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Ein Elektronenspektrometer besteht aus einem Filter, der Elektronen einer bestimmten Energie (englisch passenergy) durchläßt und einem Detektor.
Der Filter besitzt in der Regel einen Eintrittsspalt, durch den die Elektronen eintreten, und einen Austrittsspalt durch den die Elektronen auf den Detektor gelangen. Bei der Verwendung ortsauflösender Detektoren kann oft auf einen Austrittsspalt verzichtet werden. Zur filterung der Elektronenenergie wird die Ablenkung von Elektronen in einem elektrischen oder magnetischen Feld ausgenutzt. Nur die Elektronen einer bestimmten kinetischen Energie können dann sowohl Eintritts- als auch Austrittsspalt dieses Monochromators passieren. Mögliche Geometrien für einen elektrostatischen Analysator sind Plattenkondensator, Zylinderkondensator und Kugelkondensator, jeweils mit Eintritts- und Austrittsöffnung. Durch Verändern der elektrischen Spannung am Kondensator ändert sich die Passenergie des Monochromators, so dass Elektronen einer anderen kinetischen Energie den Detektor erreichen. Mit dieser Anordnung wird für verschiedene Passenergien die Elektronenzählrate ermittelt und als Spektrum aufgetragen.
Als Detektor kommt häufig ein Sekundärelektronenvervielfacher zum Einsatz, dieser ist oft als Kanalelektronenvervielfacher (englisch channeltron) ausgeführt. Die Verstärkung reicht hier aus um einzelne Elektronen zu zählen. In modernen Elektronenspektrometern werden meist ortsauflösende Detektoren verwendet. Diese bestehen aus einer Mikrokanalplatte (englisch micro-channel-plate MCP) und einem Fluoreszenzschirm. Das so entstandene Bild des Spektrums wird dann mit einem CCD aufgenommen und zu einem Spektrum verarbeitet.