Mit dem Feldelektronenmikroskop (FEM) lassen sich atomar aufgelöste Bilder von Metallspitzen erstellen. Der prinzipielle Aufbau ist sehr simpel und besteht lediglich aus einer Vakuumkammer, in der sich eine Metallspitze befindet. Zwischen Metallspitze und dem Bildschirm liegt eine Hochspannung (ca. 5-10 kV) an.
Durch sog. Feldemission werden Elektronen dank des Tunneleffekts aus der Spitze herausgerissen und beschleunigen einigermaßen radial in Richtung des Bildschirms. Dort aufgetroffen erzeugen sie eine kurze Lichterscheinung. Der atomare Aufbau der Spitze wird dadurch auf den Bildschirm übertragen, denn die Austrittsarbeit der Elektronen aus der Metallspitze hängt entscheidend von den atomaren Gegebenheiten (Atomsorte, Krümmungsradius usw.) ab.
Wie kommt es nun aber zu dieser Feldemission? Ohne anliegender elektrischer Spannung U befinden sich die Elektronen der Metallspitze mehr oder weniger in einem Potentialtopf. Legt man aber eine hohe Spannung an, so wirkt außerhalb der Spitze jetzt ein elektrisches Feld E. Ein konstantes E ergibt einen linear abfallenden Potentialverlauf (siehe abfallende Gerade rechts im Bild für x > 0). Der resultierende Potentialverlauf (rote Kurve) besitzt daher ein Maximum, welches klassisch betrachtet die Elektronen nicht überwinden können dürften. Dank des Tunneleffekts geschieht dies aber doch und so können sich die Elektronen aus der Spitze befreien und werden dann im äußeren elektrischen Feld weiter beschleunigt.
Die Metallspitze muss sehr spitz sein (Krümmungsradius ca. 10-200 nm), damit die Elektronen auch wirklich aus der Spitze gerissen werden. Für die elektrische Feldstärke E im Bereich der Spitze gilt nämlich: E = U/r mit dem Krümmungsradius r der Spitze. Eine spitze Spitze besitzt also ein kleines r und daher große Feldstärken im Bereich um die 10^9 V/m.
Die Vergrößerung des Feldelektronenmikroskops ergibt sich aus dem Quotienten R/r mit dem Krümmungsradius r der Metallspitze und dem Kolbenradius R. Beträgt etwa r = 100 nm und der Radius des Glaskolbens R = 5 cm, so beträgt die Vergrößerung konkret V = 5 · 10^ –2 / 10^ –7 = 500 000-fach.
Auf der deutschen Verkaufsplattform Kleinanzeigen bin ich wieder ganz zufällig auf ein sehr seltenes Angebot eines Feldelektronenmikroskops gestoßen:
Bei solchen Okkasionen kann ich einfach nicht widerstehen, zumal mir der Verkäufer ein verlockendes preisliches Angebot machte. Im Moment muss ich mich aber noch in Geduld üben, bis der Verkäufer wieder aus seinem Urlaub zurück ist und versenden kann. Inzwischen habe ich mich im Internet schlaugemacht. Der Kolben stammt von der Firma Leybold und trägt die Katalognummer 55460.
Quelle: Leybold
Hier findet man zwei Datenblätter bzw. Anleitungen zum Download: https://www.radiomuseum.org/tubes/tube_noname.html?language_id=1.
Der recht überschaubare Schaltplan für das Feldelektronenmikroskop:
Zum Ausheizen der Spitze wird eine variable Spannungsquelle mit ca. 4-5 V benötigt. Der Heizstrom darf 1.8 A nicht überschreiten und soll auch nicht länger als 60 sek fließen. Danach kann man die Hochspannung langsam hochregeln. Bei rund 5-7 kV sollte man dann im abgedunkelten Raum am Bildschirm das atomare Abbild der Metallspitze erkennen können…
Hier noch ein Bild des Verkäufers bzw. ein wichtiger Auszug aus der Anleitung:
Quelle: Leybold
Für den Heizstrom habe ich mir einen 6V/30W Transformator auf Kleinanzeigen gekauft:
Diesen werde ich dann mit meinem Variac ansteuern und so den Heizstrom schön kontinuierlich von 0 auf ca. 1.7A steigern.
Für die Hochspannung werde ich mein CCFL-Inverter-Netzteil verwenden. Dieses erzeugt Gleichspannungen bis 14 kV. Eventuell reduziere ich noch die Kaskade um eine Stufe, damit ich die Ausgangsspannungen vermindern kann…
Inzwischen sind der Heiztrafo und die FEM-Röhre aus Deutschland und die 100 MΩ Widerstände aus China eingetroffen:
Die Spitze sieht rein äußerlich noch intakt aus:
Da ich sehr neugierig war, habe ich den Versuch gleich einmal in der Küche aufgebaut.
Nach einer längeren Pause muss man die Wolframspitze ausheizen. Hierzu habe ich die Spannung am 6V-Heiztrafo langsam erhöht, bis sich ein Heizstrom von 1.6 A ergeben hat. Diesen ließ ich für 60 sek fließen…
Danach verband ich die Anode mit meinem Hochspannungsnetzteil und regelte die Hochspannung langsam hoch.
Leider zeigte sich überhaupt keine Leuchterscheinung am Bildschirm 🙁
Die Anodenspannung habe ich bis auf 8 kV erhöht, jedoch auch dann war leider nichts am Bildschirm zu sehen. Daraufhin habe ich die Beschreibung noch einmal genau gelesen und bin auf diesen Absatz gestoßen: 
Ich werde daher die Bariumheizung bei 7-8 A für rund 45 sek in Betrieb nehmen in der Hoffnung, dass ich danach Leuchterscheinungen wahrnehmen kann. Wenn ich dies unternommen habe, geht es hier weiter…
So, ich habe das Barium für rund 1 Minute bei einer Stromstärke von 7-8 A mehrmals verdampft und ich erhalte jetzt ein Bild auf dem Schirm. Dieses ist aber nur in Richtung Bariumheizung sichtbar, also stark zu einer Seite hin verschoben. Ein Kristallgitter kann ich aber nicht in den Leuchterscheinungen erkennen. Vielleicht begehe ich einen Fehler oder das FEM ist nicht mehr in Ordnung. Die Leuchterscheinungen sind auch erst bei rund 8 kV Anodenspannung sichtbar. Eventuell ist dies auch bereits ein Zeichen, dass die Spitze defekt ist…
Hier die undefinierbaren Leuchterscheinungen auf dem Bildschirm:
Ehrlich gesagt, bin ich im Moment ratlos und weiß nicht wirklich, welche Schritte ich noch unternehmen kann/muss. Es kann aber gut sein, dass der Leuchtschirm nicht ausreichend leitend mit der Anode verbunden ist und dadurch das sehr zur Seite gezogene Bild erzeugt wird. Mal schauen, ob ich dieses Projekt noch erfolgreich beenden kann. Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…
