Development of a Novel Electron Detector with 80 kHz Frame Rate for Imaging Applications : Simulation of the Detector Response and First Experimental Results

Abstract

The observation of fast dynamics occurring in biological systems, such as molecular self-assembly and conformational changes of proteins can provide new insights into their structure and function. There have been a great number of attempts to capture time-resolved dynamics by means of transmission electron microscopy. However, a primary challenge of these experiments lies in the employed detector technology, as most of the detectors currently used in transmission electron microscopy are somewhat limited in terms of frame rate or use indirect detection technology based on scintillation. This thesis focuses on simulation studies of a direct electron detector, EDET-80, operating with a maximum frame rate of approximately 80 kHz (12.5 μs frame time). Such unprecedented speed will enable the EDET-80 to carry out real-time and -space imaging experiments by means of transmission electron microscopy and record movies of dynamic processes faster than previously possible. To achieve this goal an innovative direct detection scheme, based on depleted p-channel field effect transistor technology with a non-linear response, is under development. We carried out detailed Monte Carlo simulation studies to model, design and characterize the detector and investigate the significance of several effects influencing the detector imaging performance. The simulation studies and the initial results delivered by the first EDET-80 prototype are promising a new direct electron detector with unprecedented time resolution. Moreover, the simulation results presented here can be readily adapted to advance the performance of other direct electron detectors. Furthermore, we also simulated the underlying effects limiting the achievable spatial resolution for liquid cells that are employed in transmission electron microscopy to preserve samples being imaged in their hydrated environment.

Die Beobachtung schneller Dynamiken in biologischen Systemen, wie die molekulare Selbstorganisation und Konformationsänderungen von Proteinen kann neue Erkenntnisse über ihre Struktur und Funktion ermöglichen. Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, um zeitaufgelöste Dynamiken mittels Transmissionselektronenmikroskopie zu beobachten. Eine große Herausforderung dieser Experimente ist die eingesetzte Detektortechnologie, da die meisten derzeit in der Transmissionselektronenmikroskopie verwendeten Detektoren in Bezug auf die Bildrate noch recht langsam sind oder eine indirekte, auf Szintillation basierende Detektionstechnologie verwenden. Diese Arbeit fokussiert auf Simulationsstudien eines direkten Elektronendetektors, des EDET-80, der mit einer maximalen Bildrate von ca. 80 kHz (12,5 μs Belichtungszeit) arbeitet. Diese beispiellose Geschwindigkeit ermöglicht es dem EDET-80, Echtzeit- und Realraum-Bildgebungsexperimente mit Hilfe eines Transmissionselektronenmikroskops durchzuführen und Filme dynamischer Prozesse schneller als bisher möglich aufzunehmen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zur Entwicklung dieses Detektors ein innovatives direktes Detektionsschema auf der Basis eines “depleted p-channel field effect transistor” mit nichtlinearem Ansprechverhalten verwendet. Darüber hinaus wurden detaillierte Monte-Carlo-Simulationsstudien durchgeführt, um den Detektor zu modellieren, zu entwerfen und zu charakterisieren sowie die Signifikanz verschiedener Effekte zu untersuchen, die die Abbildungsleistung des Detektors beeinträchtigen können. Die Simulationsstudien und die mit dem ersten EDET-80-Prototyp erzielten Ergebnisse zeigen, dass wir auf dem Weg sind einen leistungsstarken direkten Elektronendetektor zu entwickeln. Des Weiteren können die hier vorgestellten Simulationsergebnisse leicht angepasst werden, um die Leistung anderer direkter Elektronendetektoren zu verbessern. Außerdem wurden auch die Wechselwirkungen simuliert, die die erreichbare räumliche Auflösung für Flüssigprobenzellen einschränken, die in der Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt werden, um Proben in ihrer natürlichen hydratisierten Umgebung abzubilden.