กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีระยะการสังเกตเท่าใด

กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีระยะการสังเกตเท่าใด

องค์ประกอบและโครงสร้างของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง โดยทั่วไปแล้วกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงประกอบด้วยเวที ระบบแสงสปอตไลท์ เลนส์ใกล้ตา เลนส์ใกล้ตา และกลไกการโฟกัส เวทีใช้สำหรับยึดวัตถุที่จะสังเกต กลไกการโฟกัสสามารถขับเคลื่อนโดยปุ่มปรับโฟกัสเพื่อให้เวทีเลื่อนขึ้นและลงสำหรับการปรับหยาบและการปรับละเอียด เพื่อให้สามารถโฟกัสและถ่ายภาพวัตถุที่สังเกตได้อย่างชัดเจน

ชั้นบนของมันสามารถเคลื่อนที่และหมุนได้อย่างแม่นยำในระนาบแนวนอน และโดยทั่วไปจะปรับส่วนที่สังเกตให้อยู่ตรงกลางของขอบเขตการมองเห็น ระบบไฟส่องเฉพาะจุดประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงและคอนเดนเซอร์ การทำงานของคอนเดนเซอร์คือการรวมพลังงานแสงไปยังส่วนที่สังเกตได้มากขึ้น ลักษณะทางสเปกตรัมของหลอดส่องสว่างจะต้องเข้ากันได้กับแถบการทำงานของเครื่องรับกล้องจุลทรรศน์

เลนส์ใกล้วัตถุจะอยู่ใกล้กับวัตถุที่จะสังเกต และเป็นเลนส์ที่ให้กำลังขยายระดับแรก เลนส์ใกล้วัตถุหลายตัวที่มีกำลังขยายต่างกันได้รับการติดตั้งบนตัวแปลงเลนส์ใกล้วัตถุพร้อมกัน และเลนส์ใกล้วัตถุที่มีกำลังขยายต่างกันสามารถเข้าสู่เส้นทางแสงที่ใช้งานได้โดยการหมุนตัวแปลง กำลังขยายของเลนส์ใกล้วัตถุมักจะอยู่ที่ 5 ถึง 100 เท่า เลนส์ใกล้วัตถุเป็นองค์ประกอบทางแสงที่มีบทบาทชี้ขาดต่อคุณภาพของภาพในกล้องจุลทรรศน์

ที่ใช้กันทั่วไปคือเลนส์ใกล้วัตถุแบบอะโครมาติกที่สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนของสีสำหรับแสงสองสี เลนส์ใกล้วัตถุปรับสภาพสีคุณภาพสูงกว่าที่สามารถแก้ไขความคลาดเคลื่อนสีสำหรับแสงสีสามชนิด สามารถรับประกันได้ว่าระนาบภาพทั้งหมดของเลนส์ใกล้วัตถุจะแบนราบ เพื่อปรับปรุงขอบเขตการมองเห็นวัตถุประสงค์ของเลนส์ใกล้วัตถุด้วยคุณภาพของภาพเพียงเล็กน้อย วัตถุประสงค์ในการจุ่มของเหลวมักใช้ในวัตถุประสงค์ที่ต้องการกำลังขยายสูง กล่าวคือ ดัชนีการหักเหของแสงคือ 1 ระหว่างพื้นผิวด้านล่างของเลนส์ใกล้วัตถุและพื้นผิวด้านบนของแผ่นชิ้นงาน

5 ของเหลวสามารถปรับปรุงความละเอียดของการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างมีนัยสำคัญ เลนส์ใกล้ตาเป็นเลนส์ที่อยู่ใกล้กับดวงตาของมนุษย์เพื่อให้ได้กำลังขยายระดับที่สอง และกำลังขยายของเลนส์มักจะอยู่ที่ 5 ถึง 20 เท่า ตามขนาดของขอบเขตการมองเห็นที่สามารถมองเห็นได้ เลนส์ใกล้ตาสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท: เลนส์ตาธรรมดาที่มีขอบเขตการมองเห็นที่เล็กกว่า และ เลนส์ใกล้ตาที่มีขอบเขตการมองเห็นที่กว้างกว่า (หรือเลนส์ตามุมกว้าง) ที่มีขอบเขตการมองเห็นที่กว้างกว่า

ทั้งเวทีและเลนส์ใกล้วัตถุต้องสามารถเคลื่อนที่สัมพันธ์กันตามแนวแกนออพติคอลของเลนส์ใกล้วัตถุเพื่อให้ปรับโฟกัสได้และได้ภาพที่ชัดเจน เมื่อทำงานกับเลนส์ใกล้วัตถุที่มีกำลังขยายสูง ช่วงการโฟกัสที่อนุญาตมักจะเล็กกว่าไมครอน ดังนั้น กล้องจุลทรรศน์จึงต้องมีกลไกการโฟกัสระดับไมโครที่แม่นยำมาก ขีดจำกัดของกำลังขยายของกล้องจุลทรรศน์คือกำลังขยายที่มีประสิทธิภาพ และความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์หมายถึงระยะห่างขั้นต่ำระหว่างจุดวัตถุสองจุดที่กล้องจุลทรรศน์สามารถแยกแยะได้อย่างชัดเจน

ความละเอียดและการขยายเป็นสองแนวคิดที่แตกต่างกันแต่เกี่ยวข้องกัน เมื่อรูรับแสงตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุที่เลือกไม่ใหญ่พอ นั่นคือ ความละเอียดไม่สูงพอ กล้องจุลทรรศน์จะไม่สามารถแยกความแตกต่างของโครงสร้างที่ละเอียดของวัตถุได้ ในขณะนี้ แม้ว่ากำลังขยายจะเพิ่มขึ้นมากเกินไป ภาพที่ได้จะเป็นภาพที่มีโครงร่างขนาดใหญ่แต่รายละเอียดไม่ชัดเจนเท่านั้น เรียกว่ากำลังขยายที่ไม่ถูกต้อง

ในทางกลับกัน หากความละเอียดตรงตามความต้องการแต่กำลังขยายไม่เพียงพอ กล้องจุลทรรศน์ก็สามารถแก้ไขได้ แต่ภาพก็ยังเล็กเกินไปที่ตามนุษย์จะมองเห็นได้ชัดเจน ดังนั้น เพื่อให้ใช้กำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์ได้อย่างเต็มที่ ตัวเลขรูรับแสงควรตรงกับกำลังขยายทั้งหมดของกล้องจุลทรรศน์อย่างสมเหตุสมผล ระบบแสงสปอตไลท์มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการถ่ายภาพของกล้องจุลทรรศน์ แต่เป็นจุดเชื่อมโยงที่ผู้ใช้มองข้ามได้ง่าย

หน้าที่ของมันคือการให้แสงสว่างที่เพียงพอและสม่ำเสมอของพื้นผิววัตถุ ลำแสงที่ส่งมาจากคอนเดนเซอร์ควรแน่ใจว่าลำแสงนั้นเต็มมุมรูรับแสงของเลนส์ใกล้วัตถุ มิฉะนั้น ความละเอียดสูงสุดที่เลนส์ใกล้วัตถุสามารถทำได้จะไม่สามารถใช้ได้เต็มที่ เพื่อจุดประสงค์นี้ คอนเดนเซอร์จะติดตั้งไดอะแฟรมรูรับแสงแบบแปรผันแบบเดียวกับในเลนส์ใกล้วัตถุสำหรับถ่ายภาพ ซึ่งสามารถปรับขนาดของรูรับแสงได้ และใช้เพื่อปรับรูรับแสงของลำแสงส่องสว่างให้ตรงกับมุมรูรับแสงของวัตถุ เลนส์.

ด้วยการเปลี่ยนวิธีการจัดแสง วิธีการสังเกตที่แตกต่างกัน เช่น จุดวัตถุมืดบนพื้นหลังสว่าง (เรียกว่าการส่องสว่างของสนามสว่าง) หรือจุดวัตถุสว่างบนพื้นหลังมืด (เรียกว่าการส่องสว่างสนามมืด) เพื่อให้สามารถค้นพบและสังเกตได้ดีขึ้น โครงสร้างจุลภาค กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นเครื่องมือที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนและเลนส์อิเล็กตรอนแทนลำแสงและเลนส์ออพติคอล เพื่อถ่ายภาพโครงสร้างที่ละเอียดของสสารด้วยกำลังขยายที่สูงมากตามหลักการของออปติกอิเล็กตรอน

กำลังแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงด้วยระยะห่างขั้นต่ำระหว่างจุดที่อยู่ติดกันสองจุดที่สามารถแยกได้ ในช่วงทศวรรษที่ 1970 ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านอยู่ที่ประมาณ 0.3 นาโนเมตร (กำลังแยกของสายตามนุษย์ประมาณ 0.1 มม.) ขณะนี้กำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเกิน 3 ล้านเท่า ในขณะที่กำลังขยายสูงสุดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอยู่ที่ประมาณ 2,000 เท่า ดังนั้นอะตอมของโลหะหนักบางชนิดและโครงสร้างอะตอมที่จัดเรียงอย่างประณีตในผลึกจึงสามารถสังเกตได้โดยตรงผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน .

ในปี พ.ศ. 2474 Knorr-Bremse และ Ruska จากเยอรมนีได้ติดตั้งออสซิลโลสโคปไฟฟ้าแรงสูงที่มีแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแบบปล่อยประจุแคโทดเย็นและเลนส์อิเล็กตรอนสามตัว และได้รับภาพที่ขยายมากกว่าสิบเท่า ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้ของการขยายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ในปีพ.ศ. 2475 หลังจากการปรับปรุงของรุสกา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีกำลังการแยกภาพสูงถึง 50 นาโนเมตร ซึ่งมากกว่ากำลังการแยกของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงประมาณสิบเท่าในขณะนั้น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงเริ่มได้รับความสนใจจากผู้คน

ในปี 1940 ฮิลล์ในสหรัฐอเมริกาใช้เครื่องมือวัดสายตาเพื่อชดเชยความไม่สมมาตรในการหมุนของเลนส์อิเล็กตรอน ซึ่งทำให้เกิดความก้าวหน้าครั้งใหม่ในด้านกำลังแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และค่อยๆ มาถึงระดับที่ทันสมัย ในประเทศจีน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านได้รับการพัฒนาสำเร็จในปี 1958 ด้วยความละเอียด 3 นาโนเมตร และในปี 1979 มันถูกผลิตขึ้นด้วยความละเอียด 0

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขนาดใหญ่ 3 นาโนเมตร แม้ว่ากำลังการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะดีกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาก แต่ก็ยากที่จะสังเกตเห็นสิ่งมีชีวิตเนื่องจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจำเป็นต้องทำงานภายใต้สภาวะสุญญากาศ และการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอนจะทำให้ตัวอย่างทางชีววิทยา ได้รับความเสียหายจากรังสี ประเด็นอื่นๆ เช่น การปรับปรุงความสว่างของปืนอิเล็กตรอนและคุณภาพของเลนส์อิเล็กตรอน ก็จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติมเช่นกัน

กำลังการแยกตัวเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งสัมพันธ์กับมุมกรวยตกกระทบและความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนที่ผ่านตัวอย่าง ความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นอยู่ที่ประมาณ {{0}} นาโนเมตร ในขณะที่ความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนจะสัมพันธ์กับแรงดันไฟฟ้าที่มีความเร่ง เมื่อแรงดันเร่งคือ 50-100 kV ความยาวคลื่นของลำอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ประมาณ 0

0053 ถึง 0.0037 นาโนเมตร เนื่องจากความยาวคลื่นของลำแสงอิเล็กตรอนนั้นเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ตามองเห็นมาก แม้ว่ามุมกรวยของลำแสงอิเล็กตรอนจะเป็นเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง อำนาจการแยกของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก็ยังเหนือกว่านั้นมาก ของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ กระบอกเลนส์ ระบบสุญญากาศ และตู้จ่ายไฟ

กระบอกเลนส์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน เลนส์อิเล็กตรอน ที่จับตัวอย่าง หน้าจอเรืองแสง และกลไกของกล้อง ส่วนประกอบเหล่านี้มักจะประกอบเป็นคอลัมน์จากบนลงล่าง ระบบสุญญากาศประกอบด้วยปั๊มสุญญากาศเชิงกล ปั๊มแพร่ และวาล์วสุญญากาศ ท่อส่งก๊าซเชื่อมต่อกับกระบอกเลนส์ ตู้จ่ายไฟประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง เครื่องควบคุมกระแสไฟกระตุ้น และชุดควบคุมการปรับแต่งต่างๆ

เลนส์อิเล็กตรอนเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของกระบอกเลนส์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน มันใช้สนามไฟฟ้าอวกาศหรือสนามแม่เหล็กที่สมมาตรกับแกนของกระบอกเลนส์เพื่อทำให้รางอิเล็กตรอนงอเข้ากับแกนเพื่อสร้างโฟกัส มีหน้าที่คล้ายกับเลนส์นูนแก้วเพื่อโฟกัสลำแสง จึงเรียกว่าอิเล็กตรอน เลนส์. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งโฟกัสอิเล็กตรอนผ่านสนามแม่เหล็กแรงสูงที่เกิดจากกระแสกระตุ้น DC ที่เสถียรมากผ่านขดลวดที่มีขั้วรองเท้า

ปืนอิเล็กตรอนเป็นส่วนประกอบที่ประกอบด้วยไส้หลอดทังสเตนร้อน แคโทด กริด และแคโทด มันสามารถปล่อยและสร้างลำแสงอิเล็กตรอนด้วยความเร็วสม่ำเสมอ ดังนั้นความเสถียรของแรงดันเร่งจะต้องไม่น้อยกว่าหนึ่งในหมื่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถแบ่งออกเป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสะท้อน และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบเปล่งแสงตามโครงสร้างและการใช้งาน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมักใช้เพื่อสังเกตโครงสร้างวัสดุละเอียดที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่จะใช้ในการสังเกตสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของแข็ง และยังสามารถใช้ร่วมกับ X-ray diffractometers หรือเครื่องสเปกโตรมิเตอร์พลังงานอิเล็กตรอนเพื่อสร้างโพรบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ กล้องจุลทรรศน์อิเล็คตรอนแบบเปล่งแสงเพื่อการศึกษาพื้นผิวอิเล็คตรอนที่เปล่งแสงได้เอง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านได้รับการตั้งชื่อตามลำแสงอิเล็กตรอนที่เจาะเข้าไปในตัวอย่างแล้วขยายภาพด้วยเลนส์อิเล็กตรอน เส้นทางแสงคล้ายกับของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนประเภทนี้ ความคมชัดในรายละเอียดของภาพถูกสร้างขึ้นโดยการกระเจิงของลำแสงอิเล็กตรอนโดยอะตอมของตัวอย่าง ส่วนที่บางกว่าหรือมีความหนาแน่นต่ำกว่าของตัวอย่างมีการกระเจิงของลำแสงอิเล็กตรอนน้อยกว่า เพื่อให้มีอิเล็กตรอนจำนวนมากผ่านไดอะแฟรมวัตถุประสงค์และมีส่วนร่วมในการสร้างภาพ และปรากฏสว่างขึ้นในภาพ

ในทางกลับกัน ส่วนที่หนาหรือหนาแน่นกว่าของตัวอย่างจะดูมืดกว่าในภาพ หากตัวอย่างมีความหนาหรือหนาแน่นเกินไป คอนทราสต์ของภาพจะลดลง หรือแม้กระทั่งเสียหายหรือถูกทำลายโดยการดูดซับพลังงานของลำแสงอิเล็กตรอน ด้านบนของกระบอกเลนส์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านคือปืนอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาโดยแคโทดทังสเตนร้อน และลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกโฟกัสโดยคอนเดนเซอร์ตัวที่หนึ่งและตัวที่สอง

หลังจากผ่านตัวอย่างแล้ว ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายภาพบนกระจกเงาตรงกลางด้วยเลนส์ใกล้วัตถุ จากนั้นขยายทีละขั้นตอนผ่านกระจกเงากลางและกระจกฉาย จากนั้นจึงถ่ายภาพบนจอเรืองแสงหรือแผ่นโฟโตโคเฮเรนต์ กำลังขยายของกระจกระดับกลางสามารถเปลี่ยนได้อย่างต่อเนื่องจากหลายสิบเท่าเป็นหลายแสนเท่าโดยส่วนใหญ่ผ่านการปรับกระแสกระตุ้น โดยการเปลี่ยนทางยาวโฟกัสของกระจกเงาตรงกลาง จะสามารถรับภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและภาพการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนได้ในส่วนเล็กๆ ของตัวอย่างเดียวกัน

เพื่อศึกษาตัวอย่างชิ้นโลหะที่หนาขึ้น ห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ Dulos Electron ของฝรั่งเศสได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแรงดันสูงพิเศษที่มีแรงดันไฟฟ้าเร่ง 3500 kV ลำแสงอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ผ่านตัวอย่าง แต่จะสแกนและกระตุ้นอิเล็กตรอนทุติยภูมิบนพื้นผิวของตัวอย่างเท่านั้น คริสตัลเรืองแสงวาบที่วางอยู่ข้างตัวอย่างจะได้รับอิเล็กตรอนทุติยภูมิเหล่านี้ ขยายและมอดูเลตความเข้มลำแสงอิเล็กตรอนของหลอดภาพ ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนความสว่างบนหน้าจอของหลอดภาพ

ขดลวดเบี่ยงเบนของหลอดภาพยังคงสแกนแบบซิงโครนัสกับลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่าง เพื่อให้หน้าจอเรืองแสงของหลอดภาพแสดงภาพภูมิประเทศของพื้นผิวตัวอย่าง ซึ่งคล้ายกับหลักการทำงานของทีวีอุตสาหกรรม . ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่วนใหญ่กำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงอิเล็กตรอนบนพื้นผิวตัวอย่าง

กำลังขยายคืออัตราส่วนของแอมพลิจูดการสแกนบนหลอดภาพต่อแอมพลิจูดการสแกนบนตัวอย่าง ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องตั้งแต่สิบเท่าไปจนถึงหลายแสนเท่า กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดไม่ต้องการตัวอย่างที่บางมาก ภาพมีเอฟเฟกต์สามมิติที่แข็งแกร่ง สามารถใช้ข้อมูล เช่น อิเล็กตรอนทุติยภูมิ อิเล็กตรอนที่ถูกดูดกลืน และรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่างลำแสงอิเล็กตรอนกับสารเพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบของสาร

ปืนอิเล็กตรอนและเลนส์คอนเดนเซอร์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดจะเหมือนกับของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน แต่เพื่อให้ลำแสงอิเล็กตรอนบางลง เลนส์ใกล้วัตถุและตัวปรับสายตาเอียงจะถูกเพิ่มเข้าไปใต้เลนส์คอนเดนเซอร์ และชุดเลนส์สองชุด มีการติดตั้งลำแสงสแกนที่ตั้งฉากกันภายในเลนส์ใกล้วัตถุ ม้วน. ห้องเก็บตัวอย่างด้านล่างเลนส์ใกล้วัตถุมีแท่นวางตัวอย่างที่สามารถเคลื่อนที่ หมุน และเอียงได้