Jaký je pozorovací rozsah optického mikroskopu a elektronového mikroskopu
Složení a struktura optického mikroskopu Optický mikroskop se obecně skládá ze stolku, systému bodového osvětlení, čočky objektivu, okuláru a zaostřovacího mechanismu. Stolek se používá k držení objektu, který má být pozorován. Zaostřovací mechanismus může být ovládán zaostřovacím knoflíkem, aby se stolek pohyboval nahoru a dolů pro hrubé nastavení a jemné nastavení, takže pozorovaný objekt lze zaostřit a jasně zobrazit.
Jeho horní vrstva se může přesně pohybovat a otáčet v horizontální rovině a celkově přizpůsobuje pozorovanou část středu zorného pole. Systém bodového osvětlení se skládá ze zdroje světla a kondenzátoru. Funkcí kondenzoru je soustředit více světelné energie do pozorované části. Spektrální charakteristiky osvětlovací lampy musí být kompatibilní s pracovním pásmem přijímače mikroskopu.
Čočka objektivu je umístěna blízko objektu, který má být pozorován, a je to čočka, která realizuje první úroveň zvětšení. Na konvertoru objektivu je současně instalováno několik čoček objektivu s různým zvětšením a objektivy s různým zvětšením mohou vstoupit do pracovní optické dráhy otáčením konvertoru. Zvětšení čočky objektivu je obvykle 5 až 100krát. Čočka objektivu je optický prvek, který hraje rozhodující roli v kvalitě obrazu v mikroskopu.
Běžně používané jsou achromatické objektivy, které dokážou korigovat chromatickou aberaci pro dvě barvy světla; kvalitnější apochromatické objektivy, které dokážou korigovat chromatickou aberaci pro tři druhy barevného světla; může zajistit, že celá obrazová rovina čočky objektivu je plochá pro zlepšení zorného pole Objektivy s plochým polem s okrajovou kvalitou obrazu. Objektivy s kapalinovou imerzí se často používají u objektivů s velkým zvětšením, to znamená, že index lomu je 1 mezi spodním povrchem čočky objektivu a horním povrchem listu vzorku.
5 kapalina, může výrazně zlepšit rozlišení mikroskopického pozorování. Okulár je čočka umístěná v blízkosti lidského oka pro dosažení druhé úrovně zvětšení a zvětšení čočky je obvykle 5 až 20krát. Podle velikosti zorného pole, které lze vidět, lze okuláry rozdělit na dva typy: běžné okuláry s menším zorným polem a okuláry s velkým zorným polem (neboli širokoúhlé okuláry) s větším zorným polem.
Stolek i čočka objektivu musí být schopny se vzájemně pohybovat podél optické osy čočky objektivu, aby se dosáhlo nastavení zaostření a získal se jasný obraz. Při práci s čočkou objektivu s velkým zvětšením je přípustný rozsah zaostření často menší než mikrony, takže mikroskop musí mít velmi přesný mechanismus mikroostření. Hranicí zvětšení mikroskopu je efektivní zvětšení a rozlišení mikroskopu se vztahuje k minimální vzdálenosti mezi dvěma body objektu, které lze mikroskopem jasně rozlišit.
Rozlišení a zvětšení jsou dva různé, ale související pojmy. Když numerická apertura zvolené čočky objektivu není dostatečně velká, to znamená, že rozlišení není dostatečně vysoké, mikroskop nerozezná jemnou strukturu předmětu. V tomto okamžiku, i když je zvětšení nadměrně zvýšené, získaný obraz může být pouze obrazem s velkým obrysem, ale nejasnými detaily. , nazývané neplatné zvětšení.
Naopak, pokud rozlišení splňuje požadavky, ale zvětšení je nedostatečné, mikroskop má schopnost rozlišení, ale obraz je stále příliš malý na to, aby byl jasně vidět lidskýma očima. Proto, aby byla plně využita rozlišovací schopnost mikroskopu, měla by být numerická apertura přiměřeně sladěna s celkovým zvětšením mikroskopu. Systém bodového osvětlení má velký vliv na zobrazovací výkon mikroskopu, ale je to odkaz, který uživatelé snadno přehlédnou.
Jeho funkcí je zajistit dostatečné a rovnoměrné osvětlení povrchu předmětu. Světelný paprsek vysílaný kondenzorem by měl zajistit, že vyplní úhel otvoru objektivu, jinak nemůže být plně využito nejvyšší rozlišení, kterého může objektiv dosáhnout. Pro tento účel je kondenzor vybaven clonou s proměnnou aperturou podobnou cloně u objektivu fotografického objektivu, která dokáže upravit velikost clony a používá se k nastavení clony osvětlovacího paprsku tak, aby odpovídala úhlu clony objektivu. objektiv.
Změnou metody osvětlení lze získat různé metody pozorování, jako jsou body tmavých objektů na světlém pozadí (nazývané osvětlení světlého pole) nebo body jasných objektů na tmavém pozadí (tzv. osvětlení tmavého pole), aby bylo možné lépe objevovat a pozorovat mikrostruktura. Elektronový mikroskop je přístroj, který využívá elektronové paprsky a elektronové čočky místo světelných paprsků a optických čoček k zobrazení jemných struktur látek při velmi velkém zvětšení na principu elektronové optiky.
Rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je reprezentována minimální vzdáleností mezi dvěma sousedními body, kterou dokáže rozlišit. V 1970s bylo rozlišení transmisního elektronového mikroskopu asi 0,3 nanometrů (rozlišovací schopnost lidského oka byla asi 0,1 mm). Nyní maximální zvětšení elektronového mikroskopu přesahuje 3 milionkrát, zatímco maximální zvětšení optického mikroskopu je asi 2000krát, takže atomy některých těžkých kovů a úhledně uspořádané atomové mřížky v krystalu lze přímo pozorovat elektronovým mikroskopem. .
V roce 1931 Knorr-Bremse a Ruska z Německa přeinstalovali vysokonapěťový osciloskop se zdrojem elektronů se studenou katodou a třemi elektronovými čočkami a získali obraz zvětšený více než desetkrát, což potvrdilo možnost zobrazení zvětšeného elektronovým mikroskopem. V roce 1932, po Ruskově vylepšení, dosáhla rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu 50 nanometrů, tedy asi desetinásobku rozlišovací schopnosti optického mikroskopu v té době, takže se elektronový mikroskop začal dostávat do povědomí lidí.
Ve 1940 letech použil Hill ve Spojených státech astigmatizér ke kompenzaci rotační asymetrie elektronové čočky, což znamenalo nový průlom v rozlišovací schopnosti elektronového mikroskopu a postupně dosáhlo moderní úrovně. V Číně byl v roce 1958 úspěšně vyvinut transmisní elektronový mikroskop s rozlišením 3 nanometry a v roce 1979 byl vyroben s rozlišením 0.
3nm velký elektronový mikroskop. Přestože rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je mnohem lepší než rozlišovací schopnost optického mikroskopu, je obtížné pozorovat živé organismy, protože elektronový mikroskop musí pracovat ve vakuu a ozařování elektronového paprsku také způsobí, že biologické vzorky být poškozen radiací. Další otázky, jako je zlepšení jasu elektronového děla a kvalita elektronové čočky, je také třeba dále studovat.
Rozlišovací schopnost je důležitým indikátorem elektronové mikroskopie, který souvisí s úhlem dopadajícího kužele a vlnovou délkou elektronového paprsku procházejícího vzorkem. Vlnová délka viditelného světla je asi {{0}} nanometrů, zatímco vlnová délka elektronových paprsků souvisí s urychlujícím napětím. Když je urychlovací napětí 50-100 kV, je vlnová délka elektronového paprsku asi 0.
0053 až 0,0037 nm. Protože vlnová délka elektronového paprsku je mnohem menší než vlnová délka viditelného světla, i když je úhel kužele elektronového paprsku pouze 1 procento úhlu optického mikroskopu, rozlišovací schopnost elektronového mikroskopu je stále mnohem lepší než optického mikroskopu. Elektronový mikroskop se skládá ze tří částí: tubusu čočky, vakuového systému a napájecí skříně.
Tubus objektivu obsahuje především elektronové děla, elektronové čočky, držáky vzorků, fluorescenční stínítka a mechanismy fotoaparátu. Tyto součásti jsou obvykle sestaveny do sloupce shora dolů; vakuový systém se skládá z mechanických vývěv, difúzních vývěv a vakuových ventilů. Plynové potrubí je spojeno s tubusem objektivu; napájecí skříň se skládá z vysokonapěťového generátoru, stabilizátoru budícího proudu a různých nastavovacích řídicích jednotek.
Elektronová čočka je nejdůležitější částí tubusu čočky elektronového mikroskopu. Využívá prostorové elektrické pole nebo magnetické pole symetrické k ose tubusu čočky k ohnutí dráhy elektronů k ose a vytvoření ohniska. Jeho funkce je podobná jako u skleněné konvexní čočky pro zaostření paprsku, proto se nazývá elektron. objektiv. Většina moderních elektronových mikroskopů používá elektromagnetické čočky, které zaostřují elektrony prostřednictvím silného magnetického pole generovaného velmi stabilním stejnosměrným budicím proudem procházejícím cívkou s pólovými nástavci.
Elektronová tryska je součást skládající se z žhavé katody s wolframovým vláknem, mřížky a katody. Může emitovat a tvořit elektronový paprsek s rovnoměrnou rychlostí, takže je potřeba, aby stabilita urychlovacího napětí nebyla menší než jedna desetitisícina. Elektronové mikroskopy lze podle struktury a použití rozdělit na transmisní elektronové mikroskopy, rastrovací elektronové mikroskopy, odrazové elektronové mikroskopy a emisní elektronové mikroskopy.
Transmisní elektronové mikroskopy se často používají k pozorování jemných struktur materiálu, které nelze rozlišit běžnými mikroskopy; rastrovací elektronové mikroskopy se používají hlavně k pozorování morfologie pevných povrchů a lze je také kombinovat s rentgenovými difraktometry nebo elektronovými energetickými spektrometry za účelem vytvoření elektronických mikrosond pro analýzu složení materiálu; emisní elektronová mikroskopie pro studium povrchů samoemitujících elektronů.
Transmisní elektronový mikroskop je pojmenován podle toho, že elektronový paprsek proniká vzorkem a poté zvětšuje obraz pomocí elektronové čočky. Jeho optická dráha je podobná jako u optického mikroskopu. U tohoto typu elektronového mikroskopu je kontrast v detailu obrazu vytvářen rozptylem elektronového paprsku atomy vzorku. Tenčí část vzorku nebo část vzorku s nižší hustotou má menší rozptyl elektronového paprsku, takže přes clonu objektivu projde více elektronů a účastní se zobrazování a na obrázku se jeví jako jasnější.
Naopak tlustší nebo hustší části vzorku se na obrázku jeví tmavší. Pokud je vzorek příliš tlustý nebo příliš hustý, kontrast obrazu se zhorší, nebo se dokonce poškodí nebo zničí absorbcí energie elektronového paprsku. Horní část tubusu čočky transmisního elektronového mikroskopu je elektronová pistole. Elektrony jsou emitovány wolframovou žhavou katodou a elektronové paprsky jsou fokusovány prvním a druhým kondenzátorem.
Po průchodu vzorkem se elektronový paprsek zobrazí na mezilehlém zrcadle čočkou objektivu a poté se krok za krokem zvětší přes mezilehlé zrcadlo a projekční zrcadlo a poté se zobrazí na fluorescenčním stínítku nebo fotokoherentní desce. Zvětšení středního zrcadla lze plynule měnit od desítek až po statisíce krát především úpravou budícího proudu; změnou ohniskové vzdálenosti mezilehlého zrcadla lze získat elektronové mikroskopické obrazy a elektronové difrakční obrazy na malých částech stejného vzorku.
Za účelem studia silnějších vzorků kovových plátků vyvinula francouzská laboratoř Dulos Electron Optics Laboratory ultravysokonapěťový elektronový mikroskop s urychlovacím napětím 3500 kV. Elektronový paprsek rastrovacího elektronového mikroskopu neprochází vzorkem, ale pouze snímá a excituje sekundární elektrony na povrchu vzorku. Scintilační krystal umístěný vedle vzorku přijímá tyto sekundární elektrony, zesiluje a moduluje intenzitu elektronového paprsku obrazovky, čímž mění jas na obrazovce obrazovky.
Vychylovací cívka obrazovky udržuje synchronní skenování s elektronovým paprskem na povrchu vzorku, takže fluorescenční stínítko obrazovky zobrazuje topografický obraz povrchu vzorku, který je podobný principu činnosti průmyslové televize. . Rozlišení rastrovacího elektronového mikroskopu je určeno především průměrem elektronového paprsku na povrchu vzorku.
Zvětšení je poměr amplitudy skenování na obrazovce k amplitudě skenování na vzorku, který lze plynule měnit od desítek po stovky tisíckrát. Rastrovací elektronový mikroskop nevyžaduje velmi tenký vzorek; obraz má silný trojrozměrný efekt; může používat informace, jako jsou sekundární elektrony, absorbované elektrony a rentgenové záření generované interakcí mezi elektronovým paprskem a látkou, k analýze složení látky.
Elektronové dělo a kondenzorová čočka rastrovacího elektronového mikroskopu jsou zhruba stejné jako u transmisního elektronového mikroskopu, ale aby byl elektronový paprsek tenčí, je pod kondenzorovou čočku přidána čočka objektivu a astigmatizér a dvě sady uvnitř čočky objektivu jsou instalovány vzájemně kolmé skenovací paprsky. cívka. Vzorková komora pod čočkou objektivu je vybavena vzorkovým stolkem, který se může pohybovat, otáčet a naklánět.
