電子顕微鏡と光学顕微鏡の利点

電子顕微鏡と光学顕微鏡の利点

電子顕微鏡は、光ビームや光学レンズの代わりに電子ビームや電子レンズを用い、電子光学の原理に基づいて物質の微細構造を非常に高倍率で画像化する装置です。

電子顕微鏡の解像力は、解像できる隣接する 2 点間のわずかな距離によって表されます。 1970 年代、透過型電子顕微鏡の解像度は 0.3 ナノメートル程度でした (人間の目の分解能は約 0.1 ミリメートルです)。 現在、電子顕微鏡の最大倍率は300万倍を超え、光学顕微鏡の最大倍率は約2000倍となっており、一部の重金属の原子や結晶内の原子格子が整然と並んだ様子を電子顕微鏡で直接観察することができます。 .

1931年、ドイツのKnorr-BremseとRuska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、10倍以上の拡大像を得て、電子顕微鏡拡大像の可能性を確認しました。 1932年、ルスカの改良により電子顕微鏡の分解能が50ナノメートルに達し、当時の光学顕微鏡の分解能の約10倍になり、電子顕微鏡が注目されるようになりました。

1940 年代には、米国のヒルが非点収差補正器を使用し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ブレークスルーをもたらし、徐々に現代のレベルに到達しました。 中国では、1958年に分解能3ナノメートルの透過型電子顕微鏡の開発に成功し、1979年には分解能0.3ナノメートルの大型電子顕微鏡が製造されました。

電子顕微鏡の分解能は光学顕微鏡よりはるかに優れていますが、電子顕微鏡は真空下で動作する必要があるため、生きた生物を観察することは困難であり、電子線の照射は生体試料への放射線損傷も引き起こします。 . 電子銃の明るさの向上や電子レンズの品質など、他の問題もさらに検討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線の入射角と波長に関係しています。 可視光の波長は約 {{0}} ナノメートルですが、電子ビームの波長は加速電圧に関連しています。 加速電圧が 50-100 kV のとき、電子ビームの波長は約 0.0053-0.0037 ナノメートルです。 電子線の波長は可視光の波長よりもはるかに小さいため、電子線の円錐角が光学顕微鏡のわずか1%であっても、電子顕微鏡の分解能ははるかに優れています。光学顕微鏡の。

電子顕微鏡は、レンズバレル、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、試料ホルダー、蛍光板、カメラ機構が含まれます。 これらのコンポーネントは、通常、上から下に列に組み立てられます。 真空システムは、機械式真空ポンプ、拡散ポンプ、および真空バルブで構成されています。 ガスパイプラインはレンズバレル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、およびさまざまな調整制御ユニットで構成されています。

電子レンズは、電子顕微鏡鏡筒の重要な部分です。 鏡筒の軸に対して対称な空間電界または磁界を利用して、電子軌道を軸に曲げて焦点を形成します。 ガラスの凸レンズが光を集光する働きに似ていることから、電子レンズと呼ばれています。 . 最新の電子顕微鏡のほとんどは電磁レンズを使用しています。このレンズは、ポール シューを備えたコイルを通過する非常に安定した DC 励起電流によって生成される強力な磁場を通して電子を集束させます。

電子銃は、タングステン熱陰極、グリッド、陰極で構成されています。 均一な速度で電子ビームを放出・形成できるため、加速電圧の安定性は1万分の1以上が求められます。

電子顕微鏡は、その構造や用途から、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、反射型電子顕微鏡、放出型電子顕微鏡に分けられます。 透過型電子顕微鏡は、通常の顕微鏡では解像できない微細な材料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、X線回折計または電子エネルギー分光計と組み合わせて、材料組成分析用の電子マイクロプローブを形成することもできます。 自己放出電子表面の研究のための放出電子顕微鏡。

投影電子顕微鏡は、電子ビームがサンプルを透過し、電子レンズで画像を拡大することにちなんで名付けられました。 その光路は光学顕微鏡の光路に似ています。 このタイプの電子顕微鏡では、画像の細部のコントラストは、サンプルの原子による電子ビームの散乱によって作成されます。 サンプルの薄い部分または密度の低い部分では、電子ビームの散乱が少ないため、より多くの電子が対物絞りを通過してイメージングに関与し、画像が明るく表示されます。 逆に、サンプルの厚い部分や密度の高い部分は、画像でより暗く表示されます。 サンプルが厚すぎたり、密度が高すぎたりすると、画像のコントラストが低下したり、電子ビームのエネルギーを吸収して損傷したり破壊されたりします。

透過型電子顕微鏡鏡筒の上部が電子銃です。 電子はタングステン熱陰極から放出され、* を通過し、次の 2 つのコンデンサーによって電子ビームが集束されます。 試料を通過した電子線は、対物レンズによって中間鏡に結像され、中間鏡、投影鏡を経て、段階的に拡大され、蛍光板やフォトコヒーレント板に結像されます。

主に励磁電流の調整により、中間鏡の倍率を数十倍から数十万倍まで連続的に変化させることができます。 中間鏡の焦点距離を変えることで、同じ試料の微小部分の電子顕微鏡像や電子線回折像を得ることができます。 より厚い金属スライス サンプルを研究するために、フランスのデュロス電子光学研究所は、加速電圧 3500 kV の超高圧電子顕微鏡を開発しました。 走査型電子顕微鏡構造の模式図

走査型電子顕微鏡の電子線は試料を透過せず、試料表面の二次電子を走査して励起するだけです。 試料の隣に配置されたシンチレーション結晶は、この二次電子を受け取り、ブラウン管の電子ビーム強度を増幅および変調し、ブラウン管の画面の明るさを変化させます。 受像管の偏向コイルは、サンプル表面の電子ビームと同期走査を維持するため、受像管の蛍光スクリーンは、産業用テレビの動作原理と同様に、サンプル表面のトポグラフィック画像を表示します。 .

走査型電子顕微鏡の分解能は、主に試料面上の電子ビームの直径によって決まります。 倍率とは、ブラウン管の走査振幅と試料の走査振幅の比で、数万倍から数十万倍まで連続的に変化させることができます。 走査型電子顕微鏡は非常に薄いサンプルを必要としません。 画像の立体感が強い。 電子線と物質の相互作用によって発生する二次電子、吸収電子、X線などの情報を利用して、物質の組成を分析することができます。

走査型電子顕微鏡の電子銃とコンデンサーレンズは透過型電子顕微鏡とほぼ同じですが、電子線を細くするために、コンデンサーレンズの下に対物レンズとアスティグマタイザーを追加し、2組の対物レンズの内部に互いに垂直な走査ビームが設置されています。 コイル。 対物レンズの下のサンプルチャンバーには、移動、回転、傾斜が可能なサンプルステージが装備されています。