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Elektronenmikroskop | Instrument

Elektronenmikroskop , Mikroskop , das eine extrem hohe Auflösung erreicht, indem ein Elektronenstrahl anstelle eines Lichtstrahls verwendet wird , um das Untersuchungsobjekt zu beleuchten .

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Geschichte

Grundlagenforschung vieler Physiker im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts legte nahe, dass Kathodenstrahlen (dhElektronen ) könnten auf irgendeine Weise verwendet werden, um das Mikroskop zu vergrößernAuflösung . Französischer PhysikerLouis de Broglie eröffnete 1924 den Weg mit dem Vorschlag, Elektronenstrahlen als eine Form der Wellenbewegung zu betrachten . De Broglie leitete die Formel für ihre Wellenlänge ab, die zeigte, dass beispielsweise für Elektronen, die um 60.000 Volt (oder 60 Kilovolt [k]) beschleunigt wurden, die effektive Wellenlänge 0,05 Angström (Å) beträgt, dh 1 / 100.000 derjenigen von Grün Licht. Wenn solche Wellen in einem Mikroskop verwendet werden könnten, würde sich eine beträchtliche Erhöhung der Auflösung ergeben. 1926 wurde gezeigt, dass magnetische oder elektrostatische Felder als Linsen für Elektronen oder andere geladene Teilchen dienen können. Diese Entdeckung initiierte das Studium der Elektronenoptik und bis 1931 deutsche ElektrotechnikerMax Knoll und Ernst Ruska hatte ein Zwei-Linsen-Elektronenmikroskop entwickelt, das Bilder der Elektronenquelle erzeugte. 1933 wurde ein primitives Elektronenmikroskop gebaut, das eine Probe anstelle der Elektronenquelle abbildete, und 1935 erzeugte Knoll ein gescanntes Bild einer festen Oberfläche. Die Auflösung des optischen Mikroskops wurde bald übertroffen.

Deutscher Physiker Manfred, Freiherr (Baron) von Ardenne und britischer Elektronikingenieur Charles Oatley laid the foundations of transmission electron microscopy (in which the electron beam travels through the specimen) and scanning electron microscopy (in which the electron beam ejects from the sample other electrons that are then analyzed), which are most notably recorded in Ardenne’s book Elektronen-Übermikroskopie (1940). Further progress in the construction of electron microscopes was delayed during World War II but received an impetus in 1946 with the invention of the stigmator, which compensates for astigmatism of the objective lens, after which production became more widespread.

The Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) kann Proben mit einer Dicke von bis zu 1 Mikrometer abbilden. Hochspannungselektronenmikroskope ähneln TEMs, arbeiten jedoch bei viel höheren Spannungen. DasDas Rasterelektronenmikroskop (REM), bei dem ein Elektronenstrahl über die Oberfläche eines festen Objekts gescannt wird, wird verwendet, um ein Bild der Details der Oberflächenstruktur aufzubauen. DasDas Umwelt-Rasterelektronenmikroskop (ESEM) kann im Gegensatz zum REM ein gescanntes Bild einer Probe in einer Atmosphäre erzeugen und ist für die Untersuchung feuchter Proben, einschließlich einiger lebender Organismen, geeignet .

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Kombinationen von Techniken haben zu dem geführt Raster-Transmissionselektronenmikroskop (STEM), das die Methoden von TEM und SEM kombiniert, und das Elektronensonde - Mikroanalysator oder Mikroanalysegerät, das eines ermöglicht die chemische Analyse der Zusammensetzung von Materialien gemacht werden , die Emission von charakteristischen unter Verwendung des einfallenden Elektronenstrahls zum Anregen von Röntgenstrahlen durch die chemischen Elemente in der Probe. Diese Röntgenstrahlen werden mit im Instrument eingebauten Spektrometern erfasst und analysiert. Mikrosondenanalysatoren können ein Elektronenabtastbild erzeugen, so dass Struktur und Zusammensetzung leicht korreliert werden können.

Ein anderer Typ eines Elektronenmikroskops ist das Feldemissionsmikroskop , bei dem ein starkes elektrisches Feld verwendet wird, um Elektronen aus einem Draht zu ziehen, der in einer Kathodenstrahlröhre montiert ist .

Funktionsprinzipien

Obwohl es im Prinzip Ähnlichkeiten zwischen dem Layout von optischen und Elektronenmikroskopen gibt, sind die beiden in der Praxis sehr unterschiedlich. Das herkömmliche Elektronenmikroskop erfordert, dass sich der Elektronenstrahl im Vakuum befindet , da Elektronen bei atmosphärischem Druck normalerweise keine nennenswerte Strecke in Luft zurücklegen können . Die Säule des Elektronenmikroskops wird durch Pumpen evakuiert, und die Proben und alle anderen erforderlichen Vorrichtungen werden mittels Luftschleusen in das Vakuum eingeführt. Im Gegensatz zum optischen Mikroskop, bei dem dieLinsen haben einen festen Fokus und der Abstand zwischen Probe und Objektivlinse wird variiert, das Elektronenmikroskop hatLinsen mit variablem Fokus und der Abstand zwischen Probe und Objektivlinse sowie der Abstand der Linsen bleiben konstant. Die Vergrößerung wird hauptsächlich durch den Wert des Stroms (für magnetische Linsen) durch die Zwischen- und Projektorlinsenspulen bestimmt. Das Bild wird fokussiert, indem der Strom durch die Objektivspule geändert wird. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass das optische Mikroskop normalerweise so betrieben wird, dass das Bild virtuell ist, während im Elektronenmikroskop das endgültige Bild ausnahmslos real ist und auf einem Fluoreszenzbildschirm sichtbar gemacht oder zur Untersuchung auf einer Fotoplatte in herkömmlichen Instrumenten aufgezeichnet wird oder üblicherweise im heutigen Labor - auf einem digitalen Bildgebungssystem.

In the optical microscope the image is formed by absorption of light in the specimen; in the electron microscope the image results from a scattering of electrons by atoms in the specimen. A heavy atom is more effective in scattering than one of low atomic number, and the presence of heavy atoms will increase the image contrast. The electron microscopist may incorporate more heavy atoms into the specimen for this purpose.

Early microscopes relied on electrostatic lenses, but modern instruments use electromagnetic lenses. These consist of a solenoid of wire together with a magnetic pole piece that creates and concentrates a magnetic field. The lenses used for the condenser and projector system of the microscope differ from the objective lens only in details. For example, the manufacturing and performance tolerances for a condenser or projector lens are less demanding than for an objective lens.

Efforts to improve the resolution of the electron microscope have tended toward production of a single-field condenser-objective lens of low aberrations. In such a lens, the upper part acts as a condenser and the lower as the objective; the specimen is inserted into the centre of the lens, where the axial magnetic field (the field along the axis of the instrument) is at a maximum.

All electron lenses show spherical aberration, distortion, coma, astigmatism, curvature of field, and chromatic aberration due to variations in the wavelengths within the electron beam. Such changes of electron velocity may be either due to variations in the high-voltage supply to the electron gun or due to energy losses from collisions of electrons with atoms in the specimen. The first effect may be minimized by careful stabilization of the high-voltage supply; and for the very thin specimens and the high electron energies commonly used, the second effect may usually be neglected. The resolving power of the microscope is ultimately limited by the spherical aberration of the objective lens. It is not possible to correct this aberration by adding a second lens of opposite characteristics, as can be done for the optical microscope, because magnetic electron lenses are always convergent. Computer-aided lens design has led to great improvements in performance, but electron lenses still require much smaller numerical apertures than do optical lenses in order to function optimally.

Der Astigmatismus im Elektronenmikroskop ist größtenteils auf Abweichungen von der Zylindersymmetrie in den radialen Komponenten des Magnetfelds der Linse zurückzuführen und ist das Ergebnis einer unvollständigen Konstruktion der Linse. Die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit Restgasmolekülen in der Säule kann auch zu Ablagerungen entlang des Strahlengangs führen, die sich unter dem Einfluss des Strahls aufladen und Asymmetrien verursachen. Astigmatismus kann normalerweise durch Verwendung der an der Objektivlinse angebrachten Stigmatoren vollständig korrigiert werden.