Principes de fonctionnement
Bien qu’il existe des similitudes de principe entre l’agencement des microscopes optiques et celui des microscopes électroniques, dans la pratique, les deux sont très différents. Le microscope électronique conventionnel exige que le faisceau d’électrons soit dans le vide, car les électrons ne peuvent ordinairement pas parcourir une distance appréciable dans l’air à la pression atmosphérique. La colonne du microscope électronique est évacuée par des pompes, et les échantillons et tout autre appareil nécessaire sont introduits dans le vide au moyen de sas. Contrairement au microscope optique, dans lequel les lentilles sont à foyer fixe et la distance entre l’objet et l’objectif varie, le microscope électronique possède des lentilles à foyer variable, et la distance entre l’objet et l’objectif ainsi que la séparation des lentilles restent constantes. Le grossissement est déterminé principalement par la valeur du courant (pour les lentilles magnétiques) traversant les bobines des lentilles intermédiaires et du projecteur. La mise au point de l’image s’effectue en modifiant le courant qui traverse la bobine de l’objectif. Une autre différence est que le microscope optique est généralement exploité de telle sorte que l’image est virtuelle, tandis que dans le microscope électronique, l’image finale est invariablement réelle et est visualisée sur un écran fluorescent ou enregistrée pour étude sur une plaque photographique dans les instruments traditionnels ou – plus généralement dans les laboratoires d’aujourd’hui – sur un système d’imagerie numérique.
Dans le microscope optique, l’image est formée par l’absorption de la lumière dans l’échantillon ; dans le microscope électronique, l’image résulte d’une diffusion des électrons par les atomes dans l’échantillon. Un atome lourd est plus efficace dans la diffusion qu’un atome de faible numéro atomique, et la présence d’atomes lourds augmentera le contraste de l’image. Le microscopiste électronique peut incorporer plus d’atomes lourds dans le spécimen dans ce but.
Les premiers microscopes reposaient sur des lentilles électrostatiques, mais les instruments modernes utilisent des lentilles électromagnétiques. Celles-ci consistent en un solénoïde de fil associé à une pièce polaire magnétique qui crée et concentre un champ magnétique. Les lentilles utilisées pour le condenseur et le système de projection du microscope ne diffèrent de la lentille de l’objectif que sur des détails. Par exemple, les tolérances de fabrication et de performance pour une lentille de condenseur ou de projecteur sont moins exigeantes que pour une lentille d’objectif.
Les efforts pour améliorer la résolution du microscope électronique ont tendu vers la production d’une lentille condenseur-objectif à champ unique de faibles aberrations. Dans une telle lentille, la partie supérieure agit comme un condenseur et la partie inférieure comme l’objectif ; l’échantillon est inséré au centre de la lentille, où le champ magnétique axial (le champ le long de l’axe de l’instrument) est maximal.
Toutes les lentilles électroniques présentent une aberration sphérique, une distorsion, un coma, un astigmatisme, une courbure de champ et une aberration chromatique due aux variations des longueurs d’onde à l’intérieur du faisceau électronique. Ces variations de la vitesse des électrons peuvent être dues soit à des variations de l’alimentation en haute tension du canon à électrons, soit à des pertes d’énergie dues aux collisions des électrons avec les atomes de l’échantillon. Le premier effet peut être minimisé par une stabilisation soigneuse de l’alimentation haute tension ; et pour les échantillons très minces et les énergies électroniques élevées couramment utilisées, le second effet peut généralement être négligé. Le pouvoir de résolution du microscope est finalement limité par l’aberration sphérique de l’objectif. Il n’est pas possible de corriger cette aberration en ajoutant une seconde lentille de caractéristiques opposées, comme on peut le faire pour le microscope optique, car les lentilles électroniques magnétiques sont toujours convergentes. La conception des lentilles assistée par ordinateur a permis de grandes améliorations des performances, mais les lentilles électroniques nécessitent toujours des ouvertures numériques beaucoup plus petites que les lentilles optiques pour fonctionner de manière optimale.
L’astigmatisme dans le microscope électronique est en grande partie dû à des déviations de la symétrie cylindrique dans les composantes radiales du champ magnétique de la lentille et résulte d’une construction imparfaite de la lentille. L’interaction du faisceau d’électrons avec les molécules de gaz résiduelles dans la colonne peut également conduire à des dépôts le long du trajet du faisceau qui se chargent sous l’influence du faisceau et introduisent des asymétries. L’astigmatisme peut généralement être complètement corrigé par l’utilisation des stigmates montés sur l’objectif.
Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford.