Transmissionselektronenmikroskop Instrument

Transmissionselektronenmikroskop (TEM), Typ eines Elektronenmikroskops mit drei wesentlichen Systemen: (1) eine Elektronenkanone, die den Elektronenstrahl erzeugt, und das Kondensatorsystem, das den Strahl auf das Objekt fokussiert, (2) die Bilderzeugung System, bestehend aus der Objektivlinse, dem beweglichen Probentisch sowie Zwischen- und Projektorlinsen, die die durch die Probe hindurchtretenden Elektronen fokussieren, um ein reales, stark vergrößertes Bild zu erzeugen, und (3) dem Bildaufzeichnungssystem, das das Elektronenbild umwandelt in eine für das menschliche Auge wahrnehmbare Form. Das Bildaufzeichnungssystem besteht normalerweise aus einem fluoreszierenden Bildschirm zum Betrachten und Fokussieren des Bildes und einer Digitalkamera für permanente Aufzeichnungen. Darüber hinaus ist ein Vakuumsystem erforderlich, das aus Pumpen und den dazugehörigen Messgeräten und Ventilen sowie Stromversorgungen besteht.

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Das Elektronenkanonen- und Kondensatorsystem

Die Elektronenquelle, die Kathode, ist ein erhitzter V-förmiger Wolframfaden oder bei Hochleistungsinstrumenten ein scharf spitzer Stab aus einem Material wie Lanthanhexaborid. Das Filament ist von einem Kontrollgitter umgeben, das manchmal als Wehnelt-Zylinder bezeichnet wird und dessen zentrale Öffnung auf der Achse der Säule angeordnet ist. Die Spitze der Kathode ist so angeordnet, dass sie an oder knapp über oder unter dieser Öffnung liegt. Die Kathode und das Steuergitter liegen auf einem negativen Potential, das der gewünschten Beschleunigungsspannung entspricht, und sind vom Rest des Instruments isoliert. Die letzte Elektrode der Elektronenkanone ist die Anode, die die Form einer Scheibe mit einem axialen Loch hat. Elektronen verlassen die Kathode und die Abschirmung, beschleunigen in Richtung der Anode und passieren, wenn die Stabilisierung der Hochspannung ausreichend ist, die zentrale Öffnung mit konstanter Energie. Die Steuerung und Ausrichtung der Elektronenkanone sind entscheidend für einen zufriedenstellenden Betrieb.

Die Intensität und Winkelöffnung des Strahls werden durch das Kondensorlinsensystem zwischen Pistole und Probe gesteuert. Eine einzelne Linse kann verwendet werden, um den Strahl auf das Objekt zu konvergieren, üblicherweise wird jedoch ein Doppelkondensator verwendet. Dabei ist die erste Linse stark und erzeugt ein reduziertes Bild der Quelle, das dann von der zweiten Linse auf das Objekt abgebildet wird. Eine solche Anordnung ist platzsparend zwischen der Elektronenkanone und dem Objekttisch und flexibler, da die Verringerung der Größe des Bildes der Quelle (und damit der endgültigen Größe des beleuchteten Bereichs auf der Probe) durch Steuern stark variiert werden kann das erste Objektiv. Die Verwendung einer kleinen Punktgröße minimiert Störungen in der Probe aufgrund von Erwärmung und Bestrahlung.

Das Bilderzeugungssystem

Das Probengitter wird in einem kleinen Halter in einem beweglichen Probentisch getragen. Die Objektivlinse hat normalerweise eine kurze Brennweite (1–5 mm [0,04–0,2 Zoll]) und erzeugt ein echtes Zwischenbild, das durch die Projektorlinse oder -linsen weiter vergrößert wird. Eine einzelne Projektorlinse kann einen Vergrößerungsbereich von 5: 1 bereitstellen, und durch die Verwendung austauschbarer Polstücke im Projektor kann ein größerer Vergrößerungsbereich erhalten werden. Moderne Instrumente verwenden zwei Projektorlinsen (eine als Zwischenlinse bezeichnet), um einen größeren Vergrößerungsbereich zu ermöglichen und eine größere Gesamtvergrößerung zu erzielen, ohne die physikalische Länge der Säule des Mikroskops entsprechend zu vergrößern.

Aus praktischen Gründen der Bildstabilität und Helligkeit wird das Mikroskop häufig so betrieben, dass auf dem Bildschirm eine Endvergrößerung von 1.000–250.000 × erzielt wird. Wenn eine höhere Endvergrößerung erforderlich ist, kann diese durch fotografische oder digitale Vergrößerung erhalten werden. Die Qualität des endgültigen Bildes im Elektronenmikroskop hängt weitgehend von der Genauigkeit der verschiedenen mechanischen und elektrischen Einstellungen ab, mit denen die verschiedenen Linsen zueinander und zum Beleuchtungssystem ausgerichtet sind. Die Objektive erfordern Netzteile mit einem hohen Maß an Stabilität. Für den höchsten Auflösungsstandard ist eine elektronische Stabilisierung von mehr als einem Teil einer Million erforderlich. Die Steuerung eines modernen Elektronenmikroskops erfolgt über einen Computer, und spezielle Software ist leicht verfügbar.

Bildaufnahme

Das Elektronenbild ist monochromatisch und muss für das Auge sichtbar gemacht werden, indem die Elektronen entweder auf einen Leuchtschirm fallen gelassen werden, der an der Basis der Mikroskopsäule angebracht ist, oder indem das Bild zur Anzeige auf einem Computermonitor digital erfasst wird. Computergestützte Bilder werden in einem Format wie TIFF oder JPEG gespeichert und können vor der Veröffentlichung analysiert oder bildverarbeitet werden. Durch die Identifizierung bestimmter Bereiche eines Bildes oder von Pixeln mit bestimmten Eigenschaften können einem monochromen Bild falsche Farben hinzugefügt werden. Dies kann eine Hilfe für die visuelle Interpretation und den Unterricht sein und aus dem Rohbild ein visuell attraktives Bild erzeugen.