電子顕微鏡と光学顕微鏡の利点の比較

電子顕微鏡と光学顕微鏡の利点の比較
 

電子顕微鏡の分解能は、電子顕微鏡が分解できる隣接する 2 点間の短い距離によって表されます。 1970 年代の透過型電子顕微鏡の分解能は約 0.3 ナノメートルでした (人間の目の分解能は約 0.1 ミリメートル)。 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に整然と並んだ原子格子を電子顕微鏡で直接観察できるようになりました。 。

1931年、ドイツのクノール・ブレムゼとルスカは、冷陰極放電電子源と3つの電子レンズを備えた高圧オシロスコープを改造し、10倍以上に拡大された画像を取得し、電子顕微鏡による拡大画像の可能性を確認した。 ルスカの改良により、1932年には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約10倍となり、電子顕微鏡が注目されるようになりました。

1940 年代、米国のヒルは電子レンズの回転非対称性を補正するために非点収差補正器を使用しました。これにより、電子顕微鏡の分解能は新たな進歩を遂げ、徐々に現代のレベルに達しました。 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た。

電子顕微鏡は光学顕微鏡に比べて分解能がはるかに優れていますが、電子顕微鏡は真空中で動作する必要があり、また電子線の照射により生体試料が変形してしまうため、生体の観察が困難です。放射線でダメージを受けます。 電子銃の明るさの向上や電子レンズの品質など、その他の課題についてもさらに検討する必要がある。

分解能は電子顕微鏡の重要な指標であり、サンプルを通過する電子ビームの入射円錐角と波長に関係します。 可視光の波長は約{{0}}ナノメートルですが、電子線の波長は加速電圧に関係します。 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 ナノメートルです。 電子ビームの波長は可視光の波長よりもはるかに短いため、たとえ電子ビームのコーン角が光学顕微鏡のそれのわずか1パーセントであっても、電子顕微鏡の分解能は依然として電子顕微鏡の分解能よりはるかに優れています。光学顕微鏡の様子。

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、試料ホルダー、蛍光板、カメラ機構などが含まれます。 通常、これらのコンポーネントは上から下まで 1 つの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、真空バルブで構成されます。 ガスパイプラインは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、励磁電流安定化装置、およびさまざまな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鏡筒の重要な部分です。 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します。 その機能はビームを集束させるガラスの凸レンズの機能に似ているため、電子レンズと呼ばれます。 。 最新の電子顕微鏡のほとんどは、磁極片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を通じて電子を集束させる電磁レンズを使用しています。

電子銃は、タングステン フィラメントの熱陰極、グリッド、陰極で構成される部品です。 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以上の安定性が求められます。

電子顕微鏡は、その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。 透過型電子顕微鏡は、通常の顕微鏡では分解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 線回折計や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。

透過型電子顕微鏡は、電子ビームがサンプルを透過し、電子レンズで像を拡大することから名付けられました。 その光路は光学顕微鏡の光路と同様です。 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生成されます。 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いため、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することがあります。
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透過型電子顕微鏡の鏡筒の上部は電子銃で、電子はタングステン熱陰極から放出され、最初のコンデンサー ミラーを通過し、2 番目の 2 つのコンデンサー ミラーで電子ビームの焦点を合わせます。 試料を通過した電子線は対物レンズにより中間鏡に結像され、中間鏡、投影鏡を経て段階的に拡大され、蛍光板または光干渉板上に結像されます。

中間ミラーの倍率は、主に励磁電流の調整により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、同じ試料の微小な部分の電子顕微鏡像や電子回折像を取得できます。 より厚い金属スライスの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。 走査型電子顕微鏡の構造の模式図

走査型電子顕微鏡の電子線は試料を通過せず、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、受像管の電子ビーム強度を増幅および変調し、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凹凸像を表示します。これは産業用テレビの動作原理と似ています。 。

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よって決まります。 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化させることができます。 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。 画像には強い立体感があります。 電子線と物質と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非点収差補正器が追加され、対物レンズ内には、互いに直交する走査ビームが設置されています。 コイル。 対物レンズの下の試料室には、移動、回転、傾斜が可能な試料ステージが装備されています。