顕微鏡イメージングの原理
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最も重要な部分です。 鏡筒の軸に対して対称な空間電場または磁場を使用して、電子の軌道を軸に対して曲げて焦点を形成します。 ビーム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く、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、電子はタングステン熱陰極によって放出され、電子ビームは 2 つのコンデンサー ミラーによって集束されます。 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、投影ミラー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
