Eine historisch bedeutsame Erfindung
Frühe Beobachtungen zur Fokussierung von Elektronenstrahlen
Die konzeptionelle Grundlage des Elektronenmikroskops wurde Mitte des 19. Jahrhunderts gelegt, beginnend mit Plicker im Jahr 1858 und Hittorf im Jahr 1869. Beide Forscher beobachteten unabhängig voneinander, dass magnetische Felder Elektronenstrahlen in einer Geissler-Röhre ablenken konnten. Hittorf entdeckte weiterhin, dass ein axial symmetrisches Magnetfeld diese Strahlen fokussieren konnte, analog dazu, wie eine Glaslinse Lichtstrahlen bündelt, aufgrund von Kollisionen zwischen dem Elektronenstrahl und Gas innerhalb der Röhre. Dieser Fokussierungseffekt wurde unabhängig von Birkeland im Jahr 1896 beschrieben.
Im Jahr 1922 nutzte Busch die Abbildungseigenschaften axial symmetrischer Magnetfelder, um das Verhältnis von Ladung zu Masse der Elektronen zu bestimmen. Er fokussierte die Elektronenstrahlen auf einen Punkt, indem er den Strom in der Spule, die das Magnetfeld erzeugte, variierte, was es ermöglichte, den Fokus durch die Projektion des Bildes einer Blende auf einen fluoreszierenden Bildschirm sichtbar zu machen. Um beim Fokussieren zu helfen, fügte Busch der Blende ein Drahtkreuz hinzu, das dann auf den Bildschirm abgebildet wurde. Sein Student Wolf bemerkte, dass nur das Zentrum des Bildes scharf fokussiert war, und schloss daraus, dass die ungleichmäßige Beleuchtung auf ein Emissionsbild der Kathode zurückzuführen war.
Wiedemann und Wehnelt (6,R15) im Jahr 1898 und später Lenard im Jahr 1902 (7,R16) zeigten die Fokussierfähigkeit kurzer Spulen relativ zum Elektronenstrahlenweg und legten nahe, dass kürzere Solenoiden Elektronenstrahlen ebenfalls effektiv fokussieren könnten.
Das Kathodenstrahl-Oszillograph
Braun (8, R17) nutzte erstmals Elektronenstrahlen in einem Kathodenstrahlröhre, um schnell wechselnde elektrische Phänomene aufzuzeichnen und legte damit den Grundstein für das moderne Oszilloskop. Um die Sichtbarkeit kleiner Signale zu verbessern, verwendete Rankin (9, R18) eine kurze Spule, um das Anodenaperturbild auf den Bildschirm zu projizieren und die Intensität des Schreibpunktes zu erhöhen. Dieses Konzept wurde von Flegler und Tamm (10, R39) weiterentwickelt, die zwei aufeinanderfolgende Spulen verwendeten, um das Bild des Anodenaperturs zu verkleinern, was die Stromdichte und die Intensität des Punktes erhöhte. Diese Innovation war entscheidend für die Entwicklung des Transmissionselektronenmikroskops (TEM) und des Raster-Elektronenmikroskops (REM).
Dufour (11, R22) integrierte 1914 fotografische Filme in die Vakuumkammer eines Oszillographen, was die direkte Aufzeichnung des Elektronenstrahls ermöglichte und die Elektronenmikrofotografie innerhalb von Elektronenmikroskopen bahnbrechend machte.
Im Jahr 1928, unter der Leitung von Prof. Max Knoll (12, RP13), begann ein Team, zu dem auch Ernst Ruska gehörte, die Fokussierfähigkeiten von Elektronenstrahlen mithilfe magnetischer und elektrostatischer Felder zu verbessern. Busch beobachtete zunächst das linsenartige Verhalten kurzer magnetischer Spulen, die Bilder sowohl vergrößern als auch verkleinern konnten, ähnlich wie optische Linsen.
Im Jahr 1931 baute Ruska einen experimentellen Aufbau mit zwei magnetischen Linsen, um deren Vergrößerungsfähigkeiten zu untersuchen. Dabei wurden Blenden mit definierten Merkmalen wie Metallgitter verwendet. Erstaunlicherweise war die Qualität der vergrößerten Bilder vergleichbar mit denen, die von Lichtmikroskopen erzeugt wurden, was weitere Forschungen zur Elektronenmikroskopie anregte.
Das UV-Mikroskop und die Elektronenmikroskopie
Das UV-Mikroskop, eine Zwischenentwicklung, nutzte UV-Licht mit einer kürzeren Wellenlänge als sichtbares Licht, was eine höhere Auflösung ermöglichte. Die Anwendung von UV-Licht stellte aufgrund von Fokussierungsschwierigkeiten und der Unsichtbarkeit von UV-Licht für das menschliche Auge jedoch Herausforderungen dar. Frühe Untersuchungen von UV-Mikroskopen durch Vladimir Zworykin, eine Schlüsselfigur in der Entwicklung des Fernsehens und des Rasterelektronenmikroskops (REM), nutzten die Elektronenabbildung von UV-empfindlichen Fotokathoden, um die Helligkeit der Bilder zu erhöhen.
Zworykin erforschte auch die Verstärkung von Elektronenbildern, indem er sie auf Metalloberflächen fokussierte, was zur Erfindung von Fotovervielfachern und Nachtsichtgeräten führte. Diese Forschung zeigte die Grenzen der UV-Wellenlängen mit zeitgenössischen Materialien auf, obwohl spätere Fortschritte durch Unternehmen wie ASML die Entwicklung von extremen UV-Mikroskopen ermöglichten, die in der modernen Mikrochip-Herstellung eingesetzt werden.
De Broglies Theorie der Materiewellen von 1924, die besagt, dass Elektronen bei höheren Geschwindigkeiten kürzere Wellenlängen haben, eröffnete neue Möglichkeiten für die Mikroskopie und übertraf die Vergrößerungsgrenzen optischer Mikroskope.
Die Erfindung und Weiterentwicklung des Elektronenmikroskops
Am 3. Juni 1931 präsentierte Max Knoll erste Ergebnisse zur Elektronenvergrößerung mithilfe von Magnetlinsen und markierte damit die inoffizielle Einführung des Elektronenmikroskops. Ruska und von Borries setzten diese Arbeit fort und zeigten 1932, dass Elektronenmikroskope Bilder mit einer Schärfe produzieren konnten, die denen von Lichtmikroskopen entsprach, jedoch mit deutlich höherer potenzieller Vergrößerung.
Entwicklungen in der Magnetlinsentechnologie von Busch, Gabor, Ruska und von Borries, einschließlich der Erfindung der eisenverkleideten Magnetlinse, waren entscheidend. Bis 1933 führten diese Fortschritte zur Schaffung von Elektronenmikroskopen, die in der Lage waren, Lichtmikroskop-Vergrößerungen zu übertreffen, wobei frühe Modelle bis zu 12.000-fache Vergrößerungen erreichten.
Die Kommerzialisierung der Elektronenmikroskopie begann kurz darauf, wobei bedeutende Beiträge von Ruska und von Borries kamen, die sich Siemens anschlossen, um die Technologie weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Die ersten kommerziellen Elektronenmikroskope, ausgestattet mit fortschrittlichen Kathoden wie der thermischen Haarnadelkathode, erreichten Vergrößerungen von bis zu 300.000-fach mit Filmvergrößerung.
Fazit
Die Entwicklung des Elektronenmikroskops war integraler Bestandteil von Fortschritten in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen, von der Biologie bis zur Materialwissenschaft. Es hat uns ermöglicht, die ultrakleinen Strukturen von Viren und Mikrochips zu sehen und zu verstehen, und damit sowohl die Gesundheitswissenschaften als auch die Technologie revolutioniert. Das Elektronenmikroskopie-Museum in Nürnberg widmet sich der Bewahrung und Weitergabe dieser reichen Geschichte und herausragender Errungenschaften, die unsere moderne Welt maßgeblich geprägt haben.