instrument waarin van een bundel elektronen gebruik wordt gemaakt om een vergrote afbeelding te krijgen van een klein voorwerp; het afbeeldingsproces speelt zich af in hoogvacuüm.
Een elektronenmicroscoop bevat behalve een elektronenoptisch systeem, een hoogvacuümsysteem, een preparaatbewegingsmechanisme en elektronica voor de hoge spanning, de lensvoedingen en eventuele detectoren. De meest gebruikte elektronenmicroscopen zijn de transmissie- en de rasterelektronenmicroscoop. Het toepassingsgebied van de elektronenmicroscoop is vergelijkbaar met dat van de optische microscoop; dit geldt vooral voor de transmissie-elektronenmicroscoop die een groot oplossend vermogen maar een kleine dieptescherpte heeft. De prepareertechniek is subtieler dan voor de lichtmicroscoop omdat de preparaten veel dunner zijn. Sommige technieken zijn min of meer vergelijkbaar, zo kunnen bijv. bepaalde delen van het preparaat ‘gekleurd’ worden met zware atomen.
De rasterelektronenmicroscoop is de laatste jaren steeds belangrijker geworden; met dit instrument kunnen bij een behoorlijk scheidend vermogen indrukwekkende opnamen worden gemaakt met een grote dieptescherpte. Voorts komen nog voor de elektronenemissie-, veldemissie- en elektronenspiegelmicroscoop. Tevens zie Elektronenoptica.
Transmissie-elektronenmicroscoop.
De transmissiemicroscoop is de ‘klassieke’ elektronenmicroscoop en lijkt van de elektronenmicroscopen het meest op een lichtmicroscoop (zie Microscopie). De microscoopkolom bestaat uit de volgende delen (afb. 1): elektronenkanon, condensorsysteem, objectief en vergrotingssysteem en fluorescentiescherm. De elektronen uit het elektronenkanon, die een potentiaalverschil hebben doorlopen van 60...100 kV, komen in het condensorsysteem. Dit bestaat uit een of twee rotatiesymmetrische magnetische lenzen. De condensorlenzen concentreren de elektronenbundel op het preparaat dat zich in de objectieflens bevindt. De meeste elektronen schieten door het preparaat heen. Een gedeelte van de elektronen wordt in het preparaat verstrooid; de verstrooide elektronen worden weggevangen met een objectiefdiafragma, dat zich in het achterbrandvlak van de objectieflens bevindt. Slechts bij zeer dikke preparaten speelt absorptie een rol. Er wordt dan bijv. 95% verstrooid en 4% geabsorbeerd, zodat 1% voor de beeldvorming overblijft. Er is ook nog een weinig secundaire emissie en reflectie. Het beeld dat de objectieflens maakt wordt door drie of vier lenzen navergroot en tenslotte geprojecteerd op een fluorescentiescherm; het beeld kan ook fotografisch of via een TV-systeem worden vastgelegd. Het oplossend vermogen dat voor de moderne transmissiemicroscopen wordt opgegeven is ca. 0,2 nm (ca. 1000 × beter dan van een lichtmicroscoop).
Een bundel elektronen kan beschreven worden als een elektromagnetische golf met een golflengte λ. De halve openingshoek van de bundel is ⍺ en omdat ⍺ altijd klein is, mag sin ⍺ benaderd worden door ⍺. Het buigingsfiguurtje van een beeldpunt heeft een straal rb en er geldt:
rb = 0,6 (λ/sin ⍺) ≈ 0,6 (λ/⍺)
Twee punten moeten een minimumafstand rb hebben om gescheiden gezien te kunnen worden; de minimumafstand wordt het oplossend vermogen (resolutie) genoemd. Het oplossend vermogen dat voor de moderne transmissiemicroscopen wordt opgegeven is ca. 0,2 nm (ca. 1000 × beter dan van een lichtmicroscoop). De golflengte van elektronen met een energie van 100 ke V is 3,5 pm; zichtbaar licht heeft een golflengte van 500 nm (ca. 100.000 maal meer). Dat het oplossend vermogen van een elektronenmicroscoop slechts duizend maal beter is dan dat van een lichtmicroscoop komt principieel doordat de gebruikelijke elektronenlenzen niet gecorrigeerd kunnen worden voor sferische aberratie.
Voor een goede afbeelding mag het wegverschil ∆ tussen de stralen door het midden en de randstralen niet groter zijn dan ½λ. Voor kleine hoeken geldt:
Δ = ¼Cs⍺4 ≦ ½λ. Hieruit volgt:
rb ≧ 0,6 ∜(Cₛλ³)
Verkleinen van de sferische aberratieconstante Cs heeft weinig invloed op het oplossend vermogen van de microscoop. Men vindt voor dit oplossend vermogen ca. 300 pm.
De versnellingsspanning V en de stroom door de lenzen I moeten zeer goed constant zijn. Variaties in deze grootheden veranderen de beeldscherpte en worden chromatische fouten genoemd. Voor deze chromatische fouten stelt men als eis een wegverschil kleiner dan ¼ λ dus:
|½Δƒ⍺2| ≦ ¼λ
Voor ⍺ = 0,01 en λ = 3,5 pm wordt Δƒ = 350 nm voor de objectieflens. Voor een magnetische lens geldt:
Δƒ = Cs (ΔV/V ) − 2(ΔI/I )
Indien de chromatische aberratieconstante Cc = 1,75 mm is dan geldt:
(ΔV/V ) − 2(ΔI/I ) < 20 × 10−6
Hoewel het oplossend vermogen niet veel verandert bij deze variatie, kan het contrast wel sterk veranderen.
Astigmatisme is een lensfout waar iedere gebruiker van een elektronenmicroscoop mee te maken krijgt. Ook hier geldt de eis dat het veroorzaakte wegverschil niet groter mag zijn dan ¼λ. Voor het wegverschil geldt een formule analoog aan die voor de chromatische fouten. Doordat het astigmatisme echter geen symmetrische fout is zoals de chromatische aberratie, wordt de toelaatbare maximale afstand tussen de brandlijntjes 17,5 nm. Deze eis is niet zonder meer te realiseren. Er zijn dan ook speciale compensatiespoelen (stigmatoren) in de microscoop gebouwd om de onrondheid van de poolschoenen van de objectieflens te corrigeren.
Belangrijk in een microscoop is ook het vacuümsysteem. De druk in een microscoop is in de orde van 10−3 Pa. Het vacuüm wordt meestal verzorgd door een oliediffusiepomp met een roterende pomp ervoor. Een belangrijk hulpmiddel is een koud oppervlak bij het preparaat bijv. met een temperatuur van 150 K. Een dergelijke voorziening heeft twee functies: de vacuümconditie bij het preparaat wordt beter door de pompwerking van het koude oppervlak; de vervuiling van het preparaat wordt belangrijk verminderd; deze ontstaat doordat koolwaterstoffen in de vacuümruimte polymeriseren op de plaats waar de elektronen het preparaat treffen. Vervuiling kan door het koude oppervlak bijv. van 10 tot 0,1 nm per minuut worden gereduceerd. Ook door het toepassen van moderne pompen zoals een ionengetterpomp kan het vacuüm in de microscoop beter en meer olievrij worden gemaakt.
Om bijzondere waarnemingen aan het preparaat te kunnen doen zijn er preparaathouders waarmee het preparaat gekanteld, gerekt, verhit of gekoeld kan worden. Elektronendiffractie is een van de beste manieren om de moleculaire of kristallijne opbouw en de samenstelling van een preparaat te leren kennen. Vallen de elektronen op een preparaat met een kristallijne structuur dan worden ze vooral onder zeer bepaalde hoeken verstrooid. Net als bij een tralie geldt: hoe kleiner de periode, hoe groter de hoek waaronder wordt verstrooid. Wanneer het materiaal uit willekeurig georiënteerde kristallieten bestaat, vallen de verstrooide stralen in kegels met een tophoek 𝜗 zodat:
𝜗 = λ/d
Hierbij is λ de golflengte van de elektronen en d de afstand tussen een bepaalde soort roostervlakken (zie Röntgendiffractie). In het geval van veel kleine kristallieten zullen diffractieringen ontstaan, terwijl bij grotere kristallen een puntenpatroon ontstaat.
De kleinste afstand die nog te meten is, is ca. 0,1 nm, de grootste met een diffractiepatroon veel dichter bij de centrale vlek (moeilijk te meten) ca. 50 nm. Als de elektronen ongeveer evenwijdig op het preparaat invallen, wordt het diffractiepatroon gevormd in het achterbrandvlak van de objectieflens. Dit vlak wordt vergroot afgebeeld met de rest van het vergrotingssysteem. Tussen het objectief en de eerste tussenlens bevindt zich een selectiediafragma, waarin het preparaat ca. 20 maal vergroot is afgebeeld. Dit diafragma kan men zich ook 20 maal verkleind terug afgebeeld denken in het preparaatvlak. Met een diafragma van bijv. 20 μm kan men zo een diffractieopname maken van een stukje van 1 μm dat men van te voren heeft geselecteerd. Door de bundel te kantelen of het objectiefdiafragma scheef te zetten kan men donkerveldopnamen maken in een bepaalde diffractierichting.
Voorts bestaan er speciale elektronendiffractietechnieken: low energy electron diffraction (LEED) en gaselektronendiffractie.
Technieken afkomstig uit de lichtoptica.
Een speciale donkerveld techniek is de strioscopie, waarbij het preparaat wordt belicht met een holle conische bundel die met een ringvormige diafragma-opening in de tweede condensorlens wordt gemaakt. Het objectiefdiafragma wordt nu zo gekozen dat de bundel precies wordt onderschept. Het beeld wordt dan alleen gemaakt door elektronen die aan het preparaat zijn verstrooid. De single side-band techniek, waarbij bovendien de helft van de eerste orde wordt weggevangen, staat nog in de kinderschoenen. Een gevaar van deze technieken is dat extra artefacten worden geïntroduceerd doordat ze essentieel niet-lineair zijn. Het doel van deze methoden is het contrast te verbeteren.
Proeven om de elektronenmicroscoop als interferentiemicroscoop te gebruiken hebben nog niet veel opgeleverd.
Nieuwe ontwikkelingen.
De analyse van de röntgenstraling die in het preparaat door de elektronen opgewekt wordt gebeurt tegenwoordig op twee manieren: met een kristalspectrometer of met een niet-dispersieve halfgeleiderspectrometer. Het eerstgenoemde systeem heeft als voordelen dat lichtere elementen kunnen worden geanalyseerd en dat de nauwkeurigheid groter is; het tweede maakt een snellere analyse mogelijk.
Een techniek waarmee vooral lichte elementen kunnen worden aangetoond is de energieanalyse van de elektronen die het beeld vormen; deze techniek staat nog in de kinderschoenen maar is in principe 100 maal gevoeliger dan de röntgenanalyse. Een techniek die veel perspectief biedt is het gebruik van de transmissiemicroscoop als scanning transmission electron microscope (STEM). Hierbij wordt net als in een rasterelektronenmicroscoop het preparaat afgetast met een klein vlekje; de elektronen die door het preparaat heen komen worden opgevangen in een detector. Het signaal wordt verder verwerkt als in een rastermicroscoop (zie hierna: Rasterelektronenmicroscoop). De resolutie van een dergelijk systeem is beter dan 5 nm. Er zijn apparaten waarmee men 1 nm of minder denkt te kunnen behalen. Het voordeel van deze techniek is dat men geen last heeft van de energieverliezen die ontstaan in dikke preparaten. Een gevolg is dat men opnamen kan maken van preparaten waarvoor anders een driemaal zo hoge spanning nodig zou zijn.
Hoogspanningsmicroscoop.
Om dikkere preparaten te kunnen bestuderen en levend materiaal waar te kunnen nemen is de hoogspanningsmicroscoop ontwikkeld met een groter doordringend vermogen van de elektronen, waarbij de chromatische fouten een kleinere rol spelen. Het is ook mogelijk chemische reacties te laten plaatsvinden in ‘wet cells’ (bijv. ijzer laten oxideren in de microscoop). Voorts zijn waarnemingen verricht aan levende organismen. Een probleem bij deze waarnemingen is de stralingsbeschadiging die optreedt; aan de andere kant kan de bestudering van materialen onder de invloed van hoogenergetische elektronen erg plezierig zijn. Een effect dat speciaal in de hoogspanningsmicroscoop kan worden bestudeerd is het critical voltage effect; bij een bepaalde hoogspanning treedt een of andere reflectie in een kristalrooster niet meer op. Bij een hoogspanningsmicroscoop is de hoogspanning 500 kV of hoger. De meeste instrumenten gaan tot 1000 kV terwijl er zijn die tot 3000 kV gaan. De meeste hoogspanningsmicroscopen zijn vergrote versies van een 100-kV-microscoop. Ze zijn 6 m hoog en wegen 20 ton.
Een veel kleiner instrument is gebouwd bij de Technisch Physische Dienst TNO-TH in samenwerking met TH Delft. Dit instrument is 3 m hoog en weegt ongeveer 6 ton. Het heeft een ‘opgevouwen’ optische as. De hoogspanning wordt opgewekt met een vandegraaffgenerator. De uit het elektronenkanon tredende elektronen worden versneld in de versnellingsbuis. Daarna wordt de bundel omgebogen in een magnetische spectrometer. Vervolgens doorloopt de bundel een ombuigmagneet. Achter deze spectrometer bevindt zich een folie waar een gedeelte van de elektronen aan wordt verstrooid; sommige elektronen komen op een detector. Als de stroom op de detector constant is, is de hoogspanning stabiel. De detector stuurt de hoogspanning zodanig, dat de stroom op de detector constant is. De niet-verstrooide elektronen worden gebruikt om het preparaat te verlichten. Nadat de bundel de objectieflens en nog twee lenzen is gepasseerd komt hij bij een afbuigsysteem. Gaat de bundel hier rechtdoor dan komt hij bij een TV-camera, wordt de bundel nog een keer omgebogen dan komt hij op het fluorescentiescherm of in de platencamera. In het laatste stuk van de microscoop wordt de vergroting verzorgd door een vierpoolstelsel.
Rasterelektronenmicroscoop.
In de rasterelektronenmicroscoop wordt een zeer kleine elektronenvlek (5 nm) afgebeeld op het preparaat. Secundaire elektronen die vrijkomen in het preparaat en gereflecteerde elektronen worden opgevangen door een detector. Met het signaal van de detector wordt de z-modulatie van een elektronenstraalbuis gestuurd. De elektronenvlek wordt met afbuigspoelen over het preparaat bewogen op dezelfde manier als in een TV-buis (echter zonder interliniëring). Synchroon hiermee wordt de vlek op de elektronenstraalbuis gestuurd. Hoe kleiner de beweging van de elektronenvlek in de microscoop is, des te sterker is de vergroting van de microscoop. Doordat de openingshoek van de elektronenbundel klein is, is de dieptescherpte van een rastermicroscoop groot.
De kolom van de rastermicroscoop bestaat uit het elektronenkanon en twee of drie rotatiesymmetrische lenzen die de crossover verkleind afbeelden op het preparaat. In de eindlens bevinden zich een diafragma ter beperking van de invloed van de sferische aberratie, de afbuigspoelen en stigmatoren om te corrigeren voor astigmatisme.
Behalve door de grootte van de vlek wordt het oplossend vermogen ook beperkt doordat de elektronen het preparaat binnendringen en de vlek min of meer wordt uitgesmeerd. Het oplossend vermogen van een rastermicroscoop is ca. 10 nm. De meest gebruikte detector bestaat uit een gaasje op een potentiaal die een paar honderd volt positief is ten opzichte van aarde. De secundaire elektronen die weinig energie hebben, bijv. 50 eV, en de aan het preparaat gereflecteerde elektronen worden naar het gaasje toe getrokken en daarna versneld (10 kV) naar een scintillatiekristal. Het licht dat de elektronen vrij maken wordt met een lichtgeleider naar een fotomultiplicatorbuis gevoerd, die een signaal levert voor de elektronenstraalbuis; een signaal dat alleen door gereflecteerde elektronen wordt opgewekt, ontstaat als het gaasje negatief gemaakt wordt.
Met een detector onder het preparaat kan een beeld worden gemaakt met elektronen die door het preparaat zijn gekomen. In deze laatste opstelling is een instrument verkregen dat beelden levert die vergelijkbaar kunnen zijn met die van een ‘scanning transmission electron microscope’. Meestal zijn mogelijkheden aanwezig de straling die de elektronen vrijmaken te detecteren. Dit kan licht-infrarode of röntgenstraling zijn. Een microsonde is een rastermicroscoop, speciaal gebouwd voor analytisch werk. Het instrument is voorzien van spectrometers voor röntgenanalyse en een optische microscoop. Door een bepaalde golflengte te kiezen in het röntgengebied kan een opname worden gemaakt waaraan de verdeling te zien is van een bepaald element in het preparaat. Het oplossend vermogen is slechter dan dat van een rastermicroscoop.
Elektronen-emissiemicroscoop.
Bij apparaten van dit type worden door verwarming van het preparaat elektronen vrijgemaakt die naversneld worden en via een vergrotingssysteem een beeld maken. Het oplossend vermogen is iets beter dan dat van een optische microscoop. Zij laten karakteristieken van stralende oppervlakken zien die niet te zien zijn met een lichtmicroscoop. De kristalstructuur van metaaloppervlakken kan bestudeerd worden bij hoge temperaturen (bijv. 2000 K), dank zij het verschil in emissie tussen verschillend georiënteerde kristallieten.
Veldemissiemicroscoop.
In de veldemissiemicroscoop is het preparaat een fijn puntje dat als kathode een negatieve potentiaal heeft ten opzichte van het anodescherm. Door de hoge veldsterkte aan het puntje worden er elektronen uitgetrokken die dan een beeld vormen op het anodescherm. Doordat de microscoop in feite een puntprojector is, wordt de vergroting bepaald door de straal van het puntje r en de afstand tot het scherm R en bedraagt R/r. Een vergroting van een miljoen maal en een oplossend vermogen van 2 nm zijn haalbaar. Het werken met deze instrumenten wordt bemoeilijkt door het zeer hoge vacuüm dat bereikt wordt en de geringe lichtsterkte van het beeld.
In de veldionenmicroscoop is de punt positief. Nadat de microscoopruimte geëvacueerd is, wordt een gas (bijv. helium) onder lage druk (10−2 Pa) toegelaten. De gasmoleculen die op het puntje komen, zullen een elektron aan het oppervlak afstaan en dan als ionen naar het beeldscherm worden versneld. Het is op deze manier mogelijk atomen aan het oppervlak zichtbaar te maken (zie Atoomfysica). Om de ionisatiekans te vergroten en het oplossend vermogen te verbeteren wordt de punt altijd gekoeld met bijv. vloeibare stikstof.
Elektronenspiegelmicroscoop.
Hierin wordt het preparaat, dat ongeveer de kathodepotentiaal heeft, beschoten met elektronen. Afhankelijk van het spanningsverschil met de kathode worden de elektronen ‘gespiegeld’ aan de potentiaalverdeling bij het preparaat. Deze elektronen worden weer naversneld en maken dan een afbeelding. Met dit instrument is vooral de oppervlaktestructuur van een preparaat goed te bestuderen.