CN105869491B - 一种透射电镜教学模型的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透射电镜教学模型的装置，包括基座，准直光源，特制光栅片，光阑I，透镜I，光阑II，放大透镜组和光屏；所述透镜I为凸透镜；所述特制光栅片为不同的区域刻制不同方向的平行狭缝条纹的平板玻璃；准直光源、光阑I、特制光栅片、透镜I、光阑II、放大透镜组以及光屏从上到下依次同轴固定在基座上，放大透镜组包括一个以上的凸透镜或一个以上的凹透镜，透镜I位于特制光栅片下方d0处，d0不大于透镜I的镜片直径；光阑II位于透镜I下方f1处，f1为透镜I的焦距；本发明装置能够将复杂的透射电镜工作原理直观地展现出来，具有加速学习过程，加深对透射电镜原理的理解的效果。

Description

一种透射电镜教学模型的装置
技术领域
本发明属于透射电镜的技术领域，具体涉及一种透射电镜教学模型的装置。
背景技术
为了解决现阶段该类课程教学主要基于书本而过于抽象，学生难以理解透射电镜相对复杂的工作原理的问题。已有的方法是在学习书本中所述原理后参观透射电镜实物，然而并非每所学校都配有透射电镜，同时透射电镜非常贵重，数量难以真正满足教学需求，更无法让学生动手操作。并且目前没有相关的教学装置能够模仿透射电镜，因此现有方法并不能让学生深入理解透射电镜工作原理。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种透射电镜教学模型的装置，能够模仿透射电镜成像原理，解决透射电镜原理教学过程中内容抽象、学生难以理解的问题。
实现本发明的技术方案如下：
一种透射电镜教学模型的装置，包括基座，准直光源，特制光栅片，光阑I，透镜I，光阑II，放大透镜组和光屏；
所述透镜I为凸透镜；
所述特制光栅片为不同的区域刻制不同方向的平行狭缝条纹的平板玻璃；
准直光源、光阑I、特制光栅片、透镜I、光阑II、放大透镜组以及光屏从上到下依次同轴固定在基座上，放大透镜组包括一个以上的凸透镜，透镜I位于特制光栅片下方d0处，d0不大于透镜I的镜片直径；光阑II位于透镜I下方f1处，f1为透镜I的焦距。
进一步地，所述放大透镜组包括两个凸透镜：透镜II和透镜III；其焦距分别为f2和f3，透镜II和透镜III的光心距离为D，1cm<D<3cm；当透射电镜教学模型的装置进行衍射模式成像时，透镜II距离透镜I的焦平面为d1，放大透镜组将透镜I的焦平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏上，其中当透射电镜教学模型的装置进行明场、暗场或高分辨模式成像时，透镜II距离透镜I的像平面为d1，放大透镜组将透镜I的像平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏上，0<d1<f1，并且
光屏距离透镜III为d2，
进一步地，所述透射电镜教学模型的装置还包括X-Y滑台I，X-Y滑台II和Z滑台，X-Y滑台I固连在基座上，其滑块与光阑I固连；X-Y滑台II固连在基座上，其滑块与光阑II固连，Z滑台固连在基座上，其滑块与放大透镜组固连。
有益效果：
本发明装置能够将复杂的透射电镜工作原理直观地展现出来，具有加速学习过程，加深对透射电镜原理的理解的效果。
附图说明
图1为透射电子显微镜基本结构示意图。
图2(a)为一维光栅片示意图，图2(b)为二维光栅片示意图，图2(c)为特制光栅片示意图。
图3为本发明装置结构示意图。
图4为本发明装置的衍射模式成像光路图。
图5为本发明装置的明场像模式成像光路图。
图6为本发明装置的暗场模式成像光路图。
图7为本发明装置的高分辨模式成像光路图。
其中，1-电子枪，2-扩束镜，3-准直镜，4-样品，5-物镜，6-透镜组，7-荧光屏，8-准直光源，9-X-Y滑台I，10-光阑I，11-X-Y滑台II，12-光阑II，13-放大透镜组，14-Z滑台，15-光屏，16-基座，17-透镜I，18-样品台，19-特制光栅片，20-光源台。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)是一种能够以原子级别的超高分辨率观察和分析物质微观结构的大型科学仪器。它的基本工作原理如图1所示。采用一束高能电子束经扩束、准直后照射到薄样品4中，如果样品4的微观结构具有某种空间有序性(如晶体样品)，电子束将发生强烈衍射，分成若干束不同方向的电子束，其中与原入射电子束平行的电子束称为透射束，其它方向的电子束称为衍射束。每一束电子束中都携带样品4结构的信息。透射束中的信息称为明场像，各衍射束中的信息称为暗场像。各束电子束经过电磁物镜(透镜I)，在物镜8焦平面(简称焦平面)上会聚成各点，这些点形成特殊的阵列，称为衍射花样，它包含样品4中各个区域的微观结构的空间有序性的信息；在物镜8像平面(简称像平面)上，各束电子束中的像(明场像和各个暗场像)将重叠在一起。物镜8后面还有一组电磁透镜组6(放大透镜组)，它相当于一个可变焦的相机。如果该放大透镜组6以焦平面为对焦位置，将观察到衍射花样，这样的操作模式称为衍射模式(图4)；如果该放大透镜组6以物镜8像平面为对焦位置，并且在物镜8焦平面上插入光阑II(光阑在这个位置时称为物镜光阑)，当光阑孔选择透射束的斑点(即衍射花样的中央亮斑)，则观察到的图像称为明场像，这种操作模式称为明场模式(图5)；若光阑孔选择任意一个衍射束的斑点(即衍射花样中中央亮斑之外的其他斑点)，则照观察到的图像称为暗场像，这种操作模式称为暗场模式(图6)；若光阑孔选择多个斑点(中央斑点和一个或多个衍射斑点)，并且仪器有足够高的分辨率和放大倍数，则可以看到晶格的条纹像，这种操作模式称为高分辨模式(图7)。
透射电子显微镜在工作时，电子束必须封闭在高真空的环境中，否则电子会被空气分子强烈散射而无法完成成像，并且高能电子束碰到样品4、荧光屏7等会发射x射线等有害辐射，所以整个电子光路必须封闭在金属镜筒中，操作者无法直接观察到电子的衍射和成像过程。加上电子显微分析的理论基础非常抽象，这对学生和培训人员理解透射电镜的工作原理造成很大困难。透射电子显微分析与显微镜操作技术是最难掌握的科学实验技术之一。另外，由于透射电镜价格昂贵，维护费用高，因而在很多大学该仪器的配备数量非常有限甚至没有，学生和教学研究人员亲自动手操作的机会非常有限，因而极大地影响了相关课程的掌握以及相关科研工作的开展。
本发明采用准直激光光束代替准直电子束，用特制光栅片19代替透射电镜通常采用的晶体样品，用玻璃透镜代替电磁透镜，完美地模拟了透射电镜形成衍射与选区衍射、明场像、暗场像、高分辨像的过程，以一种十分有趣的方式直观而清晰地展示了透射电镜在各种工作模式的光路，极大促进了学生和培训人员对透射电镜操作和分析技术的掌握。
如图3所示，本发明提供了一种透射电镜教学模型的装置，包括基座16，准直光源8，特制光栅片19，光阑I10，透镜I17，光阑II12，放大透镜组13、光屏15、X-Y滑台I9，X-Y滑台II11和Z滑台14；
所述透镜I17为凸透镜；
所述特制光栅片19为不同的区域刻制不同方向的平行狭缝条纹的平板玻璃；
所述特制光栅片19如图2所示。光栅是一种在透明介质(如玻璃)上刻制了很多条相互平行、等距、等宽的狭缝条纹而形成的光学元件。它可以使光发生衍射和色散。典型的光栅类型有一维光栅(只刻制一个方向的条纹)和正交光栅(沿着两个正交方向刻制平行条纹)。一般使用的普通光栅是在整块平板玻璃上刻制同一方向平行排列的狭缝。本发明设计的特制光栅，为了更好的说明透射电镜的成像原理和模拟透射电镜的各种成像和衍射模式，将平板玻璃(或其他透明介质)不同的区域刻制不同方向和不同间距的平行狭缝条纹。
这种特制光栅片用于模拟晶体样品内部的微观结构。晶体材料由众多大小不一的晶粒构成，晶粒内部的原子排列具有周期性结构，每一个晶粒都可以用一个普通光栅模拟。而晶体材料内部众多晶粒的晶体学取向各不相同，则模拟不同晶粒的光栅所具备的参数(平行狭缝方向和狭缝宽度)也各不相同。若使用一块光栅片模拟整个晶体样品，则不同区域就需要刻制不同方向和间距的平行狭缝条纹，即所述特制光栅片。
准直光源8、光阑I10、特制光栅片19、透镜I17、光阑II12、放大透镜组13以及光屏15从上到下依次同轴固定在基座16上，放大透镜组13包括一个以上的凸透镜或一个以上的凹透镜；X-Y滑台I9固连在基座16上，其滑块与光阑I10固连；X-Y滑台II11固连在基座16上，其滑块与光阑II12固连，Z滑台14固连在基座16上，其滑块与放大透镜组13固连。
特制光栅片19位于准直光源8正下方距离准直光源5-15cm，光阑I10位于特制光栅片19正上方距离特制光栅片1-5cm，透镜I17位于特制光栅片19下方d0处，d0不大于透镜I17的镜片直径；光阑II12位于透镜I17下方f1处，f1为透镜I17的焦距。
所述放大透镜组13包括两个凸透镜：透镜II和透镜III；其焦距分别为f2和f3，透镜II和透镜III的光心距离为D，1cm<D<3cm；当透射电镜教学模型的装置进行衍射模式成像时，透镜II距离透镜I17的焦平面为d1，放大透镜组13将透镜I17的焦平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏15上，其中，当透射电镜教学模型的装置进行明场、暗场或高分辨模式成像时，透镜II距离透镜I17的像平面为d1，放大透镜组13将透镜I17的像平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏15上，0<d1<f1，并且
光屏15距离透镜III为d2，
公式(1)和公式(2)的具体推倒过程如下：
u3＝v2+D (5)
M＝|m1|*|m2| (8)
以上公式中各参量都满足实正虚负的原则，其中，u2为透镜II距离透镜I17的焦平面(衍射模式成像时)或像平面(明场、暗场或高分辨模式成像时)的距离，其中，u2、v2、f2分别表示透镜II的物距、像距和焦距；u3、v3、f3分别表示透镜III的物距、像距和焦距；m1表示透镜II的放大倍率，D为透镜II光心到透镜III光心的距离，m2表示透镜III的放大倍率，M表示放大透镜组13总放大倍率；
联立(3)—(8)，可得到：
此处的u2即为(1)式中的d1，将u2代入(3)中可得v2的表达式：
由(5)、(6)联立可得v3也即d2的初步表达式：
再将式(10)代入式(11)中，可以解出d2表达式为：
各部件的功能：
基座16：用于提供其他部件的安装支撑并使整个装置可以无需外界支撑稳固放置于工作面上。
准直光源8：用于模拟透射电镜中的准直电子束，是成像的信号源。准直光源8射出的可以是平行的单色激光或射线，也可以是平行的两种及以上单色激光或射线的混合电磁波。
特制光栅片19：特制光栅片19用于模拟晶体材料各个晶粒内原子的周期性排列。特制光栅片19线数可以从10线到3000线，特制光栅片19分为若干个多边形小区域，在不同区域光刻有不同线数或不同方向或二者皆不同的光栅。
光阑I10：用于控制特制光栅片19上受到照射的区域的大小及位置。
透镜I17：凸透镜，用于会聚通过特制光栅片19的透射束和衍射束，并在透镜I17的焦平面形成衍射斑点，且在透镜I17的像平面形成像。
光阑II12：用于控制透镜I17的焦平面上的衍射斑点所对应的光线，使其选择性通过该平面。
放大透镜组13：由若干凸透镜或凹透镜组合而成，一般用两个凸透镜组合即可，用于将透镜I17的焦平面以及像平面所成像进行放大，投影在光屏15上。
X-Y滑台：用于控制连接于其上的零件在水平面内的位置。
Z滑台14：用于控制连接在其上的零件在竖直方向上的位置。
光屏15：用于显示最后生成的像。
本系统的工作运行过程：
打开光源，让准直光源8的光照射到特制光栅片19上。调节X-Y滑台I9的X和Y方向的位移控制杆以及光阑I10的孔径，使光斑能够覆盖特制光栅片19上所研究区域。光经过特制光栅片19后分离为透射束和衍射束。透射束和衍射束经过透镜I17折射后在透镜I17焦平面会聚成一套衍射斑点，模拟透射电镜中的衍射花样；在透镜I的像平面形成一实像，模拟透射电镜中的明场像、暗场像。光阑II12处于透镜I17的焦平面上，X-Y滑台II11的X和Y方向的控制杆以及光阑II12的孔径，可以套住不同位置、不同数目的衍射斑点，从而决定哪些斑点的光可以通过光阑II12并继续向下成像。
之后分为两种操作：
(1)观察衍射斑点：放大率为M，且透镜II与透镜III光心相距D。旋转X-Y滑台II11的X和Y方向的控制杆，并将光阑II12的孔径调到最大，套住所有的一级衍射斑点。调整Z滑台14的滑块，改变放大透镜组13竖直方向上的位置，使透镜II距离透镜再调节Z滑台14上连接光屏15的滑块，使光屏15距离透镜三在衍射模式下，观察到的是焦平面衍射花样，呈现由多排不同方向的衍射斑点构成的衍射花样；
(2)观察生成的像：放大率为M，且透镜II与透镜III光心相距D。旋转X-Y滑台II11的X和Y方向的控制杆，并调节光阑II12的孔径，套住所想观察的一个或多个斑点：让光阑II仅套住中心斑点就切换到了明场模式，让光阑II仅套住处中心斑点外的一个周围斑点，则切换到了暗场模式，让光阑II套住中心斑点和两个以上周围斑点时，就切换到了高分辨模式，调整Z滑台14上连接放大透镜组13的Z1滑块，改变放大透镜组13竖直方向上的位置，使透镜II距离透镜I17v1为透镜I17的像距，再调节Z滑台14上连接光屏15的Z2滑块，使光屏15距离透镜
在明场模式下，观察到的是像平面的明场像，这时光阑II12仅套住中心斑点，仅允许中心斑点的光穿过继续成像。由于特制光栅片中的不同区域光栅参数不同，因而衍射强烈程度不同，观察到的像各区域明暗不一，衍射强烈的区域较暗，衍射较弱的区域较亮。
在暗场模式下，观察到的是像平面的暗场像，这时光阑II12仅套住一个周围斑点(除中心斑点外的其他斑点)，仅允许此斑点的光穿过继续成像。与明场像相同，所观察到像的各个区域明暗不同，但衍射强烈的局域较亮，而衍射较弱的部分较暗。
在高分辨模式下，观察到的相当于明场像和暗场像在像平面叠加形成的像，此时这时光阑II12套住中心斑点和两个以上周围斑点，允许这些斑点的光都穿过继续成像。所观察到的像没有明显的区域明暗衬度，但是通过放大透镜组13的放大，可以看见不同的区域出现不同方向和间距的明暗相间的平行条纹，这正是对应着特制光栅片上不同区域所刻制的不同方向和间距的平行狭缝条纹。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种透射电镜教学模型的装置，其特征在于，包括基座(16)，准直光源(8)，特制光栅片(19)，光阑I(10)，透镜I(17)，光阑II(12)，放大透镜组(13)和光屏(15)；
所述透镜I(17)为凸透镜；
所述特制光栅片(19)为不同的区域刻制不同方向的平行狭缝条纹的平板玻璃；
准直光源(8)、光阑I(10)、特制光栅片(19)、透镜I(17)、光阑II(12)、放大透镜组(13)以及光屏(15)从上到下依次同轴固定在基座(16)上，放大透镜组(13)包括一个以上的凸透镜，透镜I(17)位于特制光栅片(19)下方d0处，d0不大于透镜I(17)的镜片直径；光阑II(12)位于透镜I(17)下方f1处，f1为透镜I(17)的焦距。
2.如权利要求1所述的一种透射电镜教学模型的装置，其特征在于，所述放大透镜组(13)包括两个凸透镜：透镜II和透镜III；其焦距分别为f2和f3，透镜II和透镜III的光心距离为D，1cm<D<3cm；当透射电镜教学模型的装置进行衍射模式成像时，透镜II距离透镜I(17)的焦平面为d1，放大透镜组(13)将透镜I(17)的焦平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏(15)上，其中，当透射电镜教学模型的装置进行明场、暗场或高分辨模式成像时，透镜II距离透镜I(17)的像平面为d1，放大透镜组(13)将透镜I(17)的像平面的像生成为放大率为M的像投影在光屏(15)上，其中，0<d1<f1，并且
光屏(15)距离透镜III为d2，
3.如权利要求1所述的一种透射电镜教学模型的装置，其特征在于，所述透射电镜教学模型的装置还包括X-Y滑台I(9)，X-Y滑台II(11)和Z滑台(14)，X-Y滑台I(9)固连在基座(16)上，X-Y滑台I(9)的滑块与光阑I(10)固连；X-Y滑台II(11)固连在基座(16)上，X-Y滑台II(11)的滑块与光阑II(12)固连，Z滑台(14)固连在基座(16)上，其滑块与放大透镜组(13)固连。
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