電子顕微鏡構成

電子顕微鏡構成

電子顕微鏡の構成

の主なコンポーネントは次のとおりです。

電子源：自由電子を放出する陰極と、電子を加速するリング状の陽極。 カソードとアノード間の電圧差は非常に高くなければならず、通常は数千ボルトから 300 万ボルトの間です。

電子: 電子を集束させるために使用されます。 一般的には磁気レンズが使用されますが、場合によっては静電レンズが使用されます。 電子レンズの働きは、光学顕微鏡の光学レンズと同じです。 光学レンズの焦点は固定されていますが、電子レンズの焦点は調整できるため、電子顕微鏡には光学顕微鏡のような可動レンズ系がありません。

真空装置：電子がその経路で吸収されたり偏向されたりしないように、顕微鏡内を真空状態に維持するために使用される真空装置。

サンプルラック：サンプルを安定してサンプルラックに置くことができます。 さらに、サンプルを変更するために使用できるデバイス (移動、回転、加熱、冷却、引き伸ばしなど) が存在することもよくあります。

検出器: 電子を収集するために使用される信号または二次信号。 透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用すると、サンプルの投影を直接取得できます。 この顕微鏡では電子がサンプルを通過するため、サンプルは非常に薄くなければなりません。 サンプルを構成する原子の原子量、加速電子の電圧、および必要な分解能によってサンプルの厚さが決まります。 サンプルの厚さは数ナノメートルから数ミクロンの範囲にあります。 原子量が高く、電圧が低いほど、サンプルは薄くする必要があります。

対物レンズのレンズ系を変更することで、対物レンズの焦点の像を直接拡大することができます。 これから電子回折像を得ることができます。 この画像を利用することで、試料の結晶構造を解析することができます。

エネルギー フィルター透過電子顕微鏡 (EFTEM) では、電子がサンプルを通過する際の速度変化を測定します。 これから、サンプル内の化学元素の分布など、サンプルの化学組成を推測できます。

電子顕微鏡開発の軌跡

1931 年、ドイツの M. Noel と E. Ruska 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ました。 彼らは透過電子顕微鏡を発明し、電子顕微鏡による拡大画像の可能性を確認しました。 ルスカの改良後の1932年、電子顕微鏡の分解能は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倍となり、光学顕微鏡の分解能限界を突破した。 そこで電子顕微鏡が注目され始めました。 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、電子顕微鏡の解像度に新たな進歩をもたらし、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開発された。

電子顕微鏡の構造原理

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、試料ホルダー、蛍光板、撮影機構などの部品で構成されています。 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。 真空系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、排気管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、励磁電流安定器、および各種調整および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使用して、電子の軌道を軸に向かって曲げて焦点を形成します。 光線を集束させるガラスの凸レンズに似た働きをするため、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、磁極片を備えたコイルを流れる安定した DC 励起電流によって生成される強力な磁場で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、タングステン線熱陰極、ゲート電極、陰極から構成される部品です。 均一速度の電子ビームを放出・形成できるため、加速電圧の1/10000以上の安定性が要求されます。