Principi di funzionamento
Anche se ci sono somiglianze di principio tra il layout dei microscopi ottici ed elettronici, in pratica i due sono molto diversi. Il microscopio elettronico convenzionale richiede che il fascio di elettroni sia nel vuoto, perché gli elettroni non possono normalmente viaggiare una distanza apprezzabile nell’aria a pressione atmosferica. La colonna del microscopio elettronico è evacuata da pompe, e i campioni e qualsiasi altro apparato necessario sono introdotti nel vuoto per mezzo di serrature ad aria. A differenza del microscopio ottico, in cui le lenti sono a fuoco fisso e la distanza tra provino e obiettivo varia, il microscopio elettronico ha lenti a fuoco variabile, e la distanza tra provino e obiettivo e la separazione delle lenti rimangono costanti. L’ingrandimento è determinato principalmente dal valore della corrente (per le lenti magnetiche) attraverso le bobine delle lenti intermedie e del proiettore. L’immagine viene messa a fuoco cambiando la corrente attraverso la bobina dell’obiettivo. Un’altra differenza è che il microscopio ottico è di solito gestito in modo che l’immagine sia virtuale, mentre nel microscopio elettronico l’immagine finale è invariabilmente reale e viene visualizzata su uno schermo fluorescente o registrata per lo studio su una lastra fotografica negli strumenti tradizionali o – più comunemente nei laboratori di oggi – su un sistema di imaging digitale.
Nel microscopio ottico l’immagine è formata dall’assorbimento della luce nel campione; nel microscopio elettronico l’immagine risulta da una diffusione di elettroni da parte degli atomi nel campione. Un atomo pesante è più efficace nello scattering di uno di basso numero atomico, e la presenza di atomi pesanti aumenterà il contrasto dell’immagine. Il microscopista elettronico può incorporare più atomi pesanti nel campione per questo scopo.
I primi microscopi si basavano su lenti elettrostatiche, ma gli strumenti moderni usano lenti elettromagnetiche. Queste consistono in un solenoide di filo insieme ad un polo magnetico che crea e concentra un campo magnetico. Le lenti usate per il condensatore e il sistema di proiezione del microscopio differiscono dall’obiettivo solo nei dettagli. Per esempio, le tolleranze di fabbricazione e di prestazione per una lente del condensatore o del proiettore sono meno esigenti che per una lente obiettiva.
Gli sforzi per migliorare la risoluzione del microscopio elettronico hanno teso verso la produzione di una lente obiettivo-condensatore a campo singolo con basse aberrazioni. In tale lente, la parte superiore agisce come condensatore e la parte inferiore come obiettivo; il campione è inserito nel centro della lente, dove il campo magnetico assiale (il campo lungo l’asse dello strumento) è al massimo.
Tutte le lenti elettroniche mostrano aberrazione sferica, distorsione, coma, astigmatismo, curvatura di campo e aberrazione cromatica dovuta alle variazioni delle lunghezze d’onda all’interno del fascio di elettroni. Tali variazioni della velocità degli elettroni possono essere dovute a variazioni nell’alimentazione ad alta tensione del cannone elettronico o a perdite di energia da collisioni di elettroni con gli atomi nel campione. Il primo effetto può essere minimizzato da un’attenta stabilizzazione dell’alimentazione ad alta tensione; e per i campioni molto sottili e le alte energie elettroniche comunemente usate, il secondo effetto può essere solitamente trascurato. Il potere risolutivo del microscopio è infine limitato dall’aberrazione sferica dell’obiettivo. Non è possibile correggere questa aberrazione aggiungendo una seconda lente di caratteristiche opposte, come si può fare per il microscopio ottico, perché le lenti magnetiche elettroniche sono sempre convergenti. La progettazione computerizzata delle lenti ha portato a grandi miglioramenti nelle prestazioni, ma le lenti elettroniche richiedono ancora aperture numeriche molto più piccole di quelle delle lenti ottiche per funzionare in modo ottimale.
L’astigmatismo nel microscopio elettronico è in gran parte dovuto a deviazioni dalla simmetria cilindrica nelle componenti radiali del campo magnetico della lente ed è il risultato della costruzione imperfetta della lente. L’interazione del fascio di elettroni con le molecole di gas residue nella colonna può anche portare a depositi lungo il percorso del fascio che si caricano sotto l’influenza del fascio e introducono asimmetrie. L’astigmatismo può di solito essere completamente corretto dall’uso degli stigmatori montati sull’obiettivo.
Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford