Transmissionelektronen Mikroskop

[Heikoman]

Hallo,

ich habe eine Frage zum " Kontraststeigerung durch Inelastische Elektronenstreuung" .
Was Versteht man darunter und wie wird der Kontrast dadurch gesteigert. Würde mich sehr freuen wenn
mir jemand darüber helfen könnte.

Gruß

Heikoman

[Fahrenheit]

Lieber Heikoman,

bei der TEM gibt es - neben Beugungseffekten an der Probe - die elastische Streuung (Richtungsänderung eines Elektrons aus dem Primärstrahl unter Beibehaltung der Energie bei Wechselwirkung mit den Atomkernen der Probe) und die inelastische Streuung (das Elektron aus dem Primärstrahl erleidet - hauptsächlich - einen Energieverlust durch Wechselwirkung mit den Elektronen der Probe)

Die elastische Streuung führt dazu, dass eine Anzahl an dichteren Bereichen der Probe gestreuter Elektronen soweit abgelenkt werden, dass sie nicht mehr zur Bildgebung beitragen. Sie werden an den Polschuhen der Linsen oder der Objektivblende abgefangen.
Dichtere Bereiche der Probe lenken mehr Elektronen ab und erscheinen daher "dunkler".

Inelastisch gestreute Elektronen erreichen den Detektor (früher Photoplatte, heute in der Regel CCD-Kamera) mit geringerer Energie. Dabei führt eine höhere Dichte der Probe über die höhere Elektronendichte statistisch zu einer größeren Häufigkeit inelastischer gestreuter Elektronen.

Salopp gesprochen: wertet man die Energie der Bildgebenden Elektronen zusätzliche aus, erhält man einen besseren Kontrast. 

Zum Weiterlesen:
http://www.e22.physik.tu-muenchen.de/lecture/Block07/Skript-Elektronenmikroskopie-2007.pdf
http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_physik/isp/tbg/lehre/TEM.pdf
 
Herzliche Grüße
Jörg

[Detlef Kramer]

Lieber Jörg, hallo "Heikoman",

klingt gut, trifft die Sache aber nicht so ganz.

1. in der TEMie wird üblicherweise nur die Beugung der Elektronen auf Grund der elastischen Streuung ausgenutzt. Elektronen werden von den Atomkernen abgelenkt und erreichen zum größten Teil den Film/Chip nicht mehr. Dadurch entsteht Kontrast in Abhängigkeit von der Verteilung schwerer Atome (Kontrastierungsmittel: Pb, U, Au, Pt, usw.). Deswegen auch die Kontrastierung mit Schwermetallsalzen bzw. Bedampfung mit Gold oder Platin.

2. Elektronen können aber auch mit Schalenelektronen kollidieren und dabei Energie verlieren. Für diese gebremsten Elektronen stimmen aber die Linsenparameter nicht, denn sie haben ja eine undefinierte Wellenlänge (= Geschwindigkeit). Daher verschlechtern sie den Kontrast im Bild und werden daher dadurch vermieden, dass man die Präparate sehr dünn anfertigt.

3. man kann diese unelastisch gestreuten Elektronen über einen optischen Trick aber doch zur Bildentsteheung heranziehen: Man baut in die elektronenoptische Säule ein Prisma (bei Zeiss: Omega-Filter), mit dem man das Spektrum der Elektronen zerlegen kann. Damit kann man dann inelastisch gestreute Elektronen definierter Energie heraus filtern und zur Bildentstehung nutzen, indem man die Brennweite der Objektivlinse entsprechend verändert. Im Prinzip ist es damit sogar möglich eine Elementverteilung darzustellen, indem man zur Abbildung nur solche Elektronen heranzieht, die z.B. mit K-Elektronen von P kollidiert sind. Man sieht in diesem Fall z.B. die Ribosomen hell leuchtend im Bild. Man nennt dieses Verfahren u.a. Electron-Energy-Loss-Spectroskopie (EELS).

Ein anderes Anwendungsfeld ist die TEMie dicker Schnitte, indem man die inelastisch gestreuten Elektronen einfach verwirft, oder aber ein schmales Band dieser gebremsten Elektronen zur Bildentstehung heran zieht.

Für weiter Fragen stehe ich gerne zur Verfügung

Detlef Kramer

[Heikoman]

Hallo,

vielen dank für die beiden Antworten. Ich habe auch den Skript durchgelesen. Leider konnte ich mir im Kopf kein Klaren Bild darüber machen, wie man durch die Inelastische Elektronenstreuung dem Kontrast steigern kann. Was passiert da genau ? das der Kontrast dadurch gesteigert wird. Ich wäre sehr dankbar wenn man mir dies Schritt für Schritt erklären würdet.

Mfg

heikoman

[Detlef Kramer]

Hallo "Heikoman",

wie wäre es, wenn du einmal den Hintergrund Deiner Frage erklären könntest. Dann wäre es einfacher, gezielt zu antworten. Das ist schließlich eine sehr spezielle Frage zur allermodernsten Elektronenmikroskopie, was, so nebenbei, hier kaum jemand interessieren dürfte. Aber ich will dir ja gerne helfen.

D.K.

[Heikoman]

Hallo,

bei meiner Frage geht es um die Bild- und Kontrastentstehung im TEM durch elektronenstreuung:
1. elastische elektronenstreuung
2. Inelastische elektronenstreuung

Was bewirken diese im Kontrastentstehung im Transmissionselektronenmikroskop und deren Bedeutung für die Kontrastentstehung im TEM.

Beim Auftreffen der Elektronen auf das Präparat kann es zu folgenden Wechselwirkungen kommen:

1. Das Elektron durchdringt die Probe ungehindert.
2. Das Elektron wird durch einen positiven geladenen Kern abgelenkt verliert dabei aber keine Energie (elastische Streuung).
3. Das Elektron trifft auf ein Elektron in einer Kernhülle und verliert dabei Energie. Das getroffene Elektron wird aus der Elektronenschale geschlagen und beim Zurückkehren in die Schale wird die überschüssige Energie in Form von Röntgenstrahlung abgegeben (inelastische Streuung).

Für die Abbildung mit dem TEM ist aber die elastische Streuung wichtig. Die zur Bildentstehung verwendeten elastisch gestreuten Elektronen sind somit Primärelektronen. Diese werden durch eine weitere magnetische Spule (Objektivlinse) auf die Bildebene projiziert, auf der sie ein fluoreszierendes Abbild des Präparats erzeugen. Nun zur frage wie wird durch die Inelastische elektronenstreuung der Kontrast gesteigert, und warum hat man allein durch die elastische elektronenstreuung keinen guten kontrast. Und was bewirken die elastische elektronenstreuung und Inelastische elektronenstreuung auf den kontrast des Bildes.

mfg

heikoman

[Werner Jülich]

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Werner Jülich

[Detlef Kramer]

Nun zur frage wie wird durch die Inelastische elektronenstreuung der Kontrast gesteigert

Diese Frage ist falsch gestellt, denn die inelastische Streuung vermindert den Kontrast, was ich in meinem ersten Beitrag, denke ich, klar genug dargestellt und begründet habe.

Wie da auch ausgeführt, kann die inelastische Streuung nur mit dem Spezialverfahren, bei dem ein Spektrometer eingesetzt wird, im positiven Sinn für die Bildentstehung nutzbar gemacht werden.

D.K.

[wilfried48]

Nun zur frage wie wird durch die Inelastische elektronenstreuung der Kontrast gesteigert, und warum hat man allein durch die elastische elektronenstreuung keinen guten kontrast. Und was bewirken die elastische elektronenstreuung und Inelastische elektronenstreuung auf den kontrast des Bildes.

Hallo,

Detlef hat es glaube ich schon weitgehend erkärt, ich möchte es nur nochmal etwas präzisieren:

Die eleastische Elektronenstreuung am Atomkern mit der Kernladung Z ist nach der Streutheorie proportional zum Quadrat von Z
Die inelastische Elektronenstreuung an der Hülle ist proportional zu Z.
Das Verhältnis von elastischer zu inelastischer Elektronenstreuung ist also wiederum proportional zu Z.
Da biologische Präparate meist aus Kohlenstoff, Wasserstoff, .... bestehen also ein kleines Z besitzen ist es vorteilhaft sie mit einem Kontrastmittel mit hohem Z (z.B. Uranylacetat, Osmiumtetroxid..) zu kontrastieren
(lichtmikroskopisch gesprochen färben). Denn dann ist der Anteil der elastisch gestreuten gross gegen die inelastisch gertreuten. Die inelastisch gestreuten haben nämlich ein wenig von ihrer ursprünglichen Energie verloren und weisen eine Energieverteilung auf die duch das Objektiv des Transmissionselektronenmikroskops einen sogenannten Farbfehler erzeugen, da das Objektiv des Elektronenmikroskops nicht Farbfehler (also für verschiedenen Elektronenenergien) korrigiert ist.
Bei kontrastierten Objekten kann man durch ein sogenanntes Energiefilter die kontrast- und auflösungsschädlichen ineleastisch gestreuen Elektronen zusätzlich herausfiltern und somit eine kleine Kontraststeigerung erzeugen.
Bei unkontastierten Objekten ist nur durch diese Filterung ein gutes Bild möglich.
Da die an der Atomhülle inelastisch getreuten Elektronen auch eine Elementinformation beinhalten kann man mit einem solchen Energiefilter auch nur die inelastisch gestreuten Elektronen zur Bildinformation zulassen und damit Elementverteilungbilder aufnehmen.

viele Grüsse
Wilfried