Care este raza de observare a microscopului luminos și a microscopului electronic
Structura microscopului optic Microscopul optic este în general compus dintr-o etapă, un sistem de iluminare a condensatorului, o lentilă obiectiv, un ocular și un mecanism de focalizare. Scena este folosită pentru a ține obiectul de observat. Mecanismul de focalizare poate fi acționat de butonul de focalizare pentru a face scena să se miște în sus și în jos pentru o ajustare grosieră și o ajustare fină, astfel încât obiectul observat să poată fi focalizat și fotografiat clar.
Stratul său superior poate fi mutat și rotit cu precizie în plan orizontal, iar partea observată este în general ajustată la centrul câmpului vizual. Sistemul de iluminare a reflectoarelor este compus dintr-o sursă de lumină și o lentilă condensatoare. Funcția lentilei condensatorului este de a concentra mai multă energie luminoasă în partea observată. Caracteristicile spectrale ale iluminatorului trebuie adaptate la banda de lucru a receptorului microscopului.
Lentila obiectiv este situată în apropierea obiectului observat și este lentila care realizează mărirea primului nivel. Pe convertorul obiectivului sunt instalate în același timp mai multe lentile obiective cu măriri diferite, iar obiectivul cu măriri diferite poate intra pe calea optică de lucru prin rotirea convertorului. Mărirea obiectivului este de obicei de 5 până la 100 de ori. Lentila obiectiv este un element optic care joacă un rol decisiv în calitatea imaginii la microscop.
Obiective acromatice utilizate în mod obișnuit care pot corecta aberația cromatică pentru două culori de lumină; obiective apocromatice de calitate superioară care pot corecta aberația cromatică pentru trei culori de lumină; se poate asigura că întregul plan de imagine al lentilei obiectiv este un plan, pentru a îmbunătăți câmpul vizual Obiective cu câmp plat cu o calitate marginală a imaginii. Obiectivele de imersie în lichid sunt adesea folosite în lentilele obiectiv de mare putere, adică indicele de refracție de 1 este umplut între suprafața inferioară a lentilei obiectiv și suprafața superioară a foii de specimen.
5 sau cam asa ceva, poate îmbunătăți semnificativ rezoluția observației microscopice. Ocularul este o lentilă situată lângă ochiul uman pentru a obține o mărire de al doilea nivel, iar mărirea oglinzii este de obicei de 5 până la 20 de ori. În funcție de dimensiunea câmpului vizual care poate fi văzut, ocularele pot fi împărțite în oculare obișnuite cu un câmp vizual mai mic și oculare cu câmp mare (sau oculare cu unghi larg) cu un câmp vizual mai mare.
Atât scena, cât și obiectivul trebuie să se poată deplasa în raport cu axa optică a obiectivului pentru a realiza reglarea focalizării și a obține o imagine clară. Când lucrați cu o lentilă obiectiv cu mărire mare, domeniul de focalizare permis este adesea mai mic decât un micron, astfel încât microscopul trebuie să aibă un mecanism de microfocalizare extrem de precis. Limita de mărire a microscopului este mărirea efectivă, iar rezoluția microscopului se referă la distanța minimă dintre două puncte obiect care pot fi distinse clar de microscop.
Rezoluția și mărirea sunt două concepte distincte, dar legate. Când deschiderea numerică a obiectivului selectat nu este suficient de mare, adică rezoluția nu este suficient de mare, microscopul nu poate distinge structura fină a obiectului. În acest moment, chiar dacă mărirea este crescută excesiv, se poate obține doar o imagine cu un contur mare, dar detalii neclare. , numită mărire ineficientă.
Pe de altă parte, dacă rezoluția a îndeplinit cerințele și mărirea este insuficientă, microscopul are capacitatea de a se rezolva, dar imaginea este prea mică pentru a fi văzută clar de ochiul uman. Prin urmare, pentru a juca pe deplin puterea de rezoluție a microscopului, deschiderea numerică ar trebui să fie potrivită în mod rezonabil cu mărirea totală a microscopului. Sistemul de iluminare condensată are o mare influență asupra performanței imagistice a microscopului, dar este și o legătură care este ușor trecută cu vederea de către utilizatori.
Funcția sa este de a oferi o iluminare suficientă și uniformă a suprafeței obiectului. Fasciculul de la condensator ar trebui să poată umple unghiul de deschidere al lentilei obiectiv, altfel cea mai mare rezoluție pe care o poate atinge obiectivul nu poate fi utilizată pe deplin. În acest scop, condensatorul este prevăzut cu o diafragmă cu deschidere variabilă similară cu cea din obiectivul fotografic, iar dimensiunea diafragmei poate fi ajustată pentru a regla deschiderea fasciculului de iluminare pentru a se potrivi cu unghiul de deschidere al obiectivului.
Schimbând metoda de iluminare, puteți obține diferite metode de observare precum puncte de obiect întunecate pe un fundal luminos (numite iluminare în câmp luminos) sau puncte de obiect luminoase pe un fundal întunecat (numite iluminare în câmp întunecat), astfel încât să descoperiți mai bine în diferite situații și observați microstructura. Microscopul electronic este un instrument care înlocuiește fasciculul de lumină și lentila optică cu fasciculul de electroni și lentila de electroni conform principiului opticii electronice, astfel încât structura fină a materiei să poată fi vizualizată cu o mărire foarte mare.
Puterea de rezoluție a unui microscop electronic este exprimată prin cea mai mică distanță dintre două puncte adiacente pe care o poate rezolva. În anii 1970, rezoluția microscoapelor electronice cu transmisie era de aproximativ 0,3 nanometri (puterea de rezoluție a ochiului uman a fost de aproximativ 0,1 mm). Acum, mărirea maximă a microscopului electronic este de peste 3 milioane de ori, iar mărirea maximă a microscopului optic este de aproximativ 2000 de ori, astfel încât atomii anumitor metale grele și rețeaua atomică ordonată în cristale pot fi observate direct prin microscopul electronic.
În 1931, Knorr-Bremse și Ruska din Germania au modificat un osciloscop de înaltă tensiune cu o sursă de electroni cu descărcare cu catod rece și trei lentile de electroni și au obținut o imagine mărită de mai mult de zece ori, ceea ce a confirmat posibilitatea măririi imaginii cu un microscop electronic. . . În 1932, după îmbunătățirea lui Ruska, puterea de rezoluție a microscopului electronic a ajuns la 50 de nanometri, ceea ce era de aproximativ zece ori puterea de rezoluție a microscopului optic la acea vreme, așa că microscopul electronic a început să atragă atenția oamenilor.
În anii 1940, Hill din Statele Unite a folosit un astigmatist pentru a compensa asimetria de rotație a lentilei electronice, care a făcut o nouă descoperire în puterea de rezoluție a microscopului electronic și a ajuns treptat la nivelul modern. În China, un microscop electronic cu transmisie a fost dezvoltat cu succes în 1958, cu o rezoluție de 3 nanometri, iar în 1979 a fost realizat cu o rezoluție de 0.
Microscop electronic mare de 3 nm. Deși puterea de rezoluție a microscoapelor electronice este mult mai bună decât cea a microscoapelor optice, este dificil de observat organismele vii, deoarece microscoapele electronice trebuie să funcționeze în condiții de vid, iar iradierea fasciculelor de electroni va cauza, de asemenea, daune prin radiație probelor biologice. Alte probleme, cum ar fi îmbunătățirea luminozității tunului cu electroni și calitatea lentilei cu electroni, trebuie, de asemenea, studiate în continuare.
Puterea de rezoluție este un indicator important al microscopiei electronice, care este legat de unghiul conului incident și de lungimea de undă a fasciculului de electroni care trece prin eșantion. Lungimea de undă a luminii vizibile este de aproximativ 300 până la 700 de nanometri, în timp ce lungimea de undă a fasciculului de electroni este legată de tensiunea de accelerare. Când tensiunea de accelerare este 50-100 kV, lungimea de undă a fasciculului de electroni este de aproximativ 0.
0053 până la 0,0037 nm. Deoarece lungimea de undă a fasciculului de electroni este mult mai mică decât lungimea de undă a luminii vizibile, chiar dacă unghiul conului fasciculului de electroni este de numai 1% din cel al unui microscop optic, puterea de rezoluție a unui microscop electronic este încă mult superioară celei. a unui microscop optic. Microscopul electronic este format din trei părți: tubul lentilei, sistemul de vid și dulapul de alimentare.
Butoiul obiectivului include în principal un pistol de electroni, lentilă de electroni, suport de probă, ecran fluorescent și mecanism de cameră, care sunt de obicei asamblate într-un cilindru de sus în jos; sistemul de vid este compus din pompă mecanică de vid, pompă de difuzie și supapă de vid etc. Conducta de gaz este conectată cu cilindrul lentilei; dulapul de alimentare este compus dintr-un generator de înaltă tensiune, un stabilizator de curent de excitație și diverse unități de reglare și control.
Lentila electronică este cea mai importantă parte a cilindrului microscopului electronic. Utilizează un câmp electric spațial sau un câmp magnetic care este simetric față de axa cilindrului lentilei pentru a îndoi traiectoria electronilor către axă pentru a forma focalizarea. Funcția sa este similară cu cea a lentilei convexe din sticlă pentru a focaliza fasciculul, așa că se numește electron. obiectiv. Cele mai multe microscoape electronice moderne folosesc lentile electromagnetice, care focalizează electronii printr-un câmp magnetic puternic generat de un curent de excitație DC foarte stabil printr-o bobină cu un sabot de stâlp.
Tunul de electroni este o componentă formată dintr-un catod fierbinte cu filament de wolfram, o grilă și un catod. Poate emite și forma un fascicul de electroni cu viteză uniformă, astfel încât stabilitatea tensiunii de accelerare nu este mai mică de 1/10,000. Microscoapele electronice pot fi împărțite în microscoape electronice cu transmisie, microscoape electronice cu scanare, microscoape electronice cu reflexie și microscoape electronice cu emisie în funcție de structura și utilizarea lor.
Microscoapele electronice cu transmisie sunt adesea folosite pentru a observa acele structuri materiale fine care nu pot fi distinse de microscoapele obișnuite; Microscoapele electronice cu scanare sunt utilizate în principal pentru a observa morfologia suprafețelor solide și pot fi, de asemenea, combinate cu difractometre cu raze X sau spectrometre de energie electronică pentru a forma electroni. Microsonde pentru analiza compoziției materialelor; Microscopia electronică cu emisie pentru studiul suprafețelor de electroni autoemițători.
Microscopul electronic de proiecție este numit după ce fasciculul de electroni pătrunde în eșantion și apoi folosește lentila de electroni pentru imagine și mărire. Calea sa optică este similară cu cea a unui microscop optic. În acest microscop electronic, contrastul detaliilor imaginii este creat de împrăștierea fasciculului de electroni de către atomii probei. Părți mai subțiri sau mai puțin dense ale eșantionului, fasciculul de electroni se împrăștie mai puțin, astfel încât mai mulți electroni trec prin deschiderea obiectivului, participă la imagine și apar mai strălucitori în imagine.
În schimb, părțile mai groase sau mai dense ale eșantionului apar mai întunecate în imagine. Dacă proba este prea groasă sau prea densă, contrastul imaginii se va deteriora sau chiar va fi deteriorat sau distrus prin absorbția energiei fasciculului de electroni. Partea superioară a tubului microscopului electronic de transmisie este un pistol electronic. Electronii sunt emiși de catodul fierbinte cu filament de tungsten și trec prin primul și al doilea condensator pentru a focaliza fasciculul de electroni.
După trecerea prin eșantion, fasciculul de electroni este imaginat pe oglinda intermediară de către lentila obiectivului, apoi este mărit pas cu pas prin oglinda intermediară și oglinda de proiecție, iar apoi imaginează pe ecranul fluorescent sau pe placa uscată fotografică. Oglinda intermediară reglează în principal curentul de excitație, iar mărirea poate fi schimbată continuu de la zeci de ori la sute de mii de ori; prin modificarea distanței focale a oglinzii intermediare, imaginile cu microscopul electronic și imaginile cu difracția electronică pot fi obținute pe părți minuscule ale aceleiași probe. .
Pentru a studia mostre de metal mai groase, Laboratorul francez de optică electronică Dulos a dezvoltat un microscop electronic de ultraînaltă tensiune cu o tensiune de accelerare de 3500 kV. Fasciculul de electroni al unui microscop electronic cu scanare nu trece prin eșantion, ci doar scanează și excită electroni secundari de pe suprafața probei. Un cristal de scintilație plasat lângă probă primește acești electroni secundari și modulează intensitatea fasciculului de electroni al tubului de imagine după amplificare, modificând astfel luminozitatea ecranului tubului de imagine.
Jugul de deviere al tubului de imagine continuă să scaneze sincron cu fasciculul de electroni de pe suprafața probei, astfel încât ecranul fluorescent al tubului de imagine afișează imaginea topografică a suprafeței probei, care este similară cu principiul de funcționare al televiziunii industriale. Rezoluția unui microscop electronic cu scanare este determinată în principal de diametrul fasciculului de electroni de pe suprafața probei.
Mărirea este raportul dintre amplitudinea de scanare de pe tubul de imagine și amplitudinea de scanare de pe eșantion, care poate fi schimbat continuu de la zeci de ori la sute de mii de ori. Microscopul electronic cu scanare nu necesită mostre foarte subțiri; imaginea are un efect tridimensional puternic; poate analiza compoziția materiei folosind informații precum electronii secundari, electronii absorbiți și razele X generate de interacțiunea fasciculelor de electroni cu materia.
Tunul de electroni și condensatorul microscopului electronic cu scanare sunt aproximativ aceleași cu cele ale microscopului electronic cu transmisie, dar pentru a subțire fasciculul de electroni, se adaugă o lentilă obiectiv și un astigmatism sub lentila condensatorului și două seturi de scanarea perpendiculară sunt de asemenea instalate în interiorul lentilei obiectivului. bobina. Camera de probă de sub lentila obiectivului găzduiește etapa de probă care poate fi mișcată, rotită și înclinată.
