CN105894926B - 一种可视化透射电子显微镜演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化透射电子显微镜演示装置，属于电子显微镜演示技术领域。本发明通过“以激光模拟透射电子显微镜的高能电子束”、“以样品光栅模拟具有周期结构的晶体样品”、“以‘透镜组’+‘摄像机(或光屏)’来模拟透射电子显微镜的成像系统”，实现了对透射电子显微镜的工作模式的模拟，具有原理清楚明白、结构简单明了、可操作性强、部件通用易于维修替换的特点，更可以进一步扩展其功能。适用于透射电镜原理及使用方法的教学，可以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的问题。

Description

一种可视化透射电子显微镜演示装置

技术领域

本发明涉及一种可视化透射电子显微镜演示装置，属于电子显微镜演示技术领域。

背景技术

透射电子显微镜，是一种综合分析测试仪器，具有超高的空间分辨率和多种原位分析功能，在材料微结构分析领域，应用非常广泛。因此，目前国内各大高校材料学院都开设了材料分析测试技术课程，专门讲授透射电子显微镜的原理与使用。

然而，在透射电子显微镜的教学中存在以下问题：

(1)透射电子显微镜使用高能电子束作为“光源”，电子束极易被气体分子散射而轨迹改变，因此要求在高真空下工作；另外，高能电子束会辐射出的x射线，损害人体。因此，透射电子显微镜外壳封闭，电子束光路不可见；

(2)透射电子显微镜要求的样品制作、保存难度大，难以批量制作，用以教学展示。且实际材料样品的结构复杂，其像与衍射花样较为繁复，无助于初学者对透射电子显微镜的工作原理理解；

(3)透射电子显微镜购置价格昂贵，使用、维护费用也较高，数量较少。难以满足高校、培训机构的日常教学工作，多数学生无法亲自动手进行操作。

以上三个原因，再加上电子显微分析的理论基础非常抽象，导致学生在透射电子显微镜原理的学习中存在较大困难，无法透彻理解透射电子显微镜的原理，使透射电子显微分析理论与操作技术成为最难掌握的科学实验技术课程之一。因此，亟需一种透射电子显微镜的演示装置，并且可以使学生亲自动手操作。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种可视化透射电子显微镜演示装置，该装置能够可视化地模拟透射电子显微镜的主要功能及光学原理。

本发明的技术方案如下：

本发明的一种可视化透射电子显微镜演示装置，该装置包括准直光源、样品光栅、第一透镜、光阑I、光阑II、第二透镜、光屏、基座、第一支架和第二支架；

所述的第二透镜还可以用放大透镜组来代替，可以更真实地模拟演示透射电子显微镜的光路；

所述的光屏还可以用摄像机来代替，可以将呈现的图像使用计算机来采集处理；

所述的准直光源可以使用半导体激光发生器、针孔滤波器和准直镜得到，半导体激光发生器产生的光束通过针孔滤波器的小孔发生衍射，其中零级衍射束通过准直镜后输出，得到单色性好、平行度高激光；该准直光源还可以直接采用带扩束镜的激光发生器；

所述的样品光栅由多块形状不同的、50-100线的一维平面光栅制作而成；

所述的第一透镜为凸透镜；

所述的第二透镜为凸透镜；

所述的放大透镜组由两个或三个凸透镜组成；

所述的光阑I由带孔的不透明金属板制作而成，例如黑色铁板，为避免再次发生夫琅和费圆孔衍射导致成像模式下花样重叠，所述的孔径应远大于激光波长，又为避免成像时同时选中多个光束，所述的孔径不宜过大，所述的孔径一般为1-3mm；

所述的光阑II由带孔的不透明金属板制作而成，例如黑色铁板，为避免再次发生夫琅和费圆孔衍射导致衍射模式下花样重叠，所述的孔径应远大于激光波长，又为避免选区衍射时同时选中多个区域，所述的孔径不宜过大，所述的孔径一般为1-3mm；

所述的摄像机为可承受激光照射的工业相机；

所述的准直光源、样品光栅、第一透镜、第二透镜和光屏，从左到右依次放置在基座上；

所述的准直光源、样品光栅、第一透镜、第二透镜均固定安装在基座上；

所述的光阑I通过第一支架进行固定，第一支架带动光阑I相对于基座可以上下运动还可以靠近基座或远离基座移动；

所述的光阑II通过第二支架进行固定，第二支架带动光阑II相对于基座可以上下运动还可以靠近基座或远离基座移动；

所述的基座上带有滑轨，所述的光屏可以在基座的滑轨上左右移动，即光屏可以在基座上向靠近第二透镜或远离第二透镜移动；

所述的光阑I位于第一透镜的焦平面上，第一透镜与光阑I之间的距离为第一透镜的焦距f1；

所述的光阑II位于第一透镜的像平面上，第一透镜和光阑II之间的距离为第一透镜的像距V、样品光栅和第一透镜之间的距离为第一透镜的物距U，像距V、物距U与第一透镜的焦距f1之间的关系满足高斯公式，即1/U+1/V＝1/f1；U大于f1；

所述的第二透镜与第一透镜的像平面之间的距离大于第二透镜的焦距f2；

所述的第一支架和第二支架的移动可以通过步进电机带动丝杠的旋转实现，步进电机可使用PLC进行程序控制；

所述的光屏的移动可以通过直线电机实现，直线电机可使用PLC进行程序控制；

所述的准直光源发出的激光能够依次通过样品光栅、第一透镜、第二透镜、光屏的中心。

有益效果

(1)本发明的装置中以激光模拟透射电子显微镜的高能电子束，解决高能电子束轨迹不可见的问题：通过设计准直光源，得到足以衍射和成像的准直单色光。由于成像光束在可见光范围类，对环境要求不高，故将整个装置设计成了开放式，作为教学展示用具，可以更直观地进行演示；

(2)本发明的装置中以光栅衍射模拟晶面对高能电子束的布拉格衍射，解决透射电子显微镜样品难以批量制作、不易保存且难以用作演示样品的问题：通过设计样品光栅，模拟晶体样品，可以模拟晶体中具有不同取向和周期性的不同晶区，用来展示选取衍射；

(3)本发明的装置中“透镜组”+“摄像机(或光屏)”来模拟透射电子显微镜的成像系统，利用摄像机进行图像采集，为了解决激光能量密度高，易损坏CCD元件的问题，在准直光源光线出射口加装偏振片组减弱激光能量密度，或先以毛玻璃间接成像，再用CCD进行拍摄，也可以直接用白色铁板制的光屏进行成像观察；

(4)本发明的装置中使用所述的准直光源发出的激光，模拟透射电子显微镜中电子枪发射的高能电子束；本发明的装置中第一透镜(是一种光学凸透镜)汇聚激光，模拟透射电子显微镜中以电磁场汇聚高能电子束；本发明的装置中的样品光栅(是一种一维平面光栅)发生光栅衍射，模拟透射电子显微镜中晶体点阵对高能电子束的布拉格衍射；本发明的装置中光阑I、光阑II，模拟透射 电子显微镜中的物镜光阑、选区光阑；本发明的装置中摄像机，模拟透射电子显微镜中的CCD成像元件；

(5)本发明通过“以激光模拟透射电子显微镜的高能电子束”、“以样品光栅模拟具有周期结构的晶体样品”、“以‘透镜组’+‘摄像机(或光屏)’来模拟透射电子显微镜的成像系统”，实现了对透射电子显微镜的工作模式的模拟，具有原理清楚明白、结构简单明了、可操作性强、部件通用易于维修替换的特点，更可以进一步扩展其功能。适用于透射电镜原理及使用方法的教学，可以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的问题。

附图说明

图1a为本发明的装置的结构示意图；

图1b为本发明的装置的结构示意图；

图1c为本发明的第一支架装置的结构示意图；

图1d为本发明的第二支架装置的结构示意图；

图2为样品光栅的结构示意图；

图3为光阑I或光阑II的结构示意图；

图4为明场像模式；

图5为第一种暗场像模式；

图6为第二种暗场相模式；

图7为高分辨像模式；

图8为三角形区域的选区衍射模式；

图9为方形区域的选区衍射模式。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明做进一步说明：

一种可视化透射电子显微镜演示装置，包括以下部件：1.基座，2.半导体激光发生器，3.针孔滤波器，4.准直镜，5.样品光栅，6.第一透镜，7.第一支架，8.第二支架，9.光阑I，10.光阑II，11.放大透镜组，12.摄像机(或光屏)；

按以下方式组装和调整：将光阑I 9、光阑II 10、分别装在第一支架7、第二支架8上；将由半导体激光发生器2、针孔滤波器3和准直镜4得到的准直光源、样品光栅5、第一透镜6固定在基座1上，将放大透镜组、摄像机(或光屏)12分别装在基座1上。将第一支架7、第二支架8的底面保持与基座1在同一平面内，第一支架7、第二支架8的行程方向互相平行，且均与基座1的行程方向垂直。调整第一支架7、第二支架8和第一透镜6的相对位置，使第一支架7、第二支架8分别位于第一透镜6的焦平面、像平面。其余各部件的位置可以自行调整。调整装置中各部件的相对高度，保证准直光源发出的激光，通过各部件的中心。将第一支架7、第二支架8和基座1的各电机与驱动器13与控制器14连接，使用控制器13控制电机的移动。

其使用方法是：包含两种操作模式:第一种模式是通过长按或者短按按钮K1～K10，使各电机长动或点动，可以自由改变光阑I、光阑II和摄像机的位置。不同按钮的效果如表1所示

表1第一种操作模式

第二种模式是通过不同按钮(K11～K16)，改变光阑I、光阑II和摄像机的位置，直接切换到透射电子显微镜的不同模式:按动K11，进入明场像模式，图像的示意图如图4，再按K11复原；按动K12，进入第一种暗场像模式，图像的示意图如图5所示，再按K12复原；按动K13，进入第二种暗场像模式，图像的示意图如图6所示，再按K13复原；按动K14，进入一种高分辨像模式，图像的示意图如图7所示，再按K14复原；按动K15，进入第一种选区衍射模式，图像的示意图如图8所示，再按K15复原；按动K16，进入第二选区衍射模式，图像的示意图如图9所示，再按K16复原；

工作过程：本发明的一种可视化透射电子显微镜演示装置，通过改变光阑I、光阑II和摄像机的位置，能够实现模拟透射电子显微镜主要功能，具体功能如表2所示。

表2一种可视化透射电子显微镜演示装置实现的功能

本发明采用可编程控制器对电机进行编程控制，并且提供两种操作模式：第一种模式是通过长按或者短按按钮(K1～K10)，使各电机长动或点动，改变光阑I、光阑II和光屏或摄像机的位置，具体操作如表3所示；第二种模式是通过不同的按钮(K11～K16)，改变光阑I、光阑II和光屏或摄像机的位置，直接切换到透射电子显微镜的不同模式，其具体操作如表4所示。

表3第一种操作模式

表4第二种操作模式

说明：

(1)光阑I、光阑II的插入、退出是通过第一支架、第二支架实现的。摄像机或光屏的移动，是通过基座的滑块来实现的

(2)每次使用K11～K16按键，将进入一种工作模式，完成该模式的演示，进 入下一种模式之前，需要再按一下该按钮，使光阑I、光阑II、摄像机或光屏均回归初始位置。

(3)光屏预定成像位置A，指对透镜I像平面成像的位置，摄像机或光屏预定成像位置B，指对透镜I焦平面成像的位置。

(4)除以上按钮之外，还有启动，回零，急停等辅助按钮。

实施例1

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、光屏位于895mm，光阑I插入并选择透射束，此时得到的图像如图4所示，此时的模式为成像模式中的明场像。

实施例2

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、光屏位于895mm，光阑I插入并选择水平方向的衍射束，光阑II不插入，此时得到的图像如图5所示。此时的模式为成像模式中的第一种暗场像。

实施例3

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、光屏位于895mm，光阑I插入并选择竖直方向的衍射束， 光阑II不插入，此时得到的图像如图6所示。此时的模式为成像模式中的第二种暗场像。

实施例4

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、摄像机位于895mm，光阑I、光阑II均不插入，如图7所示，此时的模式为成像模式中的高分辨像。

实施例5

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、摄像机位于1070mm，光阑I不插入，光阑II插入并选择三角形区域，如图8所示，此时的模式为选区衍射模式中三角形区域的衍射花样。

实施例6

第一透镜的焦距f1＝130mm，第二透镜的焦距f2＝130mm，基座上带有刻度，最左端为0，最右端为1200mm，准直光源位于50mm处、样品光栅位于155mm处、第一透镜位于328mm处、光阑I位于458mm、光阑II位于845mm处、第二透镜位于795mm处、摄像机位于1070mm，光阑I不插入，光阑II插入并选择方形区域，如图9所示，此时的模式为选区衍射模式中方形区域的衍射花样。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、 改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：该装置包括准直光源、样品光栅、第一透镜、光阑I、光阑II、第二透镜、光屏和基座；

所述的第一透镜为凸透镜；

所述的第二透镜为凸透镜；

所述的光阑I为带孔不透明板，孔的半径为1-3mm；

所述的光阑II为带孔不透明板，孔的半径为1-3mm；

所述的准直光源、样品光栅、第一透镜、第二透镜和光屏，从左到右依次放置在基座上；

所述的光阑I相对于基座能够上下运动并且能够向靠近基座的方向或远离基座的方向移动；

所述的光阑II相对于基座能够上下运动并且能够向靠近基座的方向或远离基座的方向移动；

所述的基座上带有滑轨，所述的光屏能够在基座的滑轨上左右移动；

所述的光阑I位于第一透镜的焦平面上；

所述的样品光栅位于第一透镜的物平面上；

所述的光阑II位于第一透镜的像平面上；

所述的第一透镜的物距大于第一透镜的焦距；

所述的第二透镜与第一透镜的像平面之间的距离大于第二透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的第二透镜用放大透镜组来代替，所述的放大透镜组由两个或三个凸透镜组成。

3.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的光屏用摄像机来代替，摄像机为能够承受激光照射的工业相机。

4.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的准直光源为使用半导体激光发生器、针孔滤波器和准直镜得到，半导体激光发生器产生的光束通过针孔滤波器的小孔发生衍射，其中零级衍射束通过准直镜后输出激光。

5.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的准直光源采用带扩束镜的激光发生器产生。

6.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的样品光栅由多块形状不同的、50-100线的一维平面光栅制作而成。

7.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的光阑I为带孔的不透明金属板制作而成，所述的光阑II为带孔不透明金属板制作而成。

8.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的准直光源、样品光栅、第一透镜、第二透镜均固定安装在基座上。

9.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的光阑I固定在第一支架上，所述的光阑II固定在第二支架上，光阑I和光阑II的移动通过第一支架和第二支架的移动实现，第一支架和第二支架的移动通过步进电机带动丝杠的旋转实现，步进电机使用PLC进行程序控制；所述的光屏的移动通过直线电机实现，直线电机可使用PLC进行程序控制。

10.根据权利要求1所述的一种可视化透射电子显微镜演示装置，其特征在于：所述的准直光源发出的激光能够依次通过样品光栅、第一透镜、第二透镜、光屏的中心。