Welchen Beobachtungsbereich haben optische Mikroskope und Elektronenmikroskope?
Aufbau und Struktur eines optischen Mikroskops Ein optisches Mikroskop besteht im Allgemeinen aus einem Tisch, einem Scheinwerferbeleuchtungssystem, einer Objektivlinse, einem Okular und einem Fokussiermechanismus. Der Tisch dient zur Aufnahme des zu beobachtenden Objekts. Der Fokussiermechanismus kann über den Fokussierknopf angetrieben werden, um den Tisch zur Grob- und Feineinstellung nach oben und unten zu bewegen, sodass das beobachtete Objekt fokussiert und klar abgebildet werden kann.
Seine obere Schicht kann sich präzise in der horizontalen Ebene bewegen und drehen und den beobachteten Teil im Allgemeinen an die Mitte des Sichtfelds anpassen. Das Spotbeleuchtungssystem besteht aus einer Lichtquelle und einem Kondensator. Die Funktion des Kondensators besteht darin, mehr Lichtenergie auf den beobachteten Teil zu konzentrieren. Die spektralen Eigenschaften der Beleuchtungslampe müssen mit dem Arbeitsband des Mikroskopempfängers kompatibel sein.
Das Objektiv befindet sich in der Nähe des zu beobachtenden Objekts und realisiert die erste Vergrößerungsstufe. Auf dem Objektivkonverter sind gleichzeitig mehrere Objektive mit unterschiedlichen Vergrößerungen installiert, und durch Drehen des Konverters können die Objektive mit unterschiedlichen Vergrößerungen in den Arbeitsstrahlengang gelangen. Die Vergrößerung des Objektivs beträgt üblicherweise das 5- bis 100-fache. Das Objektiv ist das optische Element, das eine entscheidende Rolle für die Bildqualität im Mikroskop spielt.
Üblicherweise werden achromatische Objektivlinsen verwendet, die chromatische Aberrationen für zwei Lichtfarben korrigieren können; Apochromatische Objektivlinsen höherer Qualität, die chromatische Aberration für drei Arten von Farblicht korrigieren können; kann sicherstellen, dass die gesamte Bildebene der Objektivlinse flach ist, um das Sichtfeld zu verbessern. Flachfeldobjektive mit marginaler Bildqualität. Flüssigkeitsimmersionsobjektive werden häufig in Objektiven mit hoher Vergrößerung verwendet, d. h. der Brechungsindex beträgt 1 zwischen der unteren Oberfläche der Objektivlinse und der oberen Oberfläche des Probenblatts.
5 Flüssigkeit kann die Auflösung der mikroskopischen Beobachtung erheblich verbessern. Das Okular ist eine Linse in der Nähe des menschlichen Auges, um die zweite Vergrößerungsstufe zu erreichen. Die Vergrößerung der Linse beträgt normalerweise das 5- bis 20-fache. Je nach Größe des sichtbaren Gesichtsfeldes kann man Okulare in zwei Typen einteilen: gewöhnliche Okulare mit kleinerem Gesichtsfeld und Großfeldokulare (bzw. Weitwinkelokulare) mit größerem Gesichtsfeld.
Sowohl der Tisch als auch die Objektivlinse müssen in der Lage sein, sich relativ zueinander entlang der optischen Achse der Objektivlinse zu bewegen, um eine Fokuseinstellung zu erreichen und ein klares Bild zu erhalten. Bei der Arbeit mit einem Objektiv mit hoher Vergrößerung ist der zulässige Fokusbereich oft kleiner als Mikrometer, daher muss das Mikroskop über einen sehr präzisen Mikrofokussierungsmechanismus verfügen. Die Grenze der Vergrößerung des Mikroskops ist die effektive Vergrößerung, und die Auflösung des Mikroskops bezieht sich auf den minimalen Abstand zwischen zwei Objektpunkten, der vom Mikroskop klar unterschieden werden kann.
Auflösung und Vergrößerung sind zwei unterschiedliche, aber verwandte Konzepte. Wenn die numerische Apertur des ausgewählten Objektivs nicht groß genug ist, d. h. die Auflösung nicht hoch genug ist, kann das Mikroskop die Feinstruktur des Objekts nicht erkennen. Zu diesem Zeitpunkt kann das erhaltene Bild, selbst wenn die Vergrößerung übermäßig erhöht wird, nur ein Bild mit großen Umrissen, aber unklaren Details sein. , sogenannte ungültige Vergrößerung.
Wenn umgekehrt die Auflösung den Anforderungen entspricht, die Vergrößerung jedoch nicht ausreicht, kann das Mikroskop zwar auflösen, das Bild ist aber immer noch zu klein, um vom menschlichen Auge klar gesehen zu werden. Um das Auflösungsvermögen des Mikroskops voll auszunutzen, sollte daher die numerische Apertur angemessen auf die Gesamtvergrößerung des Mikroskops abgestimmt sein. Das Spotlight-Beleuchtungssystem hat einen großen Einfluss auf die Abbildungsleistung des Mikroskops, ist jedoch ein Zusammenhang, der von Benutzern leicht übersehen wird.
Seine Aufgabe besteht darin, für eine ausreichende und gleichmäßige Ausleuchtung der Objektoberfläche zu sorgen. Der vom Kondensor gesendete Lichtstrahl muss sicherstellen, dass er den Öffnungswinkel des Objektivs ausfüllt, da sonst die höchste Auflösung, die das Objektiv erreichen kann, nicht vollständig genutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist der Kondensor mit einer variablen Aperturblende ausgestattet, die der des fotografischen Objektivs ähnelt und die Größe der Apertur verstellen kann und dazu dient, die Apertur des Beleuchtungsstrahls an den Öffnungswinkel des Objektivs anzupassen Linse.
Durch Ändern der Beleuchtungsmethode können unterschiedliche Beobachtungsmethoden wie dunkle Objektpunkte auf hellem Hintergrund (Hellfeldbeleuchtung genannt) oder helle Objektpunkte auf dunklem Hintergrund (Dunkelfeldbeleuchtung genannt) erhalten werden, um so das besser entdecken und beobachten zu können Mikrostruktur. Ein Elektronenmikroskop ist ein Instrument, das anstelle von Lichtstrahlen und optischen Linsen Elektronenstrahlen und Elektronenlinsen verwendet, um nach dem Prinzip der Elektronenoptik die feinen Strukturen von Substanzen in sehr hohen Vergrößerungen abzubilden.
Das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops wird durch den minimalen Abstand zwischen zwei benachbarten Punkten angegeben, den es auflösen kann. In den 1977er Jahren betrug die Auflösung des Transmissionselektronenmikroskops 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, während die maximale Vergrößerung des optischen Mikroskops etwa das 2000-fache beträgt, sodass die Atome einiger Schwermetalle und die sauber angeordneten Atomgitter im Kristall direkt durch das Elektronenmikroskop beobachtet werden können .
Im Jahr 1931 rüsteten Knorr-Bremse und Ruska aus Deutschland ein Hochspannungsoszilloskop mit einer Kaltkathodenentladungs-Elektronenquelle und drei Elektronenlinsen um und erhielten ein mehr als zehnfach vergrößertes Bild, was die Möglichkeit einer elektronenmikroskopisch vergrößerten Abbildung bestätigte. Im Jahr 1932, nach Ruskas Verbesserung, erreichte das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops 50 Nanometer, etwa das Zehnfache des Auflösungsvermögens des Lichtmikroskops zu dieser Zeit, sodass das Elektronenmikroskop begann, die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich zu ziehen.
In den 1940er Jahren verwendete Hill in den Vereinigten Staaten einen Astigmatisator, um die Rotationsasymmetrie der Elektronenlinse auszugleichen, was einen neuen Durchbruch im Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops erzielte und nach und nach 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 Nanometern hergestellt.
3 nm großes Elektronenmikroskop. Obwohl das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops weitaus besser ist als das des optischen Mikroskops, ist es schwierig, lebende Organismen zu beobachten, da das Elektronenmikroskop unter Vakuumbedingungen arbeiten muss und die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl auch dazu führt, dass die biologischen Proben betroffen sind durch Strahlung beschädigt werden. 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 die Probe durchdringenden Elektronenstrahls zusammenhängt. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts beträgt etwa {{0}} Nanometer, während die Wellenlänge von Elektronenstrahlen von der Beschleunigungsspannung abhängt. 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, ist das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops diesem immer noch weit überlegen, selbst wenn der Kegelwinkel des Elektronenstrahls nur 1 Prozent des Kegelwinkels des optischen Mikroskops beträgt des optischen Mikroskops. Das Elektronenmikroskop besteht aus drei Teilen: Objektivtubus, Vakuumsystem und Netzteilschrank.
Der Objektivtubus umfasst hauptsächlich Elektronenkanonen, Elektronenlinsen, Probenhalter, Leuchtschirme und Kameramechanismen. Diese Komponenten werden üblicherweise von oben nach unten zu einer Säule zusammengesetzt; Das Vakuumsystem besteht aus mechanischen Vakuumpumpen, Diffusionspumpen und Vakuumventilen. Die Gasleitung ist mit dem Objektivtubus verbunden; Der Leistungsschrank besteht aus einem Hochspannungsgenerator, einem Erregerstromstabilisator und verschiedenen Einstellsteuergeräten.
Die Elektronenlinse ist der wichtigste Teil des Objektivtubus des Elektronenmikroskops. Es nutzt ein räumliches elektrisches Feld oder Magnetfeld symmetrisch zur Achse des Objektivtubus, um die Elektronenspur zur Achse zu biegen und so einen Fokus zu bilden. Seine Funktion ähnelt der einer Glaskonvexlinse zur Fokussierung des Strahls und wird daher Elektron genannt. Linse. Die meisten modernen Elektronenmikroskope verwenden elektromagnetische Linsen, die Elektronen durch ein starkes Magnetfeld fokussieren, das durch einen sehr stabilen Gleichstrom-Erregerstrom erzeugt wird, der durch eine Spule mit Polschuhen fließt.
Die Elektronenkanone ist eine Komponente, die aus einer Glühkathode aus Wolframfaden, einem Gitter und einer Kathode besteht. Es kann einen Elektronenstrahl mit gleichmäßiger Geschwindigkeit emittieren und formen, daher muss die Stabilität der Beschleunigungsspannung mindestens ein Zehntausendstel betragen. Elektronenmikroskope können entsprechend ihrer Struktur und Verwendung in Transmissionselektronenmikroskope, Rasterelektronenmikroskope, Reflexionselektronenmikroskope und Emissionselektronenmikroskope unterteilt werden.
Transmissionselektronenmikroskope werden häufig zur Beobachtung feiner Materialstrukturen eingesetzt, die mit herkömmlichen Mikroskopen nicht aufgelöst werden können. Rasterelektronenmikroskope werden hauptsächlich zur Beobachtung der Morphologie fester Oberflächen verwendet und können auch mit Röntgendiffraktometern oder Elektronenenergiespektrometern kombiniert werden, um elektronische Mikrosonden für die Analyse der Materialzusammensetzung zu bilden. Emissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung selbstemittierender Elektronenoberflächen.
Das Transmissionselektronenmikroskop ist benannt nach dem Elektronenstrahl, der die Probe durchdringt und dann das Bild mit der Elektronenlinse vergrößert. Sein Strahlengang ähnelt dem eines optischen Mikroskops. Bei dieser Art von Elektronenmikroskopen entsteht der Kontrast im Bildausschnitt durch die Streuung des Elektronenstrahls an den Atomen der Probe. Der dünnere oder dichtere Teil der Probe weist eine geringere Elektronenstrahlstreuung auf, sodass mehr Elektronen durch die Objektivblende gelangen, an der Bildgebung beteiligt sind 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 es wird sogar beschädigt oder zerstört, indem die Energie des Elektronenstrahls absorbiert wird. Die Oberseite des Objektivtubus des Transmissionselektronenmikroskops ist eine Elektronenkanone. Die Elektronen werden von der Wolfram-Glühkathode emittiert und die Elektronenstrahlen werden vom ersten und zweiten Kondensator fokussiert.
Nach dem Durchgang durch die Probe wird der Elektronenstrahl durch die Objektivlinse auf den Zwischenspiegel abgebildet, dann durch den Zwischenspiegel und den Projektionsspiegel schrittweise vergrößert und anschließend auf dem Fluoreszenzschirm oder der photokohärenten Platte abgebildet. Die Vergrößerung des Zwischenspiegels kann hauptsächlich durch die Einstellung des Erregerstroms stufenlos vom Zehnfachen bis zum Hunderttausendfachen verändert werden; Durch Ändern der Brennweite des Zwischenspiegels können elektronenmikroskopische Bilder und Elektronenbeugungsbilder an winzigen Teilen derselben Probe erhalten werden.
Um dickere Metallscheibenproben zu untersuchen, entwickelte das französische Dulos Electron Optics Laboratory ein Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 3500 kV. Der Elektronenstrahl des Rasterelektronenmikroskops durchdringt die Probe nicht, sondern tastet nur die Oberfläche der Probe ab und regt Sekundärelektronen an. Der neben der Probe platzierte Szintillationskristall empfängt diese Sekundärelektronen, verstärkt und moduliert die Intensität des Elektronenstrahls der Bildröhre und verändert dadurch die Helligkeit auf dem Bildschirm der Bildröhre.
Die Ablenkspule der Bildröhre führt eine synchrone Abtastung mit dem Elektronenstrahl auf der Oberfläche der Probe durch, sodass der Leuchtschirm der Bildröhre das topografische Bild der Probenoberfläche anzeigt, was dem Funktionsprinzip eines Industriefernsehers ähnelt . Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche bestimmt.
Die Vergrößerung ist das Verhältnis der Abtastamplitude an der Bildröhre zur Abtastamplitude an der Probe, das kontinuierlich vom Zehnfachen bis zum Hunderttausendfachen geändert werden kann. Das Rasterelektronenmikroskop erfordert keine sehr dünne Probe; das Bild hat eine starke dreidimensionale Wirkung; Es kann Informationen wie Sekundärelektronen, absorbierte Elektronen und Röntgenstrahlen, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl und der Substanz erzeugt werden, verwenden, um die Zusammensetzung der Substanz zu analysieren.
Die Elektronenkanone und die Kondensorlinse eines Rasterelektronenmikroskops ähneln in etwa denen eines Transmissionselektronenmikroskops. Um den Elektronenstrahl jedoch dünner zu machen, werden unter der Kondensorlinse eine Objektivlinse und ein Astigmatisator sowie zwei Sätze davon hinzugefügt Im Inneren der Objektivlinse sind zueinander senkrechte Abtaststrahlen eingebaut. Spule. Die Probenkammer unterhalb der Objektivlinse ist mit einem Probentisch ausgestattet, der sich bewegen, drehen und neigen lässt.
