Zasady działania
Pomimo że zasadniczo istnieją podobieństwa między układem mikroskopu optycznego i elektronowego, w praktyce oba te urządzenia bardzo się różnią. Konwencjonalny mikroskop elektronowy wymaga, aby wiązka elektronów znajdowała się w próżni, ponieważ elektrony nie mogą zwykle przebyć znacznej odległości w powietrzu przy ciśnieniu atmosferycznym. Kolumna mikroskopu elektronowego jest opróżniana za pomocą pomp, a próbki i wszelka inna niezbędna aparatura są wprowadzane do próżni za pomocą śluz powietrznych. W odróżnieniu od mikroskopu optycznego, w którym obiektywy mają stałą ostrość, a odległość między preparatem a obiektywem jest zmienna, mikroskop elektronowy posiada obiektywy o zmiennej ostrości, a odległość między preparatem a obiektywem oraz separacja obiektywów pozostają stałe. Powiększenie jest określane głównie przez wartość prądu (dla soczewek magnetycznych) przepływającego przez cewki soczewek pośrednich i projekcyjnych. Obraz jest ogniskowany poprzez zmianę natężenia prądu w cewce obiektywu. Inną różnicą jest to, że mikroskop optyczny jest zwykle obsługiwany tak, że obraz jest wirtualny, podczas gdy w mikroskopie elektronowym ostateczny obraz jest niezmiennie rzeczywisty i jest wizualizowany na ekranie fluorescencyjnym lub rejestrowany do badań na płytce fotograficznej w tradycyjnych instrumentach lub – częściej w dzisiejszym laboratorium – w cyfrowym systemie obrazowania.
W mikroskopie optycznym obraz powstaje w wyniku absorpcji światła w próbce; w mikroskopie elektronowym obraz wynika z rozpraszania elektronów przez atomy w próbce. Ciężki atom jest bardziej efektywny w rozpraszaniu niż ten o niskiej liczbie atomowej, a obecność ciężkich atomów zwiększa kontrast obrazu. Mikroskop elektronowy może w tym celu wprowadzić do próbki więcej ciężkich atomów.
Wcześniejsze mikroskopy opierały się na soczewkach elektrostatycznych, ale nowoczesne instrumenty wykorzystują soczewki elektromagnetyczne. Składają się one z cewki z drutu wraz z nabiegunnikiem magnetycznym, który wytwarza i koncentruje pole magnetyczne. Obiektywy stosowane w kondensorze i projektorze mikroskopu różnią się od obiektywu tylko w szczegółach. Na przykład tolerancje produkcyjne i wydajnościowe dla kondensora lub obiektywu projektora są mniej wymagające niż dla obiektywu.
Dążenia do poprawy rozdzielczości mikroskopu elektronowego zmierzają w kierunku produkcji jednopolowego obiektywu kondensorowo-obiektywowego o niskich aberracjach. W takim obiektywie górna część działa jako kondensor, a dolna jako obiektyw; próbka jest umieszczana w środku obiektywu, gdzie osiowe pole magnetyczne (pole wzdłuż osi instrumentu) osiąga maksimum.
Wszystkie obiektywy elektronowe wykazują aberrację sferyczną, dystorsję, komę, astygmatyzm, krzywiznę pola i aberrację chromatyczną z powodu zmian długości fal w wiązce elektronów. Takie zmiany prędkości elektronów mogą być spowodowane albo zmianami w dostawie wysokiego napięcia do działa elektronowego albo stratami energii w wyniku zderzeń elektronów z atomami w próbce. Pierwszy efekt może być zminimalizowany przez staranną stabilizację wysokiego napięcia zasilania; a dla bardzo cienkich próbek i wysokich energii elektronów powszechnie stosowanych, drugi efekt może być zwykle zaniedbany. Zdolność rozdzielcza mikroskopu jest ostatecznie ograniczona przez aberrację sferyczną obiektywu. Nie jest możliwe skorygowanie tej aberracji przez dodanie drugiej soczewki o przeciwnych właściwościach, jak można to zrobić w przypadku mikroskopu optycznego, ponieważ magnetyczne soczewki elektronowe są zawsze zbieżne. Komputerowe wspomaganie projektowania obiektywów pozwoliło na znaczną poprawę wydajności, ale obiektywy elektronowe nadal wymagają znacznie mniejszych apertur numerycznych niż obiektywy optyczne, aby działać optymalnie.
Astygmatyzm w mikroskopie elektronowym jest w dużej mierze spowodowany odchyleniami od symetrii cylindrycznej w składowych radialnych pola magnetycznego obiektywu i jest wynikiem niedoskonałej konstrukcji obiektywu. Oddziaływanie wiązki elektronów z pozostałymi cząsteczkami gazu w kolumnie może również prowadzić do powstawania osadów wzdłuż drogi wiązki, które ładują się pod wpływem wiązki i wprowadzają asymetrię. Astygmatyzm może być zazwyczaj całkowicie skorygowany przez zastosowanie stygmatorów zamontowanych na soczewce obiektywu.
Savile BradburyDavid C. JoyBrian J. Ford