電子レンズのいろいろ

目次
.1.電子レンズの光学

.1.1. FromGodHand
.1.2. レンズ設計のためのMunroソフト
.1.3. 電子光学レンズの種類
.1.4. 電子光学レンズ開発史と磁界レンズ
.1.5. 静電レンズI
.1.6. 静電レンズII

2.透過電子顕微鏡TEMの電子光学

.2.1. 電子顕微鏡(TEM)用レンズ
.2.2. 平行ビーム・ケーラー照明
.2.3. 照射ビーム平行化のためのレンズ設計
.2.4. TEM/STEM用レンズのCs
.

3. 走査型電子顕微鏡SEMの電子光学

.3.1. SEM開発の初期
.3.2. 電子銃とレンズの関係
.3.3. SEM用対物レンズ
.3.4. 低加速SEMの減速レンズ1
.3.5. SEM用減速レンズ2
.3.6. 二次電子の発生
.3.7. SEMの二次電子ET検出器
.

4. LEEM_PEEMの電子光学

.4.1. LEEM/PEEM用レンズ
.

目次(全体)

1.最初のページ
2.レンズ設計
3.偏向と非点補正
4.光電子顕微鏡PEEM
5.エネルギー・アナライザ
6.Wien Filter
7.収差補正
8. スピン回転器
9.著者のページ

収差補正 2013.3旧版pdf
球面収差と色収差
シェルツァーの前提
4-8極子によるCs補正
電場・磁場4極子によるCc補正
減速電場4極子のCc補正
HexapoleによるCs補正
Wien Correctorによる補正
MirrorによるCs、Cc補正


走査型電子顕微鏡SEMの電子光学


.SEM開発の初期
.電子銃とレンズの関係
.SEM用対物レンズ
.低加速SEMの減速レンズ1
.SEM用減速レンズ2
.二次電子の発生
.SEMの二次電子ET検出器
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著者のページ
EOS津野
電子光学講座
Contact: tsuno6@hotmail.com
ここでは、コンピューター・エイデット・デザインの時代1970年代から収差補正成功の1990年代までの 20年間の透過電子顕微鏡(TEM)の対物レンズ設計の発展を振り返って見ます。その時代は丁度 コンピューターの性能も飛躍的に発展した時代でもありました。電子顕微鏡の分解能はまさに 電子レンズの性能によって決まる時代に入っており、それが限界に達したときに収差補正の成功が 伝えられました。


透過電子顕微鏡(TEM)用レンズ

電子レンズの設計は1970年代にイギリスはケンブリッジの当時学生だったMunroさんの作成した有限要素法 のレンズ磁場・電場計算、電子軌道と収差の計算プログラムの開発によって幕を開けました。それまでは、 レンズ設計の神様といわれた人にしかレンズのことはわからない時代が続いてていました。実際の 電子顕微鏡の性能は、レンズというよりも装置の安定性や、振動、電源安定度などで決まっていました。 ちょうど、それらの外的要因がほとんど解決し、レンズの性能さえ上がれば電子顕微鏡の性能が上がるという 時代が1970年代の終わりにやってきました。このころ、コンピューターの性能も一年ごとに どんどん上がっており、次々と高性能のレンズが開発されました。

1984年にはチェコはブルノーのLencovaさんも同じ有限要素法によるレンズ解析ソフトウェアを開発しました。 このソフトの素晴らしい点は、ICCG法という手法が採用され、ゼロが大部分で対角線上の少ない量にだけデーター が入っているという巨大なマトリックスの計算が簡素化され、およそ100倍の能力が発揮されるようになりました。 1980年代は、コンピューターというハードウェアの進歩と、ICCG法というソフトウェアの進歩によって、 レンズ設計は、運動場の様な広い部屋いっぱいに場所を占めて、専任のオペレーターが何人も管理している 大型計算機で、一日がかりで計算しなければならない巨大な計算から、パーソナルコンピューターで数分で 計算できてしまうものへと進化しました。大型計算機からパーソナル計算機に移る途中の過渡期には、大型 計算機で計算した結果打ち出された数値データーを当時出始めたベーシックのパーソナルコンピューターで 手入力し、グラフィック出力すると言う時代もありました。次に大型コンピューターでも具負出力が出来る ような時代がしばらく続き、ようやく1980年代の終わりになってパーソナルコンピューターの時代 になったのです。

しかし、1980年代も後半になると、電子顕微鏡レンズの設計は限界の性能に近づき、電子顕微鏡は、 レンズの開発競争から、分析装置やモノクロメーターといった軸対称ではない3Dで計算しなければ シミュレーションできない系の開発に重点が移って行きました。 分解能では、古くからトレットナーのクライテリオン[W. Tretner, Optik 16(1959)155]という 分解能限界が知られていました。実際の分解能は100kVの電子顕微鏡ではすでにこのトレットナーの 限界にほとんど達しており、1000kVの場合にまだ少し向上の余地がある程度でした。

1994年に衝撃的なニュースがもたらされました。それはドイツ、ハイデルベルグのDr. Zach, Haider によるSEMでの収差補正成功のニュースでした。次の年、TEMでの成功も伝えられ、今まで誰も 信じていなかった収差補正が現実のものとなりました。数年後の1987年、アメリカのKrivanekのSTEM での成功も伝えられました。ただ、この時代にはSEMの場合は加速電圧が低いためCs, Cc両方の 補正ができましたが、加速電圧の高いTEM/STEMではCcの補正ができませんでした。このため、収差補正 の利用は主としてSTEMで行われるようになり、誰もかれもがTEMではなくSTEMを使う時代が訪れました。

やがてアメリカの巨大収差補正装置プロジェクトであるTeamプロジェクトでCc補正の成功も伝えられ、 また、今まで電子顕微鏡の分解能が高い加速電圧によっても支えられていたものが、電子線による試料 ダメージを低減するなどの点からも低加速電圧に興味が移り、60kV, 30kVなどのTEMで、Cs, Cc同時補正 が試みられ低増したが、モノクロメータによって入射ビームのエネルギー範囲を狭めることによって 色収差を減らす方法も長く試みられ、その成功も伝えられています。

このような状況から、現在はTEM/STEMなどの対物レンズの設計それ自体に学界や最先端の研究者の興味は 向かなくなっていると思われます。このまま時間が推移しますと、やがて、再び電子顕微鏡レンズの設計 ができる人がいなくなってしまうという時代もまじかに迫っているいるのではないかと危惧されます。

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作成日 2011/09/04-->直し2014/09/15

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図1. Munroソフトウェアのための有限要素法メッシュの一例。
図2. 加速電圧別に示した電子顕微鏡分解能の時代による進歩。
図3. 加速電圧に対する分解能限界。分解能の限界はレンズ材料の飽和磁束密度によって決まる。