Care este raza de observare a microscopului optic și a microscopului electronic
Compoziția și structura unui microscop optic Un microscop optic constă în general dintr-o scenă, un sistem de iluminare reflector, 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 reglare brută și o ajustare fină, astfel încât obiectul observat să poată fi focalizat și fotografiat clar.
Stratul său superior se poate mișca și roti cu precizie în plan orizontal și, în general, ajustează partea observată în centrul câmpului vizual. Sistemul de iluminare spot este compus dintr-o sursa de lumina si un condensator. Funcția condensatorului este de a concentra mai multă energie luminoasă în partea observată. Caracteristicile spectrale ale lămpii de iluminare trebuie să fie compatibile cu banda de lucru a receptorului microscopului.
Obiectivul este situat în apropierea obiectului de observat, iar obiectivul este cel care realizează primul nivel de mărire. Pe convertorul obiectivului sunt instalate în același timp mai multe lentile obiective cu măriri diferite, iar lentilele obiective cu măriri diferite pot intra pe calea optică de lucru prin rotirea convertorului. Mărirea obiectivului este de obicei de 5 până la 100 de ori. Lentila obiectiv este elementul optic care joacă un rol decisiv în calitatea imaginii la microscop.
Utilizate în mod obișnuit sunt lentilele obiectiv acromatice care pot corecta aberația cromatică pentru două culori de lumină; lentile obiective apocromatice de calitate superioara care pot corecta aberatia cromatica pentru trei tipuri de lumina colorata; poate asigura că întregul plan al imaginii lentilei obiectiv este plat pentru a îmbunătăți câmpul vizual Obiective cu câmp plat cu o calitate marginală a imaginii. Obiectivele de imersie în lichid sunt adesea folosite în obiectivele cu mărire mare, adică indicele de refracție este 1 între suprafața inferioară a lentilei obiectiv și suprafața superioară a foii de specimen.
5 lichid, poate îmbunătăți semnificativ rezoluția observației microscopice. Ocularul este o lentilă situată în apropierea ochiului uman pentru a atinge al doilea nivel de mărire, iar mărirea lentilei 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 două tipuri: 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 unul față de celălalt de-a lungul axei optice a obiectivului pentru a realiza reglarea focalizării și a obține o imagine clară. Când lucrați cu o lentilă obiectiv cu mărire mare, intervalul de focalizare permis este adesea mai mic decât micronii, astfel încât microscopul trebuie să aibă un mecanism de microfocalizare foarte 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 diferite, 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 excesiv de mărită, imaginea obținută poate fi doar o imagine cu un contur mare, dar detalii neclare. , numită mărire nevalidă.
În schimb, dacă rezoluția îndeplinește cerințele, dar mărirea este insuficientă, microscopul are capacitatea de a se rezolva, dar imaginea este încă prea mică pentru a fi văzută clar de ochii umani. 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 a reflectoarelor are un impact mare asupra performanței imagistice a microscopului, dar este 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 lumină trimis de condensator ar trebui să se asigure că 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 echipat cu o diafragmă cu deschidere variabilă similară cu cea din obiectivul fotografic, care poate regla dimensiunea diafragmei și este utilizat pentru a regla deschiderea fasciculului de iluminare pentru a se potrivi cu unghiul de deschidere al obiectivului. obiectiv.
Prin schimbarea metodei de iluminare, pot fi obținute diferite metode de observare, cum ar fi 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), pentru a descoperi și observa mai bine microstructură. Un microscop electronic este un instrument care utilizează fascicule de electroni și lentile de electroni în loc de fascicule de lumină și lentile optice pentru a vizualiza structurile fine ale substanțelor la măriri foarte mari, pe baza principiului opticii electronice.
Puterea de rezoluție a unui microscop electronic este reprezentată de distanța minimă dintre două puncte adiacente pe care le poate rezolva. În anii 1970, rezoluția microscopului electronic cu transmisie a fost de aproximativ 0,3 nanometri (puterea de rezoluție a ochiului uman a fost de aproximativ 0,1 mm). Acum, mărirea maximă a microscopului electronic depășește de 3 milioane de ori, în timp ce mărirea maximă a microscopului optic este de aproximativ 2000 de ori, astfel încât atomii unor metale grele și rețelele atomice ordonate din cristal pot fi observați direct prin microscopul electronic. .
În 1931, Knorr-Bremse și Ruska din Germania au remontat un osciloscop de înaltă tensiune cu o sursă de electroni cu descărcare catod rece și trei lentile de electroni și au obținut o imagine mărită de mai mult de zece ori, ceea ce a confirmat posibilitatea imagisticii mărite la microscopul electronic. În 1932, după îmbunătățirea lui Ruska, puterea de rezoluție a microscopului electronic a ajuns la 50 de nanometri, de aproximativ zece ori puterea de rezoluție a microscopului optic la acea vreme, astfel încât microscopul electronic a început să primească atenția oamenilor.
În anii 1940, Hill din Statele Unite a folosit un astigmatizator 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 fabricat cu o rezoluție de 0.
Microscop electronic mare de 3 nm. Deși puterea de rezoluție a microscopului electronic este mult mai bună decât cea a microscopului optic, este dificil de observat organismele vii, deoarece microscopul electronic trebuie să funcționeze în condiții de vid, iar iradierea fasciculului de electroni va determina, de asemenea, probele biologice să fi deteriorat de radiații. 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 {{0}} nanometri, în timp ce lungimea de undă a fasciculelor de electroni este legată de tensiunea de accelerare. Când tensiunea de accelerare este de 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 microscopului optic, puterea de rezoluție a microscopului electronic este încă mult superioară celei. a microscopului optic. Microscopul electronic este alcătuit din trei părți: cilindru, sistem de vid și dulap de alimentare.
Butoiul obiectivului include în principal pistoale cu electroni, lentile cu electroni, suporturi pentru mostre, ecrane fluorescente și mecanisme de cameră. Aceste componente sunt de obicei asamblate într-o coloană de sus în jos; sistemul de vid este compus din pompe de vid mecanice, pompe de difuzie și supape de vid. Conducta de gaz este conectată cu cilindrul lentilei; dulapul de putere este compus dintr-un generator de înaltă tensiune, un stabilizator de curent de excitație și diverse unități de control de reglare.
Lentila electronică este cea mai importantă parte a cilindrului lentilei microscopului electronic. Utilizează un câmp electric spațial sau un câmp magnetic simetric față de axa cilindrului lentilei pentru a îndoi pista electronilor spre axă pentru a forma un focar. Funcția sa este similară cu cea a unei lentile 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 care trece printr-o bobină cu pantofi poli.
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 o viteză uniformă, astfel încât stabilitatea tensiunii de accelerare trebuie să fie nu mai mică de o zece miimi. 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 structurile și utilizările lor.
Microscoapele electronice cu transmisie sunt adesea folosite pentru a observa structurile materiale fine care nu pot fi rezolvate de microscoape 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 Microsonde electronice pentru analiza compoziției materialelor; microscopia electronică cu emisie pentru studiul suprafețelor de electroni autoemițători.
Microscopul electronic cu transmisie este numit după ce fasciculul de electroni pătrunde în probă și apoi mărește imaginea cu lentila de electroni. Calea sa optică este similară cu cea a unui microscop optic. În acest tip de microscop electronic, contrastul în detaliile imaginii este creat de împrăștierea fasciculului de electroni de către atomii probei. Partea mai subțire sau cu densitate mai mică a probei are mai puțină împrăștiere a fasciculului de electroni, astfel încât mai mulți electroni trec prin diafragma obiectiv și participă la imagini 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 lentilei microscopului electronic de transmisie este un pistol cu electroni. Electronii sunt emiși de catodul fierbinte de tungsten, iar fasciculele de electroni sunt focalizate de primul și al doilea condensator.
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, apoi imaginează pe ecranul fluorescent sau pe placa fotocoerentă. Mărirea oglinzii intermediare poate fi schimbată continuu de la zeci de ori la sute de mii de ori, în principal prin reglarea curentului de excitație; prin modificarea distanței focale a oglinzii intermediare, imaginile microscopice electronice și imaginile de difracție electronică pot fi obținute pe părțile 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 microscopului electronic cu scanare nu trece prin eșantion, ci doar scanează și excită electroni secundari de pe suprafața probei. Cristalul de scintilație plasat lângă probă primește acești electroni secundari, amplifică și modulează intensitatea fasciculului de electroni al tubului de imagine, modificând astfel luminozitatea ecranului tubului de imagine.
Bobina de deviere a tubului de imagine păstrează scanarea sincronă 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 unui televizor industrial. . 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 o probă foarte subțire; imaginea are un efect tridimensional puternic; poate folosi informații precum electroni secundari, electroni absorbiți și razele X generate de interacțiunea dintre fasciculul de electroni și substanță pentru a analiza compoziția substanței.
Tunul de electroni și lentila de condensare ale unui microscop electronic cu scanare sunt aproximativ aceleași cu cele ale unui microscop electronic cu transmisie, dar pentru a face fasciculul de electroni mai subțire, se adaugă o lentilă obiectiv și un astigmatizator sub lentila condensatorului și două seturi de în interiorul lentilei obiectivului sunt instalate fascicule de scanare reciproc perpendiculare. bobina. Camera de probă de sub obiectivul este echipată cu o etapă de probă care se poate mișca, roti și înclina.
