Működési elvek
Noha az optikai és az elektronmikroszkópok felépítése között elvileg vannak hasonlóságok, a gyakorlatban a kettő nagyon különböző. A hagyományos elektronmikroszkóp megköveteli, hogy az elektronsugár vákuumban legyen, mivel az elektronok légköri nyomáson a levegőben általában nem tudnak számottevő távolságot megtenni. Az elektronmikroszkóp oszlopát szivattyúkkal evakuálják, a mintákat és minden más szükséges készüléket pedig légzsilipek segítségével juttatják a vákuumba. Az optikai mikroszkóppal ellentétben, amelyben a lencsék fix fókuszúak, és a minta és az objektívlencse közötti távolság változtatható, az elektronmikroszkóp változó fókuszú lencsékkel rendelkezik, és a minta és az objektívlencse közötti távolság és a lencsék távolsága állandó marad. A nagyítást elsősorban a közbenső és a vetítőlencse-tekercseken átfolyó áram értéke határozza meg (mágneses lencsék esetén). A kép fókuszálása az objektívlencse tekercsen átfolyó áram változtatásával történik. További különbség, hogy az optikai mikroszkópot általában úgy működtetik, hogy a kép virtuális, míg az elektronmikroszkópban a végső kép változatlanul valós, és a hagyományos műszerekben vagy – a mai laboratóriumokban gyakrabban – digitális képalkotó rendszerben fluoreszcens képernyőn jelenik meg, vagy tanulmányozás céljából fotólemezen rögzítik.
Az optikai mikroszkópban a kép a fénynek a mintában való elnyelésével jön létre; az elektronmikroszkópban a kép az elektronoknak a mintában lévő atomok általi szóródásából származik. A nehéz atomok hatékonyabban szórnak, mint az alacsony atomszámúak, és a nehéz atomok jelenléte növeli a kép kontrasztját. Az elektronmikroszkópos szakember e célból több nehéz atomot is beépíthet a mintába.
A korai mikroszkópok elektrosztatikus lencsékre támaszkodtak, a modern műszerek azonban elektromágneses lencséket használnak. Ezek egy drótmágneses szolenoidból állnak egy mágneses pólusdarabbal együtt, amely mágneses mezőt hoz létre és koncentrál. A mikroszkóp kondenzátor- és vetítőrendszeréhez használt lencsék csak részleteiben különböznek az objektívlencsétől. Például a kondenzátor- vagy projektorlencsék gyártási és teljesítménytűrései kevésbé szigorúak, mint az objektívlencséké.
Az elektronmikroszkóp felbontásának javítására irányuló törekvések az alacsony aberrációjú egymezős kondenzátor-objektív lencsék gyártására irányultak. Egy ilyen lencsében a felső rész kondenzorként, az alsó pedig objektívként működik; a mintát a lencse közepébe helyezik, ahol az axiális mágneses tér (a műszer tengelye mentén lévő tér) maximális.
Minden elektronlencse szférikus aberrációt, torzulást, kómát, asztigmatizmust, térgörbületet és kromatikus aberrációt mutat az elektronsugár hullámhosszának változása miatt. Az elektronsebesség ilyen változásai vagy az elektronágyú nagyfeszültségű tápellátásának változása, vagy az elektronoknak a mintában lévő atomokkal való ütközéseiből származó energiaveszteségek miatt következhetnek be. Az első hatás minimalizálható a nagyfeszültségű tápellátás gondos stabilizálásával; és a nagyon vékony minták és az általánosan használt nagy elektronenergiák esetében a második hatás általában elhanyagolható. A mikroszkóp felbontóképességét végső soron az objektív lencse szférikus aberrációja korlátozza. Ezt az aberrációt nem lehet korrigálni egy második, ellentétes tulajdonságú lencse hozzáadásával, ahogyan azt az optikai mikroszkóp esetében meg lehet tenni, mivel a mágneses elektronlencsék mindig konvergensek. A számítógépes lencsetervezés nagymértékben javította a teljesítményt, de az elektronlencsék optimális működéséhez még mindig sokkal kisebb numerikus apertúrára van szükség, mint az optikai lencséknek.
Az elektronmikroszkópban a szúróhiba nagyrészt a lencse mágneses mezejének radiális komponenseiben a hengeres szimmetriától való eltérésekből adódik, és a lencse tökéletlen konstrukciójának eredménye. Az elektronsugárnak az oszlopban maradó gázmolekulákkal való kölcsönhatása szintén a sugárút mentén lerakódásokhoz vezethet, amelyek a sugár hatására feltöltődnek, és aszimmetriát eredményeznek. Az asztigmatizmus általában teljesen korrigálható az objektívlencsére szerelt stigmák használatával.
Savile BradburyDavid C. JoyDavid C. JoyBrian J. Ford