電子顕微鏡と光学顕微鏡のメリット

電子顕微鏡と光学顕微鏡のメリット

電子顕微鏡は、電子光学の原理に基づいて、光線と光学レンズの代わりに電子ビームと電子レンズを使用し、物質の微細構造を非常に高い倍率で画像化する装置です。

電子顕微鏡の解像度は、電子顕微鏡が分解できる 2 つの隣接する点の間の小さな間隔で表されます。1970 年代、透過型電子顕微鏡の解像度は約 3.3 ナノメートルでした (人間の目の解像度は約 0.1 ミリメートル)。今日では、電子顕微鏡の高倍率は 300 万倍以上、光学顕微鏡の高倍率は約 2,700 倍であるため、電子顕微鏡は整然と並んだ原子ドット マトリックス内の特定の重金属の原子と結晶を直接観察できます。

1931年、ドイツのクノールとルスカは、冷陰極放電電子源と3つの電子レンズを備えた高電圧オシロスコープを改造し、画像の12倍以上の拡大を実現し、電子顕微鏡による画像の拡大が可能であることを立証しました。1932年、ルスカの改良後、電子顕微鏡の解像度は50ナノメートルに達し、当時の光学顕微鏡の解像度の約10倍となり、電子顕微鏡が人々の注目を集め始めました。

1940年代、アメリカのヒルは分散器を使って電子レンズの回転非対称性を補正し、電子顕微鏡の分解能に新たな突破口を開き、徐々に現代のレベルに到達しました。中国では、1958年に透過型電子顕微鏡の開発に成功し、その分解能は3ナノメートルに達し、1979年には分解能が0.3ナノメートルの大型電子顕微鏡が作られました。

電子顕微鏡の解像度は光学顕微鏡よりはるかに優れていますが、電子顕微鏡は真空状態で動作する必要があるため、生体を観察することが難しく、電子ビームの照射により生体サンプルが照射損傷を受けます。電子銃の明るさや電子レンズの品質向上など、その他の問題も引き続き研究する必要があります。

分解能は電子顕微鏡の重要な指標であり、試料を通過する電子ビームの入射角と波長に関係しています。可視光の波長は約{{0}} nmで、電子ビームの波長は加速電圧に関係しています。加速電圧が50〜100 kVの場合、電子ビームの波長は約0.0053〜0.0037 nmです。電子ビームの波長は可視光の波長よりもはるかに小さいため、電子ビームの円錐角が光学顕微鏡の1％に過ぎなくても、電子顕微鏡の解像度は依然として光学顕微鏡よりもはるかに優れています。

電子顕微鏡は、鏡筒、真空システム、電源キャビネットの 3 つの部分で構成されています。鏡筒には主に電子銃、電子レンズ、サンプルホルダー、蛍光スクリーン、カメラ機構などの部品があり、これらの部品は通常、上から下まで 1 つの列に組み立てられています。真空システムは、機械式真空ポンプ、拡散ポンプ、真空バルブなどで構成され、ポンプ パイプラインを介して鏡筒に接続されています。電源キャビネットは、高電圧発生器、励起電流安定器、およびさまざまな制御ユニットで構成されています。

電子レンズは電子顕微鏡の鏡筒の重要な部品で、鏡筒の軸と対称な空間の電場または磁場を形成し、電子の軌跡を鏡筒の軸に集束させます。これはガラス凸レンズの役割で、光線を集束させるレンズの役割と似ているため、電子レンズと呼ばれます。現代の電子顕微鏡のほとんどは電磁レンズを使用しており、非常に安定した直流励起電流を磁極片のあるコイルに流すことで、強い磁場を発生させ、電子を集束させます。

電子銃はタングステン熱陰極、ゲート、陰極から構成される部品で、均一な速度の電子ビームを放出・形成するため、加速電圧の安定性は1万分の1以上であることが求められます。

電子顕微鏡は、構造と用途によって、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、反射型電子顕微鏡、および放射型電子顕微鏡に分類されます。透過型電子顕微鏡は、通常の顕微鏡では識別できない物質の微細構造を観察するためによく使用されます。走査型電子顕微鏡は、主に固体表面の形態を観察するために使用されますが、X線回折計や電子分光計と組み合わせて電子マイクロプローブを形成し、物質の組成を分析するためにも使用されます。放射型電子顕微鏡は、表面の電子の自己放出を研究するためのものです。