроскопа относится к минимальному расстоянию между двумя точками объекта, которые могут быть четко различимы микроскопом.
Разрешение и увеличение — два разных, но связанных понятия. Когда числовая апертура выбранного объектива недостаточно велика, то есть разрешение недостаточно велико, микроскоп не может различить тонкую структуру объекта. В это время даже при чрезмерном увеличении увеличения можно получить только изображение с крупным контуром, но нечеткими деталями. , называемое неэффективным увеличением.
С другой стороны, если разрешение соответствует требованиям, а увеличение недостаточно, микроскоп может разрешать, но изображение слишком мало, чтобы его можно было четко увидеть человеческим глазом. Следовательно, чтобы в полной мере использовать разрешающую способность микроскопа, числовая апертура должна быть разумно согласована с общим увеличением микроскопа. Система конденсированного освещения оказывает большое влияние на качество изображения микроскопа, но это также и звено, которое пользователи легко упускают из виду.
Его функция заключается в обеспечении достаточного и равномерного освещения поверхности объекта. Луч от конденсора должен быть в состоянии заполнить апертурный угол линзы объектива, в противном случае максимальное разрешение, которое может достичь линза объектива, не может быть использовано полностью. Для этой цели конденсор снабжен диафрагмой с переменной апертурой, аналогичной диафрагме в фотографическом объективе, и размер апертуры можно регулировать, чтобы настроить апертуру луча освещения в соответствии с углом апертуры объектива.
Изменяя метод освещения, вы можете получить различные методы наблюдения, такие как точки темного объекта на ярком фоне (так называемое освещение светлого поля) или точки яркого объекта на темном фоне (так называемое освещение темного поля), чтобы лучше обнаруживать в различных ситуациях. и наблюдать за микроструктурой. Электронный микроскоп — это прибор, который заменяет световой луч и оптическую линзу электронным лучом и электронной линзой в соответствии с принципом электронной оптики, так что тонкую структуру вещества можно отобразить при очень большом увеличении.
Разрешающая способность электронного микроскопа выражается наименьшим расстоянием между двумя соседними точками, которое он может разрешить. В 1970с разрешение просвечивающего электронного микроскопа составляло около 0,3 нанометра (разрешающая способность человеческого глаза была около 0,1 мм). Теперь максимальное увеличение электронного микроскопа составляет более 3 миллионов раз, а максимальное увеличение оптического микроскопа составляет около 2000 раз, поэтому атомы некоторых тяжелых металлов и аккуратно расположенную атомную решетку в кристаллах можно непосредственно наблюдать через электронный микроскоп.
В 1931 году Кнорр-Бремзе и Руска в Германии модифицировали высоковольтный осциллограф с разрядным источником электронов с холодным катодом и тремя электронными линзами и получили увеличенное изображение более чем в десять раз, что подтвердило возможность увеличения изображения с помощью электронного микроскопа. . . В 1932 году, после усовершенствования Руска, разрешающая способность электронного микроскопа достигла 50 нанометров, что примерно в десять раз превышало разрешающую способность оптического микроскопа того времени, поэтому электронный микроскоп начал привлекать внимание людей.
В 1940 годах Хилл в США применил астигматик для компенсации вращательной асимметрии электронной линзы, что совершило новый прорыв в разрешающей способности электронного микроскопа и постепенно достигло современного уровня. В Китае в 1958 г. был успешно разработан просвечивающий электронный микроскоп с разрешением 3 нанометра, а в 1979 г. он был изготовлен с разрешением 0.
Большой электронный микроскоп 3 нм. Хотя разрешающая способность электронных микроскопов намного лучше, чем у оптических микроскопов, наблюдать за живыми организмами сложно, поскольку электронные микроскопы должны работать в условиях вакуума, а облучение электронными лучами также вызывает радиационное повреждение биологических образцов. Другие вопросы, такие как улучшение яркости электронной пушки и качество электронной линзы, также нуждаются в дальнейшем изучении.
Разрешающая способность является важным показателем электронной микроскопии, который связан с углом падения конуса и длиной волны электронного луча, проходящего через образец. Длина волны видимого света составляет от 300 до 700 нанометров, а длина волны электронного луча связана с ускоряющим напряжением. При ускоряющем напряжении 50-100 кВ длина волны электронного пучка составляет около 0.
0053 до 0,0037 нм. Поскольку длина волны электронного луча намного меньше длины волны видимого света, даже если угол конусности электронного луча составляет всего 1 % от угла конусности оптического микроскопа, разрешающая способность электронного микроскопа все же намного превосходит разрешающую способность электронного микроскопа. оптического микроскопа. Электронный микроскоп состоит из трех частей: тубуса объектива, вакуумной системы и блока питания.
Тубус объектива в основном включает электронную пушку, электронную линзу, держатель образца, флуоресцентный экран и механизм камеры, которые обычно собираются в цилиндр сверху вниз; вакуумная система состоит из механического вакуумного насоса, диффузионного насоса, вакуумного клапана и т. д. Газопровод соединяется с оправой объектива; шкаф электропитания состоит из высоковольтного генератора, стабилизатора тока возбуждения и различных блоков регулировки и управления.
Электронная линза является наиболее важной частью тубуса электронного микроскопа. Он использует пространственное электрическое поле или магнитное поле, симметричное оси оправы объектива, чтобы искривить траекторию электрона к оси для формирования фокусировки. Его функция аналогична функции стеклянной выпуклой линзы для фокусировки луча, поэтому он называется электронным. объектив. В большинстве современных электронных микроскопов используются электромагнитные линзы, которые фокусируют электроны сильным магнитным полем, создаваемым очень стабильным постоянным током возбуждения через катушку с полюсным башмаком.
Электронная пушка представляет собой компонент, состоящий из горячего катода с вольфрамовой нитью, сетки и катода. Он может излучать и формировать электронный пучок с постоянной скоростью, поэтому стабильность ускоряющего напряжения составляет не менее 1/10,000. Электронные микроскопы можно разделить на просвечивающие электронные микроскопы, сканирующие электронные микроскопы, отражательные электронные микроскопы и эмиссионные электронные микроскопы в соответствии с их структурой и назначением.
Трансмиссионные электронные микроскопы часто используются для наблюдения за теми тонкими структурами материалов, которые невозможно различить с помощью обычных микроскопов; сканирующие электронные микроскопы в основном используются для наблюдения за морфологией твердых поверхностей, а также могут быть объединены с рентгеновскими дифрактометрами или спектрометрами энергии электронов для формирования электронов. Микрозонды для анализа состава материалов; Эмиссионная электронная микроскопия для изучения самоизлучающих электронных поверхностей.
Проекционный электронный микроскоп назван в честь того, что электронный луч проникает в образец, а затем использует электронную линзу для изображения и увеличения. Его оптический путь аналогичен пути оптического микроскопа. В этом электронном микроскопе контрастность деталей изображения создается за счет рассеяния электронного луча на атомах образца. В более тонких или менее плотных частях образца электронный пучок рассеивается меньше, поэтому больше электронов проходит через апертуру объектива, участвует в построении изображения и выглядит на изображении ярче.
И наоборот, более толстые или плотные участки образца выглядят на изображении темнее. Если образец слишком толстый или слишком плотный, контрастность изображения ухудшится или даже будет повреждена или разрушена из-за поглощения энергии электронного луча. В верхней части тубуса трансмиссионного электронного микроскопа находится электронная пушка. Электроны испускаются горячим катодом с вольфрамовой нитью и проходят через первый и второй конденсаторы, чтобы сфокусировать электронный пучок.
Пройдя через образец, электронный пучок отображается на промежуточном зеркале с помощью объектива, затем шаг за шагом увеличивается через промежуточное зеркало и проекционное зеркало, а затем отображается на флуоресцентном экране или фотопластинке. Промежуточное зеркало в основном регулирует ток возбуждения, а увеличение может непрерывно изменяться от десятков до сотен тысяч раз; изменяя фокусное расстояние промежуточного зеркала, можно получать электронно-микроскопические изображения и изображения дифракции электронов на крошечных частях одного и того же образца. .
Для исследования более толстых металлических срезов французская лаборатория электронной оптики Dulos разработала сверхвысоковольтный электронный микроскоп с ускоряющим напряжением 3500 кВ. Электронный луч сканирующего электронного микроскопа не проходит через образец, а только сканирует и возбуждает вторичные электроны на поверхности образца. Сцинтилляционный кристалл, помещенный рядом с образцом, принимает эти вторичные электроны и модулирует интенсивность электронного пучка кинескопа после усиления, тем самым изменяя яркость на экране кинескопа.
Отклоняющее коромысло кинескопа продолжает сканировать синхронно с электронным лучом на поверхности образца, так что флуоресцентный экран кинескопа отображает топографическое изображение поверхности образца, что аналогично принципу работы промышленного телевидения. Разрешение сканирующего электронного микроскопа в основном определяется диаметром электронного луча на поверхности образца.
Увеличение — это отношение амплитуды сканирования на кинескопе к амплитуде сканирования на образце, которое может непрерывно изменяться от десятков до сотен тысяч раз. Сканирующий электронный микроскоп не требует очень тонких образцов; изображение обладает сильным трехмерным эффектом; он может анализировать состав вещества, используя такую информацию, как вторичные электроны, поглощенные электроны и рентгеновские лучи, генерируемые взаимодействием электронных лучей с веществом.
Электронная пушка и конденсор сканирующего электронного микроскопа примерно такие же, как у просвечивающего электронного микроскопа, но для того, чтобы сделать электронный пучок тоньше, под конденсорной линзой добавляются объектив и астигматизм, а также два набора взаимно внутри объектива также установлены перпендикулярные сканирующие линзы. катушка. В камере для образцов под объективом находится столик для образцов, который можно перемещать, поворачивать и наклонять.
