Das erste Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop baute E. Ruska im Hochspannungslaboratorium der Technischen Hochschule Berlin (Leitung: M. Knoll) im Zuge der Verbesserung des Kathodenstrahl- Oszillographen. Es handelte sich hierbei um eine Versuchsanordnung noch ohne eisengekapselte Spulen.
Anfang 1931 wurde ein Labormodell erstellt mit zwei hintereinander angeordneten kurzen Sammelspulen. Vor jeder dieser Linsen war eine Fassung zum Einsetzen von abzubildenden Blenden angebracht.
Diese Blenden waren zur Vermehrung von Formelementen mit feinmaschigen Drahtnetzen bedeckt.
Am 7. April 1931 gelang es E. Ruska und M. Knoll, die von Elektronen durchstrahlten Netze in mehr als einer Stufe vergrößert abzubilden. Die Endvergrößerung war 17fach; die optische Leistung entsprach der eines guten Vergrößerungsglases. Noch war unbekannt, ob eine bessere Auflösung als mit dem Lichtmikroskop überhaupt erreichbar wäre.
Die Beschleunigungsspannung des Gerätes betrug 75 kV. Zur Erzeugung der Elektronen fand eine Gasentladungsröhre mit kalter Kathode Verwendung. Das Bild konnte durch ein Beobachtungsfenster auf einem Fluoreszenzschirm betrachtet und von diesem von außen her abfotografiert werden.
Die ersten Ergebnisse ermutigten E. Ruska, seine Arbeit fortzusetzen, wusste man doch bereits, dass das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops nicht durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt würde.
Um in elektronenmikroskopischen Bildern sublichtmikroskopische Auflösungen nachweisen zu können, mussten Abbildungen bei wesentlich höheren Vergrössßerungen als mit dem Lichtmikroskop möglich hergestellt werden. Nur bei Verwendung von Linsen mit kurzen Brennweiten waren hohe Vergrößerungen bei nicht zu langen Baulängen des Mikroskops mit möglichst wenigen Abbildungsstufen zu erreichen.
1932 schlugen B. von Borries und E. Ruska die Verwendung von konischen Polschuhen im ringförmigen Spalt der Eisenkapselung der Spule vor, um das Spulenfeld wirksam zusammenzudrängen. Erstmals wurde damit diejenige Elektronenlinse kurzer Brennweite realisiert, welche heute in allen Arten von magnetischen Elektronenmikroskopen verwendet wird.
1933 untersuchte E. Ruska die Polschuhlinse experimentell und baute mit derartig verbesserten Linsen ein Mikroskop, in dem die Objekte bis 12000fach vergrößert abgebildet werden konnten. Das hochvergrößernde zweitstufige elektromagnetische Elektronenmikroskop wurde Übermikroskop genannt, weil mit diesem Gerät die ersten Bilder durchstrahlter Objekte mit einer besseren Auflösung als der des Lichtmikroskops erhalten wurden. Strukturen im 50 nm-Bereich wurden klar aufgelöst.
Das neue Gerät erhielt erstmals einen Kondensor, um auf den Präparaten die für hohe Vergrößerungen erforderliche Stromdichte zu erzeugen. Die beiden Vergrößerungslinsen - Objektiv und Projektiv - waren als Polschuhlinsen ausgebildet. Die Objektivbrennweite betrug 6,5 mm, die höchste Beschleunigungsspannung 75 kV.
Eine Wechselkammer mit 8 im Kreis angeordneten Bohrungen ermöglichte den Austausch von Präparaten ohne Unterbrechung des Vakuums. Aufnahmen wurden durch Abfotografieren des Leuchtschirmbildes angefertigt.
Dieses Mikroskop fand als erstes technisches Gebrauchsgerät Eingang in die Praxis. Die Bedienung wurde vereinfacht. Durch Vakuumschleusen konnten Präparate und Fotoplatten schnell in das Mikroskop gebracht und wieder entnommen werden.
Mit der Objektschleuse konnte das Präparat näher an das Feld der Objektivspule herangeführt werden. Die Objektivbrennweite wurde von 5,4 mm auf 2,5 mm gesenkt, die zweistufige maximale Vergrößerung betrug 30000 :1. Das Punktauflösungsvermögen war anfangs 7 nm und wurde später im Verlauf der Auslieferung des Gerätetyps auf ca. 3 nm verbessert. Die Abbildungslänge konnte auf 580 mm verkürzt werden, wodurch eine bequeme Beobachtung des Zwischen- und des Endbildes möglich wurde.
Die Plattenschleuse ermöglichte ein schnelles Ein- und Ausschleusen der Platten. Innenfotografie war nunmehr möglich. Auf diese Weise konnte das Präparat geschützt werden, weil es nur noch verhältnismäßig kurze Zeit dem Elektronenstrahl ausgesetzt werden musste.
Die Objektkenntnis ließ sich zusätzlich durch im Gerät aufgenommene Beugungsaufnahmen erweitern.
Die Vakuumtechnik und ein Teil der elektrotechnischen Hilfseinrichtungen befanden sich in einem blechverkleideten Hilfsstativ, die hochspannungsführenden Teile in einer berührungssicheren Schutzwanne.
Die Mikroskopröhre stand auf einem Tischaufbau, unter dem eine Schalttafel befestigt war, die alle zum Mikroskopieren notwendigen Einsteller enthielt. Abbau- und Reinigungsarbeiten wurden durch den Einbau einer Schwenkeinrichtung zum Öffnen der Röhre erleichtert.
Im Herbst 1939 baute H. Mahl im Forschungslaboratorium der AEG in Berlin das erste elektrostatische Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop in der konventionellen Anordnung mit zwei vergrößernden Linsen kurzer Brennweite (elektrostatische Hochspannungs-Einzellinsen) hinter dem Präparat. Als Objektiv und Projektiv wurden symmetrische Linsen in Zweipolschaltung verwendet, wodurch eine Unabhängigkeit der Brennweite von der Strahlspannung erreicht wurde. Aus diesem Grunde brauchte die Strahlspannung nur auf etwa 1 % konstant gehalten zu werden.
Das elektrostatische Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop war einfacher aufgebaut, doch bei höheren Strahlspannungen nicht so betriebssicher wie das elektromagnetische Elektronenmikroskop. Gleiche Abbildungsmaßstäbe erforderten entweder größere Gerätelängen oder eine höhere Zahl von Vergrößerungsstufen, weil aus hochspannungstechnischen Gründen ein bestimmter Mittelabstand der Linsenelektroden nicht unterschritten werden durfte.
Als weiterentwickeltes Nachfolgegerät wurde seit 1947 das EM 7 mit drei Abbildungsstufen in den Süddeutschen Laboratorien in Mosbach gebaut. Die von einer Glühkathode emittierten, auf 50 kV beschleunigten Elektronen wurden ohne Verwendung einer besonderen Kondensorlinse auf das Objekt hin fokussiert. Die Objektivlinse entwarf ein vergrößertes reelles Bild in die Zwischenbildebene. Ein kleiner Ausschnitt des Zwischenbildes wurde durch die beiden Projektivlinsen im elektrostatischen Doppelprojektiv, die einzeln oder zusammen eingeschaltet werden konnten, weiter vergrößert. Die elektronenoptischen Vergrößerungen lagen bei 1500-, 5000- und 15000fach, die Auflösungsgrenze lag bei 2 nm. Dieser Wert war zur Bauzeit des EM 7 das Welt-Spitzenauflösungsvermögen.
Das Mikroskop stand auf einem kleinen Tisch, der mit einem Kastenstativ verschraubt war, in dem das Pumpenaggregat und die Batterie für die Elektronenquelle untergebracht waren. Die Bedienungsknöpfe waren ebenfalls am Stativ angebracht.
Das Gerät war bereits mit einem Stigmator zur Kompensation des Astigmatismus ausgestattet. Die Objektschleuse war mit einer Sperrvorrichtung gesichert. In einer Vorratskassette befanden sich 24 fotografische Platten, die einzeln ohne Belüftung des Mikroskops entnommen werden konnten. Durch weitgehende Automatisierung waren Fehlbedienungen ausgeschlossen.
Bei Experimenten zur Sichtbarmachung der Sammelwirkung einer elektrostatischen Zylinderlinse erfand H. Johannson im physikalischen Laboratorium der AEG in Berlin Ende 1931 das elektrostatische Emissionsmikroskop.
Mit den von einer Glühkathode emittierten Elektronen und einer dahinter angeordneten elektrostatischen Beschleunigungslinse gelang die Abbildung der Kathodenoberfläche bei 80facher Vergrößerung. Das Beschleunigungsfeld wurde durch zwei dicht vor der ebenen Kathodenfläche angebrachte positive Blenden zu einer Linse kleiner Brennweite umgeformt, sodass alle von einem Punkt der Kathode emittierten und durch die zweite Lochblende auf 80 kV beschleunigten Elektronen wieder auf einem Leuchtschirm vereinigt wurden und dort einstufige Bilder erzeugten.
Das Gerät war auf einer waagerechten optischen Bank in einem evakuierten Glasgefäß aufgebaut.
Schon frühzeitig beschäftigten sich die Elektronenmikroskopiker mit der Entwicklung eines einfachen leistungsfähigen Gebrauchsmikroskops, ohne die äußersten Grenzen der Methode anzustreben. Ein maximaler Abbildungsmaßstab von 15000fach bis 20000fach wurde als ausreichend für ein Gebrauchsmikroskop angesehen. Ein solches Gerät wurde von B. von Borries ab 1948 im Rheinisch-Westfälischen Institut für Übermikroskopie in Düsseldorf konstruiert.
Das Gerät sollte auch für weniger ausgebildete Kräfte leicht bedienbar sein. Die Zahl der Einstellglieder wurde radikal beschränkt. Alle Betätigungsgriffe waren sinnvoll zusammengefasst.
Kompromisse mussten eingegangen werden, um Kosten zu sparen. Das Routinemikroskop war nur für 60 kV Strahlspannung ausgelegt, ausreichend für die meisten Anwendungen bezüglich Kontrast und Auflösungsvermögen. Das Gerät war mit zwei magnetostatischen Linsen ausgestattet. Derartige Linsen ermöglichten eine Verbindung der Hauptvorteile des magnetischen und elektrischen Linsensystems. Die überlegenen optischen und betrieblichen Vorteile des Magnetfeldes wurden beibehalten. Doch blieb der Aufwand ähnlich klein wie beim elektrischen Linsensystem. Dem zweistufigen permanentmagnetischen Objektiv-, Projektivsystem wurde der Vorzug gegeben, weil es keine besondere Linsenstromversorgung benötigt. Der Strahlengang wurde von unten nach oben gerichtet, um Endbild und Kamera mit 21 Platten in Augenhöhe anordnen zu können. Über einen Rundblickspiegel konnten mehrere Personen gleichzeitig das Bild beobachten. Das Objekt befand sich in Nähe der Hände.
Die Hochspannung wurde von unten zugeführt, eine Glühkathode war die Elektronenquelle. Die Vergrößerung ließ sich zwischen 1150- und 18000fach stufenlos regeln. Die Einstellung der Vergrößerung erfolgte durch Betätigung eines einzelnen Handgriffes. Auf dem Tisch befanden sich Drehknöpfe für die Präparatbewegung und die Fokussierung des Bildes. Das Auflösungsvermögen betrug 7 nm.
Nach dem Ableben von B. von Borries 1956 sind die Arbeiten an dem Gerät eingestellt worden.
Das Haus Philips beschäftigte sich seit 1932 mit elektronenoptischen Arbeiten und setzte die Entwicklung auf diesem Gebiet nach Beendigung des Krieges fort. 1949 kam als erstes kommerzielles Modell das formschöne EM 100 auf den Markt. Dieses Mikroskop zeichnete sich durch gute Leistungsfähigkeit und einfache Bedienung aus. Als Universalgerät konnte es sowohl in der Forschung als auch für Industrieaufgaben eingesetzt werden.
Das EM 100 war mit nahezu horizontal angeordneter Säule aufgebaut. Der Betrachter saß unmittelbar vor einem Durchstrahlungsleuchtschirm, um den sich logisch die wesentlichen Bedienungselemente gruppierten.
In einem dreiteiligen Stativ befanden sich sowohl die elektrische Versorgung als auch die Säule, die Hochspannungsanlage und das Pumpensystem. Die kurze, stabil aufgebaute Mikroskopröhre bedingte die hohe mechanische Stabilität des Mikroskops.
Das Gerät war mit einem üblichen Strahlerzeugersystem ausgestattet. Die Beschleunigungsspannung konnte in den Stufen 40, 60, 80 und 100 kV eingestellt werden. Die Vergrößerung ließ sich kontinuierlich im Bereich von 1750- bis 100000fach regeln. Die Objektivbrennweite betrug 4,5 mm, das Auflösungsvermögen anfangs 5 nm und später im Jahre 1965 beim Auslaufen der Serie 1,5 bis 2 nm.
Mittels einer Stabschleuse ließen sich die Präparate schnell und einfach wechseln.
Konstruktive Besonderheiten waren: vierlinsiges Abbildungssystem, Selektorblende für Feinbereichsbeugung, Strahlwobbler als Hilfsmittel zur leichteren Scharfstellung des Bildes, elektromagnetische Strahlzentrierung, Objektivstigmator zur Kompensation des Astigmatismus, 35 mm-Kleinbildkamera in Projektivnähe, Vakuumpuffertank.
R. Rühle baute 1948 ein weiterentwickeltes Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop mit magnetischen Rundlinsen. Die Konstruktion erfüllte wesentliche Forderungen, die an eine einfach zu bedienende Stereoeinrichtung zu stellen sind. Die erste Stereoeinrichtung war schon 1940 von M. von Ardenne in einem von ihm entwickelten Elektronenmikroskop realisiert worden.
Im Bosch-Mikroskop blieb das Bild während des Neigungswechsels ortsfest und scharf eingestellt. Aufgenommene Bilder konnten zur Auswertung eindeutig einander zugeordnet werden. Auch die Strahljustier-Einrichtung wurde in der Weise verbessert, dass die Verschiebung und Kippung des Elektronenstrahles auf maximale Bildhelligkeit vollkommen unabhängig voneinander durchgeführt werden konnten.