電子顕微鏡の構成原理の紹介

電子顕微鏡の構成原理の紹介

電子顕微鏡は、鏡筒、真空システム、電源キャビネットで構成されています。 鏡筒は主に電子銃、電子レンズ、サンプルホルダー、蛍光板、カメラ機構で構成されており、通常は上から下に向かって柱状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、真空バルブで構成され、空気抜きパイプラインを介してレンズ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、励磁電流安定器、および各種調整制御ユニットで構成されます。

電子レンズは電子顕微鏡の鏡筒の中で最も重要な部品です。 鏡筒の軸に対して対称な空間電場または磁場を利用して電子の軌道を軸に対して曲げて焦点を形成するもので、ガラスの凸レンズが光線を集束させるのと似ているため、電子レンズ。 最新の電子顕微鏡のほとんどは電磁レンズを使用しており、ポールシュー付きの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が電子を集束させます。

電子銃は、タングステン フィラメントの熱陰極、グリッド、陰極で構成されるコンポーネントです。 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1万分の1以上の安定性が要求されます。

電子顕微鏡は構造や用途により透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、反射型電子顕微鏡、放射型電子顕微鏡に分けられます。 透過型電子顕微鏡（TEM）は、通常の顕微鏡では識別できない材料の微細構造を観察するためによく使用されます。 走査電子顕微鏡 (SEM) は主に固体表面の形態観察に使用されますが、X 線回折装置や電子エネルギー分光装置と組み合わせることもできます。 電子顕微鏡は、サンプルの原子による電子ビームの散乱によって形成されます。 サンプルの薄い部分または密度が低い部分では、電子ビームの散乱が少なくなるため、より多くの電子が対物絞りを通過して画像化に関与し、画像内で電子がより明るく表示されます。 逆に、サンプルの厚い部分または密度が高い部分は、画像では暗く表示されます。 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、さらには電子ビームのエネルギーを吸収して損傷または破壊されてしまいます。

透過型電子顕微鏡の鏡筒の上部は電子銃となっています。 電子はタングステン フィラメント熱陰極によって放出され、第 1 および第 2 のコンデンサー レンズによって集束されます。 電子線は試料を通過した後、対物レンズにより中間鏡に結像され、中間鏡、投影鏡により段階的に増幅され、蛍光板や写真乾板上に結像されます。

中間ミラーの倍率は励磁電流を調整することで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。 中間ミラーの焦点距離を変えることで、同一試料の微小部分の電子顕微鏡像や電子回折像を取得できます。 厚い金属スライスのサンプルを研究するために、加速電圧 3500 kV の超高圧電子顕微鏡が、フランスのデュロスにある電子光学研究所によって開発されました。

走査型電子顕微鏡の電子線は試料を通過せず、試料表面を走査して二次電子を励起するだけです。 サンプルの隣に置かれたシンチレーション結晶は、これらの二次電子を受け取り、増幅後の受像管の電子ビーム強度を変調し、受像管の画面上の明るさを変化させます。 受像管の偏向コイルは試料表面上の電子ビームと同期走査を続け、受像管の蛍光面に試料表面の形態像を映し出します。これは産業用テレビの動作原理と同様です。

走査型電子顕微鏡の分解能は主に試料表面上の電子ビームの直径に依存します。 倍率は受像管上の走査振幅とサンプル上の走査振幅の比であり、数十倍から数十万倍まで連続的に変更できます。 走査型電子顕微鏡では、非常に薄いサンプルは必要ありません。 立体感が強いイメージです。 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は透過型電子顕微鏡とほぼ同じですが、電子ビームを細くするためにコンデンサーの下に対物レンズと非点拡散板が追加され、2組の走査電子顕微鏡が設置されています。対物レンズにも直交するコイルが設置されています。 対物レンズの下の試料室には、移動、回転、傾斜が可能な試料台が設置されています。