Arbeitsprinzipien

Obwohl es prinzipielle Ähnlichkeiten zwischen dem Aufbau von Licht- und Elektronenmikroskopen gibt, sind beide in der Praxis sehr unterschiedlich. Beim herkömmlichen Elektronenmikroskop muss sich der Elektronenstrahl in einem Vakuum befinden, da Elektronen in der Luft bei atmosphärischem Druck normalerweise keine nennenswerte Strecke zurücklegen können. Die Säule des Elektronenmikroskops wird mit Hilfe von Pumpen evakuiert, und die Proben und alle anderen notwendigen Geräte werden mit Hilfe von Luftschleusen in das Vakuum eingeführt. Im Gegensatz zum Lichtmikroskop, bei dem die Linsen einen festen Brennpunkt haben und der Abstand zwischen Präparat und Objektiv variiert wird, hat das Elektronenmikroskop Linsen mit variablem Brennpunkt, wobei der Abstand zwischen Präparat und Objektiv und der Abstand der Linsen konstant bleiben. Die Vergrößerung wird hauptsächlich durch den Wert des Stroms (bei magnetischen Linsen) durch die Spulen der Zwischen- und Projektorlinsen bestimmt. Das Bild wird durch Änderung des Stroms durch die Objektivspule fokussiert. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass das Lichtmikroskop in der Regel so betrieben wird, dass das Bild virtuell ist, während beim Elektronenmikroskop das endgültige Bild immer real ist und auf einem Fluoreszenzbildschirm angezeigt oder für Studienzwecke auf einer Fotoplatte in traditionellen Instrumenten oder – was in den heutigen Labors häufiger der Fall ist – auf einem digitalen Bildgebungssystem aufgezeichnet wird.

Im Lichtmikroskop entsteht das Bild durch Absorption von Licht in der Probe; im Elektronenmikroskop entsteht das Bild durch Streuung von Elektronen an Atomen in der Probe. Ein schweres Atom ist bei der Streuung effektiver als ein Atom mit niedriger Ordnungszahl, und das Vorhandensein von schweren Atomen erhöht den Bildkontrast. Der Elektronenmikroskopiker kann zu diesem Zweck mehr schwere Atome in die Probe einbringen.

Während frühere Mikroskope auf elektrostatischen Linsen basierten, verwenden moderne Geräte elektromagnetische Linsen. Diese bestehen aus einer Drahtspule zusammen mit einem magnetischen Polstück, das ein Magnetfeld erzeugt und konzentriert. Die für das Kondensor- und Projektorsystem des Mikroskops verwendeten Linsen unterscheiden sich nur in Details von der Objektivlinse. So sind beispielsweise die Herstellungs- und Leistungstoleranzen für eine Kondensor- oder Projektorlinse weniger anspruchsvoll als für eine Objektivlinse.

Bestrebungen zur Verbesserung der Auflösung des Elektronenmikroskops zielten auf die Herstellung einer Einfeld-Kondensor-Objektivlinse mit geringen Aberrationen. Bei einer solchen Linse fungiert der obere Teil als Kondensor und der untere als Objektiv; die Probe wird in die Mitte der Linse eingeführt, wo das axiale Magnetfeld (das Feld entlang der Achse des Instruments) am größten ist.

Alle Elektronenlinsen weisen sphärische Aberration, Verzerrung, Koma, Astigmatismus, Feldkrümmung und chromatische Aberration auf, die auf Veränderungen der Wellenlängen im Elektronenstrahl zurückzuführen sind. Solche Änderungen der Elektronengeschwindigkeit können entweder auf Schwankungen in der Hochspannungsversorgung der Elektronenkanone oder auf Energieverluste durch Zusammenstöße der Elektronen mit Atomen in der Probe zurückzuführen sein. Der erste Effekt kann durch eine sorgfältige Stabilisierung der Hochspannungsversorgung minimiert werden, und bei den sehr dünnen Proben und den üblicherweise verwendeten hohen Elektronenenergien kann der zweite Effekt in der Regel vernachlässigt werden. Das Auflösungsvermögen des Mikroskops wird letztlich durch die sphärische Aberration der Objektivlinse begrenzt. Es ist nicht möglich, diese Aberration durch Hinzufügen einer zweiten Linse mit entgegengesetzten Eigenschaften zu korrigieren, wie dies beim optischen Mikroskop möglich ist, da magnetische Elektronenlinsen immer konvergent sind. Das computergestützte Linsendesign hat zu großen Leistungsverbesserungen geführt, aber Elektronenlinsen benötigen immer noch viel kleinere numerische Aperturen als optische Linsen, um optimal zu funktionieren.

Astigmatismus im Elektronenmikroskop ist größtenteils auf Abweichungen von der zylindrischen Symmetrie in den radialen Komponenten des Magnetfelds der Linse zurückzuführen und ist das Ergebnis einer unvollkommenen Konstruktion der Linse. Die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit Restgasmolekülen in der Säule kann auch zu Ablagerungen entlang des Strahlengangs führen, die sich unter dem Einfluss des Strahls aufladen und Asymmetrien verursachen. Astigmatismus kann in der Regel durch die Verwendung von Stigmatoren, die an der Objektivlinse angebracht sind, vollständig korrigiert werden.

Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford