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Das Know-How hinter den höchstauflösenden Elektronenmikroskopen

Während in Lichtmikroskopen ein Strahl elektromagnetischer Wellen – das Licht – die Probe beleuchtet, nutzt man dazu in Elektronenmikroskopen ein Bündel von beschleunigten Elektronen. Der prinzipielle Strahlenverlauf ist in beiden Mikroskopen gleich. Doch die Korrektur von Bildfehlern ist beim Elektronenmikroskop ungleich schwieriger. Darüber hinaus hilft selbst eine perfekt berichtigende Optik alleine nicht weiter, wenn man mit ihr in die Welt der Atome vorstößt.

Weil in dieser Dimension die Quantenphysik regiert, reicht eine visuelle Bildinterpretation oft nicht mehr aus. Zur Auswertung benötigt man dann raffinierte Computerprogramme. Rotationssymmetrische magnetische Felder, die in Elektronenmikroskopen als Linsen dienen, weisen physikalisch unvermeidbare Abbildungsfehler auf, die auch von Glaslinsen in Lichtmikroskopen bekannt sind. Zwei davon sind besonders bedeutsam.

Der erste ist der sogenannte Öffnungsfehler, der auch als sphärische Aberration bezeichnet wird: Strahlen, die unter großen Winkeln zur optischen Achse eindringen und die Linsenränder durchlaufen, werden stärker abgelenkt als Strahlen, die weitgehend zentral durch die Linse einfallen. Das Resultat sind unscharfe Bilder mit einer verringerten Auflösung.

Der zweite Fehler ist die chromatische Aberration: Linsen für Elektronenwellen brechen genau wie herkömmliche Linsen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge verschieden stark. Weil die Wellenlänge des Lichtes die Farbe festlegt, die von uns wahrgenommen wird, heißt die chromatische Aberration auch Farbfehler. Auch er führt zu unscharfen Bildern.

Beide Abbildungsfehler sind in Lichtmikroskopen schon früh dadurch behoben worden, dass zusätzliche Zerstreuungslinsen eingebaut wurden. Die Zerstreuung des Elektronenstrahls gelang dagegen erstmals Ende der 1990er Jahre mit einem sogenannten "Hexapol-Korrektor". Seine Schlüsselelemente sind zwei Multipol-Elemente, in denen sechs (griechisch: hexa) Magnetspulen die zentrale Öffnung für den Elektronenstrahl umgeben. Die Wirkung der jeweils sechs, sich überlagernden Magnetfelder entspricht der einer Zerstreuungslinse. Der Korrektor behebt die sphärische Aberration, die das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops besonders stark begrenzt. Die chromatische Aberration ist noch schwerer zu korrigieren.

Dazu benötigt man ein System aus magnetischen und elektrostatischen Multipol-Elementen, das deutlich komplizierter ist als der Hexapol-Korrektor. Ein Korrektor funktioniert erst dann, wenn Dutzende von magnetischen und elektrostatischen Feldern präzise aufeinander abgestimmt sind. Um diese Justage durchführen zu können, muss man zunächst den "Ist-Zustand" des Systems vermessen. Das ist ähnlich wie bei einem Navigationssystem, das zunächst einmal den Ort bestimmen muss, wo es sich befindet, bevor es den kürzesten Weg zum Ziel vorschlagen kann.

Doch während ein Navi für die Ortsbestimmung nur zwei exakte Koordinaten für den Längen- und Breitengrad benötigt, müssen für die Diagnose der Linsenfehler rund 30 Parameter bestimmt werden. Wissenschaftler des Ernst Ruska-Centrums haben für diese schwierige Diagnose die Software ATLAS entwickelt. Ein solches Computerprogramm ist auch deshalb notwendig, weil sich der Justagezustand eines aberrationskorrigierten Elektronenmikroskops innerhalb von Minuten verändert, manchmal sogar innerhalb von Sekunden. Dafür gibt es viele Gründe, beispielsweise minimalste Temperaturschwankungen irgendwo in der Mikroskopsäule, Schwankungen der Spannungsquelle oder Lageveränderungen der Probe. Auch für die später folgende Bildanalyse haben die Wissenschaftler des ER-C Software entwickelt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Lichtmikroskopie ist eine solche computergestützte Analyse in der aberrationskorrigierten Elektronenmikroskopie meistens notwendig. Denn wenn der Elektronenstrahl auf die Atome der Probe trifft, regiert die Quantenphysik. Das hat Konsequenzen: Beispielsweise hängt das Bild einer Anordnung von Atomen von der Dicke des Präparates ab. Dabei ist fast jedes beliebige Aussehen möglich, und im Bild erscheinen "Atome" an Stellen, an denen in Wirklichkeit gar keine sind oder umgekehrt. Nur unter bestimmten Bedingungen lässt sich dieses Problem auf direkte Weise – ohne Computerunterstützung – umgehen. Will man mit dem Elektronenstrahl Atome abbilden, so müssen diese einen ausreichenden Kontrast aufweisen.

Doch die scharfe Abbildung der atomaren Strukturen lässt sich normalerweise mittels eines Kontrastmechanismus erzielen, der nicht unserer Alltagserfahrung entspricht. Bei diesem Abbildungsverfahren wird der Kontrast umso schlechter, je näher man bei der Einstellung der Objektivlinse dem Fokus kommt. Um folglich überhaupt etwas sehen zu können, muss man gezielt "unscharf" abbilden und das Ergebnis hängt dann empfindlich vom Fokuswert ab. Die Software TrueImage, die am ER-C entwickelt wurde, ist in der Lage, sich aus einer Serie von Aufnahmen mit unterschiedlichen Fokuswerten gleichsam rückwärts Informationen über die Abbildungsbedingungen zur Zeit der Bilderfassung zu erschließen und damit auch Restaberrationen zu eliminieren.

Schematische Darstellung der Korrekturen von Abweichungsfehlern bei verschiedenen Mikroskopen.Beim Lichtmikroskop (links) sorgt eine Zerstreuungslinse für die Korrektur der Abbildungsfehler. Elektronenmikroskope der letzten Generation (Mitte) können dank einem Hexapol-Korrektor die sphärische Aberration beheben. PICO (rechts) korrigiert mit einem System aus magnetischen und elektrostatischen Multipol-Elementen nun auch die chromatische Aberration.
Quelle: JARA

Schwingungsfrei aufgestellt

Rund fünf Kilometer Luftlinie vom Ernst Ruska-Centrum entfernt fördern die größten Bagger der Welt Braunkohle. Kein Mensch spürt in dieser Entfernung noch die Bewegungen im Erdreich, die von den Kolossen hervorgerufen werden. Und doch würden diese Schwingungen die Arbeit der Höchstleistungsmikroskope beeinträchtigen, wenn diese nicht in einem Gebäude untergebracht wären, das durch aufwendige bauliche Maßnahmen von der Umgebung weitgehend entkoppelt ist. Der Neubau des ER-C erfüllt auch alle Anforderungen, die der Betrieb der Mikroskope an die magnetische Abschirmung oder an das Raumklima stellt.

erschienen in der JARA-Broschüre "Einblick in die Welt der Atome: Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen"


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