Was ist der Beobachtungsbereich von Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop?
Der Aufbau des optischen Mikroskops Das optische Mikroskop besteht im Allgemeinen aus einem Objekttisch, einem Kondensorbeleuchtungssystem, einer Objektivlinse, einem Okular und einem Fokussiermechanismus. Der Objekttisch dient zur Aufnahme des zu beobachtenden Objekts. Der Fokussiermechanismus kann durch den Fokussierknopf angetrieben werden, um den Tisch zur Grobeinstellung und Feineinstellung auf und ab bewegen zu lassen, so dass das beobachtete Objekt fokussiert und klar abgebildet werden kann.
Seine obere Schicht kann in der horizontalen Ebene präzise verschoben und gedreht werden, und der beobachtete Teil wird im Allgemeinen auf die Mitte des Gesichtsfelds eingestellt. Das Scheinwerfer-Beleuchtungssystem besteht aus einer Lichtquelle und einer Kondensorlinse. Die Funktion der Kondensorlinse besteht darin, mehr Lichtenergie auf den beobachteten Teil zu konzentrieren. Die spektralen Eigenschaften der Beleuchtung müssen an das Arbeitsband des Empfängers des Mikroskops angepasst werden.
Die Objektivlinse befindet sich in der Nähe des beobachteten Objekts und ist die Linse, die die Vergrößerung der ersten Stufe realisiert. Auf dem Objektivlinsenkonverter sind mehrere Objektivlinsen mit unterschiedlichen Vergrößerungen gleichzeitig installiert, und die Objektivlinse mit unterschiedlichen Vergrößerungen kann durch Drehen des Konverters in den Arbeitsstrahlengang eintreten. Die Vergrößerung der Objektivlinse beträgt üblicherweise das 5- bis 100-fache. Das Objektiv ist ein optisches Element, das entscheidend zur Bildqualität im Mikroskop beiträgt.
Häufig verwendete achromatische Objektive, die chromatische Aberration für zwei Lichtfarben korrigieren können; Apochromatische Objektive höherer Qualität, die chromatische Aberration für drei Lichtfarben korrigieren können; kann dafür sorgen, dass die gesamte Bildebene des Objektivs eine Ebene ist, um das Sichtfeld zu verbessern. Flat-Field-Objektive mit marginaler Abbildungsqualität. Flüssigkeitsimmersionsobjektive werden oft in Hochleistungsobjektiven verwendet, das heißt, der Brechungsindex von 1 wird zwischen der unteren Oberfläche der Objektivlinse und der oberen Oberfläche des Probenblatts gefüllt.
5 oder so, kann es die Auflösung der mikroskopischen Beobachtung erheblich verbessern. Das Okular ist eine Linse, die sich in der Nähe des menschlichen Auges befindet, um eine Vergrößerung der zweiten Stufe zu erreichen, und die Vergrößerung des Spiegels beträgt normalerweise das 5- bis 20-fache. Je nach Größe des sichtbaren Sehfeldes lassen sich Okulare in gewöhnliche Okulare mit kleinerem Sehfeld und Großfeldokulare (oder Weitwinkelokulare) mit größerem Sehfeld unterteilen.
Sowohl der Tisch als auch die Objektivlinse müssen sich relativ zur optischen Achse der Objektivlinse bewegen können, um eine Fokuseinstellung zu erreichen und ein klares Bild zu erhalten. Beim Arbeiten mit einem Objektiv mit hoher Vergrößerung ist der zulässige Fokussierbereich oft kleiner als ein Mikrometer, daher muss das Mikroskop über einen äußerst präzisen Mikrofokussiermechanismus verfügen. Die Grenze der Mikroskopvergrößerung ist die effektive Vergrößerung, und die Auflösung des Mikroskops bezieht sich auf den minimalen Abstand zwischen zwei Objektpunkten, die vom Mikroskop klar unterschieden werden können.
Auflösung und Vergrößerung sind zwei unterschiedliche, aber verwandte Konzepte. Wenn die numerische Apertur der ausgewählten Objektivlinse nicht groß genug ist, d. h. die Auflösung nicht hoch genug ist, kann das Mikroskop die feine Struktur des Objekts nicht erkennen. Zu diesem Zeitpunkt kann, selbst wenn die Vergrößerung übermäßig erhöht wird, nur ein Bild mit einem großen Umriss, aber unklaren Details erhalten werden. , genannt die ineffektive Vergrößerung.
Wenn andererseits die Auflösung die Anforderungen erfüllt hat und die Vergrößerung nicht ausreicht, kann das Mikroskop zwar auflösen, aber das Bild ist zu klein, um vom menschlichen Auge klar gesehen zu werden. Um dem Auflösungsvermögen des Mikroskops vollen Spielraum zu geben, sollte daher die numerische Apertur vernünftig auf die Gesamtvergrößerung des Mikroskops abgestimmt sein. Das kondensierte Beleuchtungssystem hat einen großen Einfluss auf die Abbildungsleistung des Mikroskops, ist aber auch ein Bindeglied, das von Benutzern leicht übersehen wird.
Seine Funktion besteht darin, für eine ausreichende und gleichmäßige Ausleuchtung der Objektoberfläche zu sorgen. Der Strahl des Kondensors sollte den Öffnungswinkel des Objektivs ausfüllen können, da sonst die höchste Auflösung, die das Objektiv erreichen kann, nicht voll ausgenutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist der Kondensor mit einer Blende mit variabler Apertur ähnlich der im fotografischen Objektiv versehen, und die Aperturgröße kann eingestellt werden, um die Apertur des Beleuchtungsstrahls an den Öffnungswinkel des Objektivs anzupassen.
Durch Ändern der Beleuchtungsmethode können Sie unterschiedliche Beobachtungsmethoden wie dunkle Objektpunkte auf hellem Hintergrund (sogenannte Hellfeldbeleuchtung) oder helle Objektpunkte auf dunklem Hintergrund (sogenannte Dunkelfeldbeleuchtung) erhalten, um in verschiedenen Situationen besser entdecken zu können und beobachten Sie die Mikrostruktur. Das Elektronenmikroskop ist ein Instrument, das nach dem Prinzip der Elektronenoptik Lichtstrahl und optische Linse durch Elektronenstrahl und Elektronenlinse ersetzt, so dass die feine Struktur der Materie bei sehr hoher Vergrößerung abgebildet werden kann.
Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops wird durch den kleinsten Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten ausgedrückt, den es auflösen kann. In den 197er Jahren betrug die Auflösung von Transmissionselektronenmikroskopen etwa 0,3 Nanometer (das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges betrug etwa 0,1 mm). Jetzt beträgt die maximale Vergrößerung des Elektronenmikroskops mehr als 3 Millionen Mal und die maximale Vergrößerung des optischen Mikroskops etwa 2000 Mal, sodass die Atome bestimmter Schwermetalle und das ordentlich angeordnete Atomgitter in Kristallen direkt durch das Elektronenmikroskop beobachtet werden können.
1931 modifizierten Knorr-Bremse und Ruska in Deutschland ein Hochspannungsoszilloskop mit einer Kaltkathodenentladungs-Elektronenquelle und drei Elektronenlinsen und erhielten ein mehr als zehnfach vergrößertes Bild, was die Möglichkeit der Vergrößerung der Abbildung durch ein Elektronenmikroskop bestätigte . . 1932, nach Ruskas Verbesserung, erreichte das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops 50 Nanometer, was etwa dem Zehnfachen des Auflösungsvermögens des damaligen Lichtmikroskops entsprach, sodass das Elektronenmikroskop die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zog.
In den 194er Jahren setzte Hill in den Vereinigten Staaten einen Astigmatisten ein, um die Rotationsasymmetrie der Elektronenlinse zu kompensieren, was einen neuen Durchbruch im Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops brachte und allmählich das moderne Niveau erreichte. In China wurde 1958 erfolgreich ein Transmissionselektronenmikroskop mit einer Auflösung von 3 Nanometern entwickelt und 1979 mit einer Auflösung von 0 hergestellt.
3 nm großes Elektronenmikroskop. Obwohl das Auflösungsvermögen von Elektronenmikroskopen weitaus besser ist als das von optischen Mikroskopen, ist es schwierig, lebende Organismen zu beobachten, da Elektronenmikroskope unter Vakuumbedingungen arbeiten müssen und die Bestrahlung mit Elektronenstrahlen auch Strahlenschäden an biologischen Proben verursacht. Auch andere Themen wie die Verbesserung der Helligkeit der Elektronenkanone und der Qualität der Elektronenlinse müssen weiter untersucht werden.
Das Auflösungsvermögen ist ein wichtiger Indikator der Elektronenmikroskopie, der mit dem Einfallskegelwinkel und der Wellenlänge des Elektronenstrahls zusammenhängt, der die Probe durchdringt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa 300 bis 700 Nanometer, während die Wellenlänge des Elektronenstrahls mit der Beschleunigungsspannung zusammenhängt. Wenn die Beschleunigungsspannung 50-100 kV beträgt, beträgt die Wellenlänge des Elektronenstrahls etwa 0.
0053 bis 0,0037 nm. Da die Wellenlänge des Elektronenstrahls viel kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, selbst wenn der Kegelwinkel des Elektronenstrahls nur 1 Prozent von dem eines optischen Mikroskops beträgt, ist das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops diesem immer noch weit überlegen eines optischen Mikroskops. Das Elektronenmikroskop besteht aus drei Teilen: dem Linsentubus, dem Vakuumsystem und dem Stromversorgungsschrank.
Der Objektivtubus umfasst hauptsächlich eine Elektronenkanone, eine Elektronenlinse, einen Probenhalter, einen Leuchtschirm und einen Kameramechanismus, die normalerweise von oben nach unten zu einem Zylinder zusammengebaut werden; das Vakuumsystem besteht aus einer mechanischen Vakuumpumpe, einer Diffusionspumpe und einem Vakuumventil usw. Die Gasleitung ist mit dem Objektivtubus verbunden; Der Stromversorgungsschrank besteht aus einem Hochspannungsgenerator, einem Erregerstromstabilisator und verschiedenen Einstell- und Steuereinheiten.
Die Elektronenlinse ist der wichtigste Teil des Tubus eines Elektronenmikroskops. Es verwendet ein räumliches elektrisches Feld oder Magnetfeld, das symmetrisch zur Achse des Objektivtubus ist, um die Elektronenbahn zur Achse zu biegen, um eine Fokussierung zu bilden. Seine Funktion ähnelt der der konvexen Glaslinse, um den Strahl zu fokussieren, daher wird es als Elektron bezeichnet. Linse. Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen, die die Elektronen durch ein starkes Magnetfeld fokussieren, das durch einen sehr stabilen Anregungsgleichstrom durch eine Spule mit Polschuh erzeugt wird.
Die Elektronenkanone ist eine Komponente, die aus einer heißen Kathode aus Wolframfaden, einem Gitter und einer Kathode besteht. Es kann einen Elektronenstrahl mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und bilden, sodass die Stabilität der Beschleunigungsspannung nicht weniger als 1/10 beträgt,000. Elektronenmikroskope können nach Aufbau und Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope, Rasterelektronenmikroskope, Reflexionselektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope eingeteilt werden.
Transmissionselektronenmikroskope werden oft verwendet, um jene feinen Materialstrukturen zu beobachten, die von gewöhnlichen Mikroskopen nicht unterschieden werden können; Rasterelektronenmikroskope werden hauptsächlich zur Beobachtung der Morphologie fester Oberflächen verwendet und können auch mit Röntgendiffraktometern oder Elektronenenergiespektrometern zur Bildung von Elektronen kombiniert werden. Mikrosonden zur Analyse der Materialzusammensetzung; Emissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung von selbstemittierenden Elektronenoberflächen.
Das Projektionselektronenmikroskop ist nach dem Elektronenstrahl benannt, der die Probe durchdringt und dann die Elektronenlinse zur Abbildung und Vergrößerung verwendet. Sein Strahlengang ähnelt dem eines optischen Mikroskops. Bei diesem Elektronenmikroskop entsteht der Kontrast von Bildausschnitten durch die Streuung des Elektronenstrahls an den Atomen der Probe. Bei dünneren oder weniger dichten Teilen der Probe wird der Elektronenstrahl weniger gestreut, sodass mehr Elektronen die Objektivöffnung passieren, an der Abbildung teilnehmen und im Bild heller erscheinen.
Umgekehrt erscheinen dickere oder dichtere Teile der Probe im Bild dunkler. Wenn die Probe zu dick oder zu dicht ist, verschlechtert sich der Kontrast des Bildes oder wird sogar beschädigt oder zerstört, indem die Energie des Elektronenstrahls absorbiert wird. Die Oberseite der Transmissionselektronenmikroskopröhre ist eine Elektronenkanone. Die Elektronen werden von der Wolframfaden-Heißkathode emittiert und passieren den ersten und den zweiten Kondensator, um den Elektronenstrahl zu fokussieren.
Nach Durchgang durch die Probe wird der Elektronenstrahl durch die Objektivlinse auf den Zwischenspiegel abgebildet und dann schrittweise durch den Zwischenspiegel und den Projektionsspiegel vergrößert und dann auf dem Fluoreszenzschirm oder der fotografischen Trockenplatte abgebildet. Der Zwischenspiegel passt hauptsächlich den Anregungsstrom an, und die Vergrößerung kann kontinuierlich von zehnfach auf hunderttausendfach geändert werden; Durch Veränderung der Brennweite des Zwischenspiegels können Elektronenmikroskopbilder und Elektronenbeugungsbilder von winzigen Teilen derselben Probe erhalten werden. .
Um dickere Metallscheibenproben zu untersuchen, hat das französische Dulos Electron Optics Laboratory ein Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 3500 kV entwickelt. Der Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops durchdringt die Probe nicht, sondern tastet nur ab und regt Sekundärelektronen auf der Oberfläche der Probe an. Ein neben der Probe platzierter Szintillationskristall empfängt diese Sekundärelektronen und moduliert nach Verstärkung die Intensität des Elektronenstrahls der Bildröhre, wodurch sich die Helligkeit auf dem Schirm der Bildröhre verändert.
Das Ablenkjoch der Bildröhre tastet die Probenoberfläche synchron mit dem Elektronenstrahl ab, sodass der Leuchtschirm der Bildröhre ähnlich dem Arbeitsprinzip des Industriefernsehens das topografische Bild der Probenoberfläche wiedergibt. Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche bestimmt.
Die Vergrößerung ist das Verhältnis der Abtastamplitude auf der Bildröhre zur Abtastamplitude auf der Probe, die kontinuierlich von zehnfach bis zu hunderttausendfach geändert werden kann. Das Rasterelektronenmikroskop erfordert keine sehr dünnen Proben; das Bild hat eine starke dreidimensionale Wirkung; Es kann die Zusammensetzung von Materie anhand von Informationen wie Sekundärelektronen, absorbierten Elektronen und Röntgenstrahlen analysieren, die durch die Wechselwirkung von Elektronenstrahlen mit Materie erzeugt werden.
Die Elektronenkanone und der Kondensor des Rasterelektronenmikroskops sind ungefähr die gleichen wie die des Transmissionselektronenmikroskops, aber um den Elektronenstrahl dünner zu machen, werden eine Objektivlinse und ein Astigmatismus unter der Kondensorlinse und zwei Sätze von einander hinzugefügt senkrechte Abtastung sind ebenfalls in der Objektivlinse installiert. Spule. Die Probenkammer unter der Objektivlinse beherbergt den Probentisch, der bewegt, gedreht und gekippt werden kann.
