Werkingsprincipes
Hoewel er in principe overeenkomsten zijn tussen de opzet van optische en elektronenmicroscopen, zijn de twee in de praktijk zeer verschillend. De conventionele elektronenmicroscoop vereist dat de elektronenbundel zich in een vacuüm bevindt, omdat elektronen bij atmosferische druk in lucht gewoonlijk geen merkbare afstand kunnen afleggen. De kolom van de elektronenmicroscoop wordt door pompen leeggepompt, en de preparaten en alle andere benodigde apparatuur worden door middel van luchtsluizen in het vacuüm gebracht. In tegenstelling tot de optische microscoop, waarin de lenzen een vaste focus hebben en de afstand tussen het preparaat en de objectieflens varieert, heeft de elektronenmicroscoop lenzen met variabele focus, en blijven de afstand tussen het preparaat en de objectieflens en de afstand tussen de lenzen constant. De vergroting wordt hoofdzakelijk bepaald door de waarde van de stroom (voor magnetische lenzen) door de spoelen van de tussen- en projectorlens. Het beeld wordt scherpgesteld door de stroom door de objectiefspoel te veranderen. Een ander verschil is dat de optische microscoop gewoonlijk zo wordt bediend dat het beeld virtueel is, terwijl in de elektronenmicroscoop het uiteindelijke beeld onveranderlijk reëel is en wordt gevisualiseerd op een fluorescerend scherm of voor studie wordt vastgelegd op een fotografische plaat in traditionele instrumenten of – meer gebruikelijk in het laboratorium van vandaag – op een digitaal beeldvormingssysteem.
In de optische microscoop wordt het beeld gevormd door absorptie van licht in het preparaat; in de elektronenmicroscoop is het beeld het resultaat van een verstrooiing van elektronen door atomen in het preparaat. Een zwaar atoom is doeltreffender in de verstrooiing dan een atoom met een laag atoomnummer, en de aanwezigheid van zware atomen zal het beeldcontrast verhogen. De elektronenmicroscopist kan voor dit doel meer zware atomen in het preparaat opnemen.
Eerdere microscopen steunden op elektrostatische lenzen, maar moderne instrumenten gebruiken elektromagnetische lenzen. Deze bestaan uit een solenoïde van draad samen met een magnetisch poolstuk dat een magnetisch veld creëert en concentreert. De lenzen die worden gebruikt voor het condensor- en projectorsysteem van de microscoop verschillen slechts op details van de objectieflens. Zo zijn de fabricage- en uitvoeringstoleranties voor een condensor- of projectorlens minder veeleisend dan voor een objectieflens.
De pogingen om de resolutie van de elektronenmicroscoop te verbeteren hebben geleid tot de productie van een condensor-objectieflens met één veld en lage aberraties. Bij een dergelijke lens fungeert het bovenste gedeelte als condensor en het onderste als objectief; het preparaat wordt in het midden van de lens gebracht, waar het axiale magnetische veld (het veld langs de as van het instrument) maximaal is.
Alle elektronenlenzen vertonen sferische aberratie, vervorming, coma, astigmatisme, veldkromming en chromatische aberratie ten gevolge van variaties in de golflengten binnen de elektronenbundel. Dergelijke veranderingen van de elektronensnelheid kunnen te wijten zijn aan variaties in de hoogspanningstoevoer naar het elektronenkanon of aan energieverliezen door botsingen van elektronen met atomen in het preparaat. Het eerste effect kan door zorgvuldige stabilisatie van de hoogspanningstoevoer worden geminimaliseerd; en voor de zeer dunne specimens en de hoge elektronenergieën die algemeen worden gebruikt, kan het tweede effect gewoonlijk worden verwaarloosd. Het oplossend vermogen van de microscoop wordt uiteindelijk beperkt door de sferische aberratie van de objectieflens. Het is niet mogelijk deze aberratie te corrigeren door een tweede lens met tegengestelde eigenschappen toe te voegen, zoals bij de optische microscoop kan worden gedaan, omdat magnetische elektronenlenzen altijd convergent zijn. Computerondersteund lensontwerp heeft geleid tot grote verbeteringen in de prestaties, maar elektronenlenzen vereisen nog steeds veel kleinere numerieke aperturen dan optische lenzen om optimaal te kunnen functioneren.
Astigmatisme in de elektronenmicroscoop is grotendeels te wijten aan afwijkingen van cilindrische symmetrie in de radiale componenten van het magnetische veld van de lens en is het resultaat van een onvolmaakte constructie van de lens. De interactie van de elektronenbundel met residuele gasmoleculen in de kolom kan ook leiden tot afzettingen langs het traject van de bundel die zich onder invloed van de bundel opladen en asymmetrieën introduceren. Astigmatisme kan meestal volledig worden gecorrigeerd door gebruik te maken van de stigmatoren die op de objectieflens zijn aangebracht.
Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford