Mekkora az optikai mikroszkóp és az elektronmikroszkóp megfigyelési tartománya?
Az optikai mikroszkóp összetétele és felépítése Az optikai mikroszkóp általában egy színpadból, egy reflektorfény-rendszerből, egy objektívből, egy okulárból és egy fókuszáló mechanizmusból áll. A színpad a megfigyelendő tárgy megtartására szolgál. Az élességállítási mechanizmus a fókuszállító gombbal mozgatható, hogy a tárgyasztal fel-le mozogjon a durva beállításhoz és finombeállításhoz, így a megfigyelt tárgy fókuszálható és tisztán leképezhető.
Felső rétege a vízszintes síkban precízen tud mozogni és forogni, és általában a látómező középpontjához igazítja a megfigyelt részt. A spot világítási rendszer egy fényforrásból és egy kondenzátorból áll. A kondenzátor feladata, hogy több fényenergiát koncentráljon a megfigyelt részre. A világító lámpa spektrális jellemzőinek kompatibilisnek kell lenniük a mikroszkóp vevőjének működési sávjával.
Az objektív a megfigyelendő tárgy közelében található, és ez az objektív, amely az első nagyítási szintet valósítja meg. Az objektív-átalakítóra egyszerre több, különböző nagyítású objektív kerül felszerelve, és a konverter elforgatásával a különböző nagyítású objektívek a működő optikai pályára léphetnek. Az objektív nagyítása általában 5-100-szoros. Az objektív az az optikai elem, amely döntő szerepet játszik a mikroszkóp képminőségében.
Általánosan használt akromatikus objektívlencsék, amelyek két színű fény esetén képesek korrigálni a kromatikus aberrációt; jobb minőségű apokromatikus objektívlencsék, amelyek háromféle színfény esetén korrigálják a kromatikus aberrációt; biztosíthatja, hogy az objektívlencse teljes képsíkja lapos legyen a látómező javítása érdekében Lapos mező objektívek marginális képminőséggel. Folyadékimmerziós objektíveket gyakran használnak nagy nagyítású objektívekben, vagyis a törésmutató 1 az objektívlencse alsó felülete és a mintalap felső felülete között.
5 folyadék, jelentősen javíthatja a mikroszkópos megfigyelés felbontását. A szemlencse az emberi szem közelében elhelyezett lencse a második nagyítási szint eléréséhez, és a lencse nagyítása általában 5-20-szoros. A látható látómező mérete szerint az okulárokat két típusra oszthatjuk: a kisebb látómezővel rendelkező közönséges okulárokra és a nagyobb látómezővel rendelkező nagymezős (vagy széles látószögű) okulárokra.
Mind a tárgyasztalnak, mind az objektívnek képesnek kell lennie egymáshoz képest elmozdulni az objektív optikai tengelye mentén a fókusz beállításához és a tiszta kép eléréséhez. Ha nagy nagyítású objektívvel dolgozik, a megengedett élességállítási tartomány gyakran kisebb, mint mikron, ezért a mikroszkópnak nagyon precíz mikrofókuszáló mechanizmussal kell rendelkeznie. A mikroszkóp nagyításának határa az effektív nagyítás, a mikroszkóp felbontása pedig a mikroszkóp által egyértelműen megkülönböztethető két tárgypont közötti minimális távolságra vonatkozik.
A felbontás és a nagyítás két különböző, de összefüggő fogalom. Ha a kiválasztott objektívlencse numerikus rekeszértéke nem elég nagy, vagyis a felbontás nem elég nagy, a mikroszkóp nem tudja megkülönböztetni a tárgy finom szerkezetét. Ekkor még a nagyítás túlzott növelése esetén is csak nagy körvonalú, de tisztázatlan részletekkel rendelkező kép lehet a kapott kép. , az úgynevezett érvénytelen nagyítás.
Ezzel szemben, ha a felbontás megfelel a követelményeknek, de a nagyítás nem elegendő, a mikroszkóp képes feloldani, de a kép még mindig túl kicsi ahhoz, hogy az emberi szem tisztán láthassa. Ezért a mikroszkóp felbontóképességének teljes játéka érdekében a numerikus apertúrát ésszerűen össze kell hangolni a mikroszkóp teljes nagyításával. A reflektorfény-rendszer nagy hatással van a mikroszkóp képalkotási teljesítményére, de ez egy olyan hivatkozás, amelyet a felhasználók könnyen figyelmen kívül hagynak.
Feladata, hogy elegendő és egyenletes megvilágítást biztosítson a tárgy felületén. A kondenzátor által kibocsátott fénysugárnak biztosítania kell, hogy kitöltse az objektív rekeszszögét, különben az objektívlencse által elérhető legnagyobb felbontást nem lehet teljes mértékben kihasználni. Ebből a célból a kondenzátor a fényképészeti objektív objektívéhez hasonló, változtatható rekesznyílású membránnal van felszerelve, amely képes beállítani a rekesznyílás méretét, és a megvilágító sugár rekeszértékének beállítására szolgál az objektív rekeszszögéhez. lencse.
A világítási módszer megváltoztatásával különböző megfigyelési módszerek érhetők el, például sötét tárgypontok világos háttéren (úgynevezett világos mező megvilágítás), vagy világos tárgypontok sötét háttéren (úgynevezett sötét mező megvilágítás), így jobban felfedezhető és megfigyelhető mikrostruktúra. Az elektronmikroszkóp olyan műszer, amely fénysugarak és optikai lencsék helyett elektronnyalábokat és elektronlencséket használ az anyagok finom szerkezetének felvételére nagyon nagy nagyítással az elektronoptika elve alapján.
Az elektronmikroszkóp felbontóképességét a két szomszédos pont közötti minimális távolság képviseli, amelyet képes felbontani. Az 1970s években a transzmissziós elektronmikroszkóp felbontása körülbelül 0,3 nanométer volt (az emberi szem felbontóképessége körülbelül 0,1 mm). Most az elektronmikroszkóp maximális nagyítása meghaladja a 3 milliószorosát, míg az optikai mikroszkóp maximális nagyítása körülbelül 2000-szeres, így egyes nehézfémek atomjai és a kristályban szépen elrendezett atomrácsok közvetlenül megfigyelhetők az elektronmikroszkópon keresztül. .
1931-ben a német Knorr-Bremse és Ruska átszereltek egy nagyfeszültségű oszcilloszkópot hidegkatódos kisülésű elektronforrással és három elektronlencsével, és több mint tízszeres nagyítású képet kaptak, ami megerősítette az elektronmikroszkópos nagyítás lehetőségét. 1932-ben Ruska fejlesztése után az elektronmikroszkóp felbontóképessége elérte az 50 nanométert, az akkori optikai mikroszkóp felbontóképességének mintegy tízszeresét, így az elektronmikroszkóp elkezdte felkelteni az emberek figyelmét.
Az 1940-es években az Egyesült Államokban Hill asztigmatizálót használt az elektronlencse forgási aszimmetriájának kompenzálására, amely új áttörést hozott az elektronmikroszkóp felbontóképességében, és fokozatosan elérte a modern szintet. Kínában 1958-ban sikeresen kifejlesztettek egy 3 nanométeres felbontású transzmissziós elektronmikroszkópot, 1979-ben pedig 0-s felbontással gyártották le.
3 nm-es nagy elektronmikroszkóp. Bár az elektronmikroszkóp felbontóképessége jóval jobb, mint az optikai mikroszkópé, az élő szervezetek megfigyelése nehézkes, mert az elektronmikroszkópnak vákuumkörülmények között kell működnie, és az elektronnyaláb besugárzása a biológiai mintákban is elpusztul. sugárzás károsodhat. Egyéb kérdések, mint például az elektronágyú fényerejének és az elektronlencse minőségének javítása szintén további vizsgálatra szorul.
A felbontóképesség az elektronmikroszkópia egyik fontos mutatója, amely a mintán áthaladó elektronsugár beeső kúpszögéhez és hullámhosszához kapcsolódik. A látható fény hullámhossza körülbelül {{0}} nanométer, míg az elektronsugarak hullámhossza a gyorsító feszültséghez kapcsolódik. Ha a gyorsító feszültség 50-100 kV, az elektronsugár hullámhossza körülbelül 0.
0053-0,0037 nm. Mivel az elektronnyaláb hullámhossza sokkal kisebb, mint a látható fény hullámhossza, még ha az elektronnyaláb kúpszöge csak 1 százaléka az optikai mikroszkópénak, az elektronmikroszkóp felbontóképessége még mindig sokkal jobb, mint a látható fényé. az optikai mikroszkópról. Az elektronmikroszkóp három részből áll: lencsecsőből, vákuumrendszerből és tápegységből.
Az objektívcső főleg elektronágyúkat, elektronlencséket, mintatartókat, fluoreszkáló képernyőket és kameramechanizmusokat tartalmaz. Ezeket az alkatrészeket általában fentről lefelé oszlopba szerelik össze; a vákuumrendszer mechanikus vákuumszivattyúkból, diffúziós szivattyúkból és vákuumszelepekből áll. A gázvezeték a lencsecsővel van összekötve; a tápszekrény egy nagyfeszültségű generátorból, egy gerjesztőáram-stabilizátorból és különböző beállító vezérlőegységekből áll.
Az elektronlencse az elektronmikroszkóp lencsecsőjének legfontosabb része. A lencsecső tengelyére szimmetrikus térbeli elektromos mezőt vagy mágneses mezőt használ, hogy az elektronpályát a tengelyhez hajlítsa a fókusz kialakításához. Funkciója hasonló az üveg domború lencsékéhez a sugár fókuszálására, ezért elektronnak nevezik. lencse. A legtöbb modern elektronmikroszkóp elektromágneses lencséket használ, amelyek egy pólussarukkal ellátott tekercsen áthaladó, nagyon stabil egyenáramú gerjesztőáram által generált erős mágneses mezőn keresztül fókuszálják az elektronokat.
Az elektronágyú egy wolframszálas forró katódból, egy rácsból és egy katódból álló alkatrész. Egyenletes sebességű elektronsugarat tud kibocsátani és alkotni, ezért a gyorsító feszültség stabilitása nem lehet kevesebb tízezreléknél. Az elektronmikroszkópok felépítésük és felhasználásuk szerint transzmissziós elektronmikroszkópokra, pásztázó elektronmikroszkópokra, reflexiós elektronmikroszkópokra és emissziós elektronmikroszkópokra oszthatók.
Transzmissziós elektronmikroszkópokat gyakran használnak olyan finom anyagszerkezetek megfigyelésére, amelyeket közönséges mikroszkópokkal nem lehet felbontani; a pásztázó elektronmikroszkópokat főként szilárd felületek morfológiájának megfigyelésére használják, és kombinálhatók röntgendiffraktométerekkel vagy elektronenergia-spektrométerekkel is, így elektronikus mikroszondákat hoznak létre az anyagösszetétel elemzéséhez; emissziós elektronmikroszkópia önkibocsátó elektronfelületek tanulmányozására.
A transzmissziós elektronmikroszkóp nevét arról kapta, hogy az elektronsugár áthatol a mintán, majd az elektronlencsével felnagyítja a képet. Optikai útja hasonló az optikai mikroszkópéhoz. Az ilyen típusú elektronmikroszkópban a képrészletek kontrasztja az elektronnyalábnak a minta atomjai általi szórásával jön létre. A minta vékonyabb vagy kisebb sűrűségű részén kisebb az elektronsugár szórása, így több elektron halad át az objektív membránon és vesz részt a képalkotásban, és világosabbnak tűnik a képen.
Ezzel szemben a minta vastagabb vagy sűrűbb részei sötétebbnek tűnnek a képen. Ha a minta túl vastag vagy túl sűrű, akkor a kép kontrasztja romlik, sőt az elektronsugár energiájának elnyelésével megsérül vagy tönkremegy. A transzmissziós elektronmikroszkóp lencséjének teteje egy elektronágyú. Az elektronokat a volfrám forró katód bocsátja ki, az elektronsugarat pedig az első és a második kondenzátor fókuszálja.
A mintán való áthaladás után az elektronsugarat az objektívlencse a közbenső tükörre leképezi, majd a közbenső tükrön és a vetítőtükörön keresztül lépésről lépésre felnagyítja, majd leképezi a fluoreszcens képernyőn vagy a fotokoherens lemezen. A közbenső tükör nagyítása főként a gerjesztőáram beállításával folyamatosan, tízszeresről százezerszeresére változtatható; a közbenső tükör gyújtótávolságának változtatásával ugyanannak a mintának az apró részein elektronmikroszkópos képeket és elektrondiffrakciós képeket kaphatunk.
Vastagabb fémszelet minták vizsgálatára a francia Dulos Electron Optics Laboratory kifejlesztett egy 3500 kV-os gyorsítófeszültségű ultra-nagyfeszültségű elektronmikroszkópot. A pásztázó elektronmikroszkóp elektronsugara nem halad át a mintán, hanem csak a minta felületén lévő másodlagos elektronokat pásztázza és gerjeszti. A minta mellett elhelyezett szcintillációs kristály fogadja ezeket a másodlagos elektronokat, erősíti és modulálja a képcső elektronnyaláb intenzitását, ezáltal megváltoztatja a képcső képernyőjének fényerejét.
A képcső eltérítő tekercse szinkron pásztázást tart az elektronsugárral a minta felületén, így a képcső fluoreszkáló képernyője megjeleníti a minta felületének topográfiai képét, ami hasonló az ipari TV működési elveihez. . A pásztázó elektronmikroszkóp felbontását elsősorban a minta felületén lévő elektronnyaláb átmérője határozza meg.
A nagyítás a képcső pásztázási amplitúdójának és a mintán lévő pásztázási amplitúdó aránya, amely folyamatosan változtatható tízszeresről százezerszeresére. A pásztázó elektronmikroszkóp nem igényel túl vékony mintát; a képnek erős háromdimenziós hatása van; az anyag összetételének elemzéséhez olyan információkat használhat fel, mint a másodlagos elektronok, elnyelt elektronok és az elektronsugár és az anyag közötti kölcsönhatás által generált röntgensugárzás.
A pásztázó elektronmikroszkóp elektronágyúja és kondenzátorlencséje nagyjából megegyezik a transzmissziós elektronmikroszkópéval, de az elektronnyaláb vékonyabbá tétele érdekében a kondenzátorlencse alá egy objektívlencsét és egy asztigmatizálót helyeznek, és két készlet egymásra merőleges pásztázó nyalábokat helyeznek el az objektív belsejében. tekercs. Az objektívlencse alatti mintakamra mozgatható, forgatható és dönthető mintaasztallal van felszerelve.
