Toimintaperiaatteet
Vaikka optisen ja elektronimikroskoopin ulkoasussa on periaatteessa yhtäläisyyksiä, käytännössä ne ovat hyvin erilaisia. Perinteinen elektronimikroskooppi edellyttää, että elektronisuihku on tyhjiössä, koska elektronit eivät tavallisesti pysty kulkemaan merkittävää matkaa ilmassa ilmakehän paineessa. Elektronimikroskoopin pylväs tyhjennetään pumpuilla, ja näytteet ja muut tarvittavat laitteet tuodaan tyhjiöön ilmalukkojen avulla. Toisin kuin optisessa mikroskoopissa, jossa linssit ovat kiinteän tarkennuksen omaavia ja näytteen ja objektiivin välinen etäisyys vaihtelee, elektronimikroskoopissa on vaihtelevan tarkennuksen omaavat linssit, ja näytteen ja objektiivin välinen etäisyys sekä linssien välinen etäisyys pysyvät vakiona. Suurennos määräytyy pääasiassa väli- ja projektorilinssien käämien läpi kulkevan virran arvon perusteella (magneettilinsseissä). Kuva tarkennetaan muuttamalla objektiivilinssin kelan läpi kulkevaa virtaa. Toinen ero on se, että optista mikroskooppia käytetään yleensä siten, että kuva on virtuaalinen, kun taas elektronimikroskoopissa lopullinen kuva on poikkeuksetta todellinen, ja se visualisoidaan fluoresoivalla näytöllä tai tallennetaan tutkittavaksi valokuvauslevylle perinteisissä instrumenteissa tai – tavallisimmin nykypäivän laboratorioissa – digitaalisessa kuvantamisjärjestelmässä.
Optisessa mikroskoopissa kuva muodostuu valon absorptiosta näytteessä, kun taas elektronimikroskoopissa kuva syntyy näytteessä olevien atomien aiheuttamasta elektronien sironnasta. Raskas atomi siroaa tehokkaammin kuin matalan atomiluvun atomi, ja raskaiden atomien läsnäolo lisää kuvan kontrastia. Elektronimikroskooppi voi sisällyttää näytteeseen enemmän raskaita atomeja tätä tarkoitusta varten.
Varhaiset mikroskoopit perustuivat sähköstaattisiin linsseihin, mutta nykyaikaisissa laitteissa käytetään sähkömagneettisia linssejä. Nämä koostuvat langasta koostuvasta solenoidista yhdessä magneettisen napakappaleen kanssa, joka luo ja keskittää magneettikentän. Mikroskoopin kondensaattori- ja projektorijärjestelmässä käytettävät linssit eroavat objektiivista vain yksityiskohdiltaan. Esimerkiksi kondensaattori- tai projektorilinssin valmistus- ja suorituskykytoleranssit ovat vähemmän vaativia kuin objektiivilinssin.
Pyrkimykset parantaa elektronimikroskoopin erottelukykyä ovat suuntautuneet kohti sellaisen yksikenttäisen kondensaattori-objektiivilinssin valmistusta, jonka aberraatiot ovat pienet. Tällaisessa linssissä ylempi osa toimii kondensaattorina ja alempi objektiivina; näyte asetetaan linssin keskelle, jossa aksiaalinen magneettikenttä (laitteen akselin suuntainen kenttä) on suurimmillaan.
Kaikissa elektronilinsseissä esiintyy sfääristä aberraatiota, vääristymää, koomaa, astigmatismia, kentän kaarevuutta ja kromaattista aberraatiota, jotka johtuvat elektronisuihkun aallonpituuksien vaihtelusta. Tällaiset elektronien nopeuden muutokset voivat johtua joko elektronitykille syötettävän suurjännitteen vaihteluista tai elektronien ja näytteen atomien törmäyksistä aiheutuvista energiahäviöistä. Ensimmäinen vaikutus voidaan minimoida korkeajännitesyötön huolellisella vakauttamisella, ja kun kyseessä ovat hyvin ohuet näytteet ja yleisesti käytetyt korkeat elektronienergiat, toinen vaikutus voidaan yleensä jättää huomiotta. Mikroskoopin erotuskykyä rajoittaa viime kädessä objektiivin sfäärinen aberraatio. Tätä aberraatiota ei voida korjata lisäämällä toinen, ominaisuuksiltaan vastakkainen linssi, kuten optisessa mikroskoopissa voidaan tehdä, koska magneettielektronilinssi on aina konvergentti. Tietokoneavusteinen linssisuunnittelu on parantanut suorituskykyä huomattavasti, mutta elektronilinsseihin tarvitaan edelleen paljon pienempiä numeerisia aukkoja kuin optisiin linsseihin, jotta ne toimisivat optimaalisesti.
Elektronimikroskoopissa esiintyvä astigmatismi johtuu suurelta osin linssin magneettikentän säteittäisissä komponenteissa esiintyvistä poikkeamista sylinterimäisestä symmetriasta, ja se johtuu linssin epätäydellisestä rakenteesta. Elektronisuihkun vuorovaikutus pylvääseen jäävien kaasumolekyylien kanssa voi myös johtaa säteen kulkureitin varrella oleviin kerrostumiin, jotka latautuvat säteen vaikutuksesta ja aiheuttavat epäsymmetriaa. Astigmatismi voidaan yleensä korjata kokonaan käyttämällä objektiivilinssiin kiinnitettyjä stigmatoreja.
Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford