Das Raster-Elektronen-Mikroskop

Geschichte

Elektronrnstrahlsonde

Knoll 1935

Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop,
Sublichtmikroskopische Auflösung

Ardenne 1938

Sublichtmikroskopische Auflösung

Oatley 1965
Thornton 1968
Pfefferkorn 1970

Das Raster-Elektronenmikroskop (REM)

Technischer Aufbau und Prinzip: Raster-Elektronenmikroskope (englisch: SEM "Scanning-Electron-Microscope") sind, was Elektronenerzeugung und Linsen angeht, ähnlich aufgebaut wie Transmissions-Elektronenmikroskope. Ein wesentlicher Unterschied liegt darin, dass die vorhandenen Linsen nicht der Abbildung dienen, sondern Kondensorlinsen sind, die die Aufgabe haben, den Elektronenstrahl extrem stark zu bündeln. Das Präparat liegt unterhalb der letzten Linse auf einem Präparathalter, der durch entsprechende, vakuumdichte mechanische Triebe von außen in jede beliebige Richtung, Höhe und Neigung verstellt werden kann. Mit Hilfe von kreuzförmig angeordneten magnetischen Ablenkspulen wird der feingebündelte Elektronenstrahl beim Mikroskopieren zeilenweise über die Präparatoberfläche geführt (Raster bzw. Scan-Verfahren). An jeder Stelle des Präparates, die der Elektronenstrahl berührt, werden Sekundärelektronen erzeugt, die von einem Elektronenfänger (Detektor) aufgenommen und deren Anzahl in einem Verstärker vervielfacht werden. In einer Elektronenstrahlbildröhre (Fernsehröhre) wird die Intensität des schreibenden Elektronenstrahles durch die Ausgangsspannung dieser Verstärkereinheit moduliert. Damit besteht die Möglichkeit, durch Eingriffe in die Verstärkerkette Einfluss auf Kontrast und Helligkeit des Bildes zu nehmen. Abtasten durch den Elektronenstrahl im Mikroskop und Schreiben des Bildes durch den Elektronenstrahl in der Bildröhre erfolgen synchron.


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Schematische Darstellung des funktionellen Aufbaus eines REM.

Schematische Darstellung des funktionellen Aufbaus eines REM,

In der Raster-Elektronenmikroskopie hängt die Vergrößerung immer nur vom Verhältnis der Größe der abgerasterten Objektfläche zur Größe des Beobachtungsbildschirmes ab bzw. des Photoformates (Wird bei einem 10 x l0 cm großen Bildschirm eine Präparatoberfläche von 5 x 5 mm abgerastert, resultiert daraus eine 20-fache Vergrößerung, beim Abrastern einer Flächen von 5 x 5 µm eine 2O.OOOfache Vergrößerung). 

1 = Kathode, 2 = Wehneltzylinder, 3 = Anode,
4a-c = Kondensorlinsen (4c auch als Objektivlinse bez.),
5 = Ablenkeinheiten (a: in der Säule, b: in der Bildröhre),
6 = gemeinsamer Rastergenerator, 7 = Variation der Vergrößerung,
8 = Bildröhre, 9 = Präparat, 10 = durch Primärelektronen (PE) ausgelöste SE, 11 = Elektronendetektor, 12 = Videoverstärker,
13 = Vakuumpumpe,


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Bildentstehung im REM

Alle Stellen des Präparates, von denen aus viele Sekundärelektronen in den seitlich zum Objekt angebrachten Elektronenfänger gelangen, erscheinen auf dem Bildschirm hell, während Stellen mit geringerer Sekundärelektronenemission und solche, die gegenüber dem Elektronenfänger abgeschattet sind, dunkel bleiben. Am hellsten erscheinen die Stellen, deren Oberfläche schräg zum abtastenden Strahl liegt und zum Elektronenfänger hin geneigt ist. Deshalb werden die Präparate im rasterelektronenmikroskopischen Bild immer so abgebildet, als seien sie von einer Seite her beleuchtet. Dieses Phänomen ist auch der Grund für die räumlich anschauliche Wiedergabe der Präparatstrukturen im REM. Neben diesem sog. Topographiekontrast kennt man noch den Materialkontrast, der bei der Untersuchung biologisch-medizinischer Proben eine untergeordnete Rolle spielt. Ein weiterer Kontrastmodus, der Kristallorientierungskontrast, hat bei biologisch medizinischen Untersuchungen keine Bedeutung. 

Schematische Darstellung der Auslösung von Sekundärelektronen und ihrer Wege zum Detektor


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