Гелиевый ионный микроскоп появился как самостоятельный прибор в начале XXI века и привлек внимание специалистов в области электронной микроскопии субнанометровым разрешением, которое на тот момент было недостижимо для стандартных СЭМ.
Основой микроскопа является газовый автоионный источник, который благодаря возможностям автоионной микроскопии может быть сформирован таким образом, что ионизация газа будет иметь место в окрестности трёх атомов, расположенных на вершине трехгранной пирамиды. Один из этих атомов выставляется на оптическую ось и служит источником ионов для сфокусированного ионного пучка, что позволяет сфокусировать ионы в пятно субнанометрового размера на поверхности исследуемого материала.
Электроны, возбуждаемые в результате воздействия сфокусированным ионным пучком, регистрируются сцинтилляционным детектором типа Эверхарта-Торнли, а полученный сигнал используется для построения изображения. Аналогично возбуждению электронным пучком, количество возбуждаемых электронов определяется локальным углом падения ионного пучка, который отражает морфологию поверхности исследуемого образца. Отличием здесь является большая величина выхода вторичных электронов, а также меньшая средняя энергия вторичных электронов по сравнению с электронной микроскопией.