電子顕微鏡の光学原理と応用範囲

電子顕微鏡の光学原理と応用範囲

電子顕微鏡は、電子光学の原理に基づいて、光線や光学レンズの代わりに電子線や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観察する装置です。
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 点間の最小距離で表されます。 1970 年代、透過型電子顕微鏡の解像度は約 0.3 ナノメートルでした (人間の目の解像度は約 0.1 mm)。 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約10倍の分解能となり、電子顕微鏡は人々の注目を集め始めました。

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ました。電子顕微鏡は光学顕微鏡に比べてはるかに優れていますが、電子顕微鏡は真空条件下で動作する必要があり、また電子線の照射により生体サンプルに放射線による損傷が生じるため、生物の観察は困難です。 電子銃の明るさの向上や電子レンズの品質など、今後の課題も残されている。 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ます。 可視光の波長は約300-700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.{9}}.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、ビームを集束させるガラスの凸レンズと同様の働きをします。電子レンズといいます。 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熱陰極、グリッド、陰極で構成されています。
個。 電子ビームを均一な速度で放出・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に分類されます。
顕微鏡、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡など。透過型電子顕微鏡は、通常の顕微鏡では観察できない微細な物質の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や密度が低い部分は電子ビームによる散乱が少ないため、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。

透過型電子顕微鏡の鏡筒の上部は電子銃で、タングステン熱陰極から電子が放出され、第1、第2のコンデンサーレンズで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ミラーに結像され、中間ミラーと投影ミラーによって段階的に拡大され、蛍光板または光干渉板上に結像します。

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と、同じサンプルのごく一部の電子顕微鏡画像を取得できます。
電子回折像。 より厚い金属スライスのサンプルを研究できるようにするために、フランスのデュロスにある電子光学研究所は、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、この二次電子を受け取り、受像管の電子線強度を増幅、変調し、受像管蛍光面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して走査し続けるため、受像管の蛍光スクリーンには試料表面の凹凸像が表示されます。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、主にサンプル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、電子ビーム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。