技術考古学)
電子顕微鏡の中には、宇宙船のファームウェアを復元するものや、顕微鏡下で超小型回路の回路をリバースエンジニアリングするものもあります。 この活動は非常に刺激的だと思います。
ところで、産業考古学に関する素晴らしい投稿を思い出しました。
ネタバレ
企業の記憶には、人物と文書の 2 種類があります。 人々は物事がどのように機能するかを覚えており、その理由を知っています。 場合によっては、この情報をどこかに書き留めて、そのメモをどこかに保存します。 これを「文書化」といいます。 企業の記憶喪失も同様に起こります。人々が退職し、文書が消失するか、腐敗するか、単に忘れられるだけです。
私は数十年間、大手石油化学会社で働いていました。 1980 年代初頭に、当社は炭化水素を他の炭化水素に変換するプラントを設計および建設しました。 その後 30 年が経ち、この工場に対する企業の記憶は薄れてきました。 はい、工場はまだ稼働しており、会社に収益をもたらしています。 メンテナンスが実行され、非常に賢明な専門家が、プラントの運転を継続するために何を引っ張るべきか、どこを蹴るべきかを知っています。
しかし、同社はこの工場がどのように機能するかを完全に忘れてしまった。
これはいくつかの要因により発生しました。
1980 年代から 1990 年代にかけて石油化学産業が衰退したため、当社は新規採用を停止しました。 1990 年代後半、私たちのグループは、非常にまれな例外を除いて、35 歳未満または 55 歳以上の男性で構成されていました。
徐々にコンピュータシステムを使った設計に切り替えていきました。
企業の組織再編により、オフィス全体を物理的に別の場所へ移動する必要がありました。
数年後の企業合併により、私たちの会社は完全に解体され、より大きな会社となり、部門の大規模な見直しと人事異動が行われました。
産業考古学
2000 年代初頭に、私と同僚数名が退職しました。
2000 年代後半、同社はこの植物のことを思い出し、この植物を使って何かできるのではないかと考えました。 たとえば、生産量を増やしましょう。 たとえば、生産プロセスのボトルネックを見つけて改善することもできます (この 30 年間、テクノロジーは停滞していません)。また、別のワークショップを追加することもできます。
そして会社は全力で壁にぶつかります。 この工場はどうやって建てられたのですか？ なぜこのように構築され、他の方法では構築されなかったのでしょうか? 正確にはどのように機能するのでしょうか? なぜバット A が必要なのか、なぜワークショップ B と C がパイプラインで接続されているのか、なぜパイプラインの直径が D ではなく D なのか?
企業健忘症が進行中。 エイリアンがエイリアンのテクノロジーの助けを借りて造った巨大な機械が、巻き上げられたかのように勢いよく動き回り、ポリマーの山を生み出します。 同社はこれらの機械のメンテナンス方法についてはある程度のアイデアを持っていますが、内部でどのような驚くべき魔法が起こっているのかはまったくわかりませんし、それらがどのように作成されたのかについては誰も知りません。 一般に、人々は正確に何を調べればよいのかさえ分からず、このもつれをどちら側から解き明かすべきかも分かりません。
私たちはこの工場の建設中にすでに同社で働いていた人を探しています。 現在、彼らは高い地位に就き、エアコンの効いた別々のオフィスに座っています。 彼らには、指定されたプラントの文書を見つけるという任務が与えられます。 これはもはや企業の記憶ではなく、むしろ産業考古学に似ています。 このプラントにどのような文書が存在するのか、そもそも存在するのか、存在する場合、どのような形式で保存されているのか、何が含まれているのか、物理的にどこにあるのかは誰も知りません。 このプラントは、買収された会社の今は存在しない設計チームによって、閉鎖されたオフィスで、今は使用されていないコンピューター時代以前の手法を使用して設計されました。
彼らは、義務的に土を掘っていた子供時代を思い出し、高価なジャケットの袖をまくり上げて仕事に取り掛かります。
電子顕微鏡はどのように機能するのでしょうか? 光学顕微鏡との違いは何ですか?それらの間に類似点はありますか?
電子顕微鏡の動作は、回転対称性を持つ不均一な電界と磁界の特性に基づいており、電子ビームに集束効果をもたらします。 したがって、電子顕微鏡におけるレンズの役割は、適切に計算された一連の電場と磁場によって果たされます。 これらのフィールドを作成する対応するデバイスは「電子レンズ」と呼ばれます。
電子レンズの種類による 電子顕微鏡は磁気顕微鏡、静電顕微鏡、複合顕微鏡に分けられます。
電子顕微鏡ではどのような種類の物体を観察できますか?
光学顕微鏡の場合と同様に、物体はまず「自己発光」することができ、つまり電子源として機能します。 これは、例えば、加熱された陰極または照射された光電子陰極である。 第二に、一定の速度を持つ電子に対して「透明」なオブジェクトを使用できます。 言い換えれば、透過で動作する場合、物体は十分に薄く、電子は物体を通過して電子レンズ系に入るのに十分な速さでなければなりません。 さらに、反射電子ビームを使用することにより、巨大な物体 (主に金属や金属化されたサンプル) の表面を研究することができます。 この観察方法は反射光学顕微鏡法と同様です。
物体の研究の性質に応じて、電子顕微鏡は透過、反射、発光、ラスター、シャドウ、ミラーに分類されます。
現在最も普及しているのは、電子が観察対象物を通過することで像を作る透過型電磁顕微鏡です。 これは、照明システム、対象カメラ、焦点合わせシステム、およびカメラと蛍光スクリーンで構成される最終画像記録ユニットという主要コンポーネントで構成されます。 これらすべてのノードは互いに接続されて、いわゆる顕微鏡カラムを形成し、その内部の圧力が維持されます。 照明システムは通常、3 電極電子銃 (カソード、集束電極、アノード) とコンデンサー レンズ (電子レンズについて話しています) で構成されます。 必要な断面積と強度の高速電子ビームを形成し、それを物体室内にある研究対象の物体に向けます。 物体を通過する電子ビームは、対物レンズと 1 つまたは複数の投影レンズで構成される集束 (投影) システムに入ります。
電子顕微鏡法は、光学顕微鏡の可視範囲を超え、1 ミクロン未満 (1 μm ～ 1 ～ 5 Å) の寸法を持つ構造を研究するための方法です。
電子顕微鏡 (図) の動作は、光学顕微鏡内で光線として機能する指向性の流れの使用に基づいており、レンズの役割は磁石 (磁気レンズ) によって行われます。
研究対象のさまざまな領域がさまざまな方法で電子を保持するという事実により、電子顕微鏡の画面には、研究対象の白黒画像が生成され、何万倍、何十万倍にも拡大されます。 透過型電子顕微鏡は主に生物学と医学で使用されます。
電子顕微鏡法は 1930 年代に登場し、特定のウイルス (タバコ モザイク ウイルスとバクテリオファージ) の最初の画像が得られました。 現在、電子顕微鏡はウイルス学およびウイルス学において最も幅広い応用が見出されており、科学の新しい分野の創造につながっています。 生物対象の電子顕微鏡検査では、特別な前処理方法が使用されます。 これは、研究対象の物体 (細胞、細菌、ウイルスなど) の個々の構成要素を識別するだけでなく、電子ビーム下の高真空条件でその構造を保存するためにも必要です。 電子顕微鏡を使用して物体の外形とその表面の分子組織を研究し、超薄切片の方法を使用して物体の内部構造を研究します。
電子顕微鏡と生化学、細胞化学の研究方法、免疫蛍光、および X 線回折分析を組み合わせることで、細胞やウイルスの構造要素の組成と機能を判断することが可能になります。
1970年代の電子顕微鏡
電子顕微鏡法は、電子顕微鏡を使用して微細な物体を研究することです。
電子顕微鏡は、数オングストロームの分解能を備え、微細構造や一部の分子の微細構造を視覚的に研究できる電子光学機器です。
陰極、制御電極、陽極で構成される 3 電極銃は、光ビームに代わる電子ビームを生成する電子源として機能します (図 1)。
米。 1. 3 電極ガン: 1 - カソード; 2 - 制御電極。 3 - 電子ビーム。 4 - 陽極。
光学レンズの代わりに電子顕微鏡で使用される電磁レンズは、内側に非磁性ギャップを有する軟磁性材料で作られたシェルに囲まれた多層ソレノイドです（図2）。
米。 2. 電磁レンズ: 1 - ポールピース; 2 - 真鍮リング; 3 - 巻き上げ。 4 - シェル。
電子顕微鏡で生成される電場と磁場は軸対称です。 これらの場の作用により、物体の 1 点から小さな角度内で放出される荷電粒子 (電子) が像面内で再集合します。 電子光学系全体が電子顕微鏡カラム内に含まれています (図 3)。
米。 3. 電気光学システム: 1 - 制御電極; 2 - 最初のコンデンサのダイヤフラム。 3 - 2番目のコンデンサのダイヤフラム。 4 - 2番目のコンデンサの非点収差補正器。 5 - オブジェクト。 6 - 対物レンズ。 7 - 対物レンズ非点収差補正器。 8 - 中間レンズ非点収差補正器。 9 - 投影レンズの絞り。 10 - カソード。 11 - アノード。 12 - 最初のコンデンサ。 13 - 第二のコンデンサ。 14 - 焦点補正器。 15 - オブジェクトホルダーテーブル。 16 - レンズ絞り。 17 - セレクターダイヤフラム。 18 - 中間レンズ。 19 - 投影レンズ。 20 - スクリーン。
電子銃によって生成された電子ビームは、コンデンサーレンズの作用場に向けられます。これにより、研究対象の物体に入射するビームの密度、直径、口径を広範囲で変化させることができます。 テーブルが物体のチャンバー内に設置され、その設計により、物体が互いに垂直な方向に移動できるように設計されています。 この場合、4 mm 2 に等しい領域を順番に検査し、最も関心のある領域を選択できます。
被写体のカメラの後ろには対物レンズがあり、被写体の鮮明な画像が得られます。 また、物体の最初の拡大画像も得られ、その後の中間レンズと投影レンズの助けを借りて、全体の倍率を最大まで高めることができます。 物体の画像が電子の影響で発光するスクリーンに表示されます。 スクリーンの後ろには写真プレートがあります。 電子銃の安定性、画像の鮮明さは、他の要因（高電圧の安定性など）とともに、電子顕微鏡の鏡筒内の真空深さに大きく依存し、したがってデバイスの品質が決まります。は主に真空システム (ポンプ、ポンピングチャンネル、タップ、バルブ、シール) によって決まります (図 4)。 カラム内の必要な真空は、真空ポンプの高効率のおかげで達成されます。
機械式前真空ポンプが真空システム全体に予備真空を作り出し、その後油拡散ポンプが作動します。 両方のポンプは直列に接続されており、顕微鏡カラム内に高真空を提供します。 電子顕微鏡システムにオイルブースターポンプを導入したことにより、前部真空ポンプを長時間停止することが可能になりました。
米。 4. 電子顕微鏡の真空回路: 1 - 液体窒素で冷却されたトラップ (冷却ライン)。 2 - 高真空バルブ; 3 - 拡散ポンプ。 4 - バイパスバルブ; 5 - 小さなバッファシリンダー。 6 - ブースターポンプ; 7 - 予備真空の機械式前真空ポンプ。 8 - 四方弁; 9 - 大型バッファシリンダー。 10 - 電子顕微鏡カラム。 11 - 顕微鏡カラムへの空気入口バルブ。
顕微鏡の電気回路は、高電圧源、陰極加熱、電磁レンズ用の電源のほか、前真空ポンプの電気モーター、拡散ポンプ炉、制御パネルの照明に交流主電圧を供給するシステムで構成されています。 電源装置には非常に高い要件が課せられます。たとえば、高解像度の電子顕微鏡の場合、高電圧の不安定度は 30 秒で 5×10 -6 を超えてはなりません。
熱放射の結果として強力な電子ビームが形成されます。 V 字型のタングステン フィラメントである陰極のフィラメントの供給源は、高周波発生器です。 100 ～ 200 kHz の発振周波数で生成された電圧により、単色の電子ビームが得られます。 電子顕微鏡のレンズには、安定した一定の電流が供給されます。
米。 5. 生きた微生物を観察するための電子顕微鏡 UEMV-100B。
デバイスは 4.5 Å の分解能が保証されて製造されています (図 5)。 個々のユニークな写真では、原子サイズに近い 1.27 Å の解像度が得られました。 この場合の有用な増加は 200,000 です。
電子顕微鏡は特別な準備方法が必要な精密機器です。 生体はコントラストが低いため、薬剤のコントラストを人為的に高める必要があります。 プレパラートのコントラストを高める方法はいくつかあります。 プラチナ、タングステン、カーボンなどでプレパラートを斜めにシェーディングすることにより、電子顕微鏡写真上で空間座標系の 3 つの軸すべてに沿った寸法を決定することが可能になります。 ポジティブコントラストで、この薬は重金属の水溶性塩（酢酸ウラニル、一酸化鉛、過マンガン酸カリウムなど）と結合します。 ネガティブコントラストでは、標本は電子を通さない高密度の非晶質物質（モリブデン酸アンモニウム、酢酸ウラニル、リンタングステン酸など）の薄層に囲まれています。
ウイルスの電子顕微鏡検査 (ウイルス検査) は、ウイルスの超微細な分子内構造の研究に大きな進歩をもたらしました (参照)。 物理的、生化学的、遺伝的研究方法に加えて、電子顕微鏡の使用も分子生物学の出現と発展に貢献しました。 この新しい生物学分野の研究対象は、人間、動物、植物、細菌、マイコプラズマ細胞の超顕微鏡的な組織と機能、さらにはリケッチアとウイルスの組織です（図6）。 ウイルス、タンパク質や核酸の大きな分子（RNA、DNA）、個々の細胞断片（細菌細胞膜の分子構造など）は、金属シェーディング、ポジティブまたはネガティブコントラストなどの特別な処理を行った後、電子顕微鏡を使用して検査できます。酢酸ウラニルやリンタングステン酸、その他の化合物。
米。 6. 痘瘡ウイルスに感染したカニクイザル心臓組織培養細胞 (X 12,000): 1 - 核。 2 - ミトコンドリア。 3 - 細胞質。 4 - ウイルス。
米。 7. インフルエンザウイルス (ネガティブコントラスト (X450,000): 1 - エンベロープ; 2 - リボ核タンパク質。
ネガティブコントラスト法を使用して、規則的に配置されたタンパク質分子のグループであるカプソメアが多くのウイルスの表面で発見されました（図8）。
米。 8. ヘルペスウイルスキャプシドの表面の断片。 個々のカプソメアが表示されます (500,000 倍): 1 - 側面図。 2 - 上面図。
米。 9. ネズミチフス菌の超薄切片 (X80,000): 1 - コア。 2 - シェル。 3 - 細胞質。
バクテリアやウイルス、その他の大きな生物学的対象物の内部構造は、ウルトラトームを使用してそれらを解剖し、厚さ 100 ～ 300 Å の最も薄い切片を準備した後にのみ研究することができます。 (図9)。 生物学的対象物の固定、包埋、重合方法の改善、超微粒子化時のダイヤモンドとガラスのナイフの使用、および連続切片の染色用の高コントラスト化合物の使用のおかげで、大きいだけでなく、超薄切片を取得することが可能になりました。 、だけでなく、人間、動物、植物、細菌の最小のウイルスも含まれます。
電子顕微鏡誕生の歴史
1931 年に R. Rudenberg は透過型電子顕微鏡の特許を取得し、1932 年に M. Knoll と E. Ruska が最新の装置の最初のプロトタイプを構築しました。 E. ルスカによるこの研究は、1986 年にノーベル物理学賞を受賞しました。この賞は、彼と走査型プローブ顕微鏡の発明者であるゲルト・カール・ビニヒとハインリヒ・ローラーに授与されました。 科学研究における透過型電子顕微鏡の使用は、1930 年代後半に始まり、シーメンスによって製造された最初の商用機器が登場しました。
1930 年代後半から 1940 年代前半に、最初の走査型電子顕微鏡が登場しました。これは、小さな断面の電子プローブを物体上で連続的に移動させることによって、物体の画像を形成しました。 科学研究におけるこれらのデバイスの広範な使用は 1960 年代に始まり、このときデバイスは優れた技術を達成しました。
開発における（70 年代の）大きな進歩は、熱イオン陰極の代わりにショットキー陰極と冷陰極放出陰極を使用したことでしたが、それらの使用にははるかに高い真空が必要です。
90 年代後半から 2000 年代初頭にかけて、コンピュータ化と CCD 検出器の使用により、安定性と (比較的) 使いやすさが大幅に向上しました。
過去 10 年間、現代の高度な透過型電子顕微鏡では、球面収差と色収差 (結果として得られる画像に主な歪みが生じる) の補正装置が使用されてきましたが、それらを使用すると、装置の使用が大幅に複雑になる場合があります。
電子顕微鏡の種類
透過電子顕微鏡法
テンプレート:空白セクション
電子顕微鏡の初期図。 透過型電子顕微鏡は、高エネルギー電子ビームを使用して画像を形成します。 電子ビームは、陰極 (タングステン、LaB 6 、ショットキーまたは冷陰極電界放出) によって生成されます。 結果として得られる電子ビームは、通常 +200 keV (20 keV から 1 meV までのさまざまな電圧が使用されます) まで加速され、静電レンズ システムによって集束され、その一部がサンプル上の散乱を通過するようにサンプルを通過します。ではない。 したがって、サンプルを通過する電子ビームはサンプルの構造に関する情報を伝えます。 次に、ビームは拡大レンズのシステムを通過し、蛍光スクリーン (通常は硫化亜鉛でできている)、写真乾板、または CCD カメラ上に画像を形成します。
TEM の解像度は主に球面収差によって制限されます。 最新の TEM の中には、球面収差補正装置を備えているものもあります。
TEM の主な欠点は、非常に薄いサンプル (約 100 nm) が必要なことと、ビームの下でサンプルが不安定になること (分解) です。
透過型ラスター（走査型）電子顕微鏡（STEM）
主な記事： 透過型走査型電子顕微鏡
透過型電子顕微鏡 (TEM) のタイプの 1 つですが、TEM モードのみで動作するデバイスがあります。 電子ビームは比較的薄いサンプルを通過しますが、従来の透過型電子顕微鏡とは異なり、電子ビームはサンプル上をラスター状に移動する点に集束されます。
ラスター（走査型）電子顕微鏡検査
これは、サンプルの表面上で細い電子ビームを走査するテレビの原理に基づいています。
低電圧電子顕微鏡検査
電子顕微鏡の応用
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半導体とデータストレージ
生物学と生命科学
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科学研究
業界
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世界の主要な電子顕微鏡メーカー
こちらも参照
ノート
リンク
- 2011 年のベスト電子顕微鏡画像 15 選 推奨サイトの画像はランダムに色付けされており、科学的価値よりも芸術的価値があります (電子顕微鏡はカラーではなく白黒画像を生成します)。
ウィキメディア財団。 2010年。
他の辞書で「電子顕微鏡」が何であるかを見てください。
深真空状態で高エネルギー（30～1000keV以上）に加速された電子線を光線の代わりに使用し、物体を何倍（最大106倍）に拡大して観察・撮影する装置。 物理... 物理百科事典
物体の拡大画像を複数（最大106倍）に観察・撮影するための装置で、光線の代わりに深真空中で高エネルギー（30～100keV以上）に加速された電子線を使用します。 物理…… 物理百科事典
電子顕微鏡- （スキーム）。 電子顕微鏡は、高エネルギーに加速された電子ビームを使用して得られる物体の拡大像を何倍にも(最大106倍)に観察および撮影するための真空電子光学装置です。 図解百科事典
電子顕微鏡、電子の流れで研究対象を「照らす」顕微鏡。 通常のレンズの代わりに、電子ビームを集束させる磁石が付いています。 この装置を使用すると、非常に小さな物体を見ることができます。 科学技術事典
私たちは、起業家であり、IT スペシャリストであり、パートタイムのアマチュア デザイナーである Alexey Bragin のブログの公開を開始します。このブログでは、珍しい経験について語っています。このブログの著者は、ここ 1 年間、複雑な科学機器である走査型電子顕微鏡の修復に忙しかったのです。 - 実質的に自宅で。 Alexey が直面しなければならなかった工学的、技術的、科学的な課題と、それらにどのように対処したかについてお読みください。
ある日、友人が私に電話して、「面白いものを見つけたので持っていきたいのですが、重さは0.5トンもあります。」と言いました。 これは、JEOL JSM-50A 走査型電子顕微鏡のコラムが私のガレージに現れた様子です。 それはずっと前にどこかの研究機関から償却され、金属スクラップに運ばれました。 電子機器は失われましたが、電子光学コラムと真空部分は救われました。
装置の主要部分は保存されていたため、顕微鏡全体を保存、つまり復元して動作可能な状態にすることは可能なのかという疑問が生じました。 そして、ガレージの中で、基本的なエンジニアリングの知識と利用可能なツールのみを使用して、自分の手で？ 確かに、私はこれまでそのような科学機器を扱ったことがなく、ましてや使い方も知らなかったし、どのように機能するのか全く分かりませんでした。 しかし、古いハードウェアを正常に動作させるだけではなく、すべてを自分で理解し、科学的手法を使用してまったく新しい領域を習得できるかどうかを確認することも興味深いのです。 そこで私はガレージで電子顕微鏡の修復を始めました。
このブログでは、私がすでに達成できたことと、まだ達成できていないことについてお話します。 その過程で、電子顕微鏡の動作原理とその主要なコンポーネントを紹介し、その過程で克服しなければならなかった多くの技術的障害についても説明します。 それでは始めましょう。
私が所有していた顕微鏡を少なくとも「蛍光板に電子線で描く」状態に戻すには、次のことが必要でした。
順番に始めましょう。 今日は電子顕微鏡の動作原理についてお話します。 これらには次の 2 つのタイプがあります。
透過型電子顕微鏡
TEM は従来の光学顕微鏡と非常に似ており、研究中のサンプルにのみ光 (光子) ではなく電子が照射されます。 電子ビームの波長は光子ビームよりもはるかに短いため、大幅に高い解像度が得られます。
電子ビームは、電磁レンズまたは静電レンズを使用して集束および制御されます。 物理的相互作用の性質は完全に異なりますが、光学レンズと同じ歪み (色収差) さえあります。 ちなみに、新しい歪みも追加されます（電子ビームの軸に沿ったレンズ内の電子のねじれによって引き起こされますが、光学顕微鏡の光子ではこのようなことは起こりません）。
TEM には欠点があります。研究対象のサンプルは 1 ミクロン未満の非常に薄いものでなければならず、特に在宅で作業する場合には必ずしも便利とは限りません。 たとえば、光を通して髪を見るには、髪を縦に少なくとも 50 層にカットする必要があります。 これは、電子ビームの透過力が光子ビームよりもはるかに悪いためです。 さらに、FEM は、まれな例外を除いて、非常に扱いにくいものです。 下の写真にあるこのデバイスは、それほど大きくないようですが（人間の身長よりも高く、頑丈な鋳鉄フレームを備えています）、大きなキャビネットほどの大きさの電源も付属しています。部屋全体が必要です。
しかし、TEM は最高の解像度を持っています。 その助けを借りて（頑張れば）物質の個々の原子を見ることができます。
カルガリー大学
この解像度は、ウイルス性疾患の原因物質を特定する場合に特に役立ちます。 20 世紀のウイルス分析はすべて TEM に基づいて構築されており、一般的なウイルスを診断するための安価な方法 (たとえば、ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) など) が出現して初めて、この目的での TEM の日常的な使用は終了しました。
たとえば、H1N1 インフルエンザを「光の中で」見ると次のようになります。
カルガリー大学
走査型電子顕微鏡
SEM は主に、非常に高い解像度 (光学顕微鏡の 2,000 倍に対して 100 万倍) でサンプルの表面を検査するために使用されます。 そして、これは家庭でははるかに便利です:)
たとえば、新しい歯ブラシの個々の毛は次のようになります。
同じことが顕微鏡の電子光学コラムでも起こるはずですが、ここではスクリーンの蛍光体ではなくサンプルのみが照射され、二次電子や弾性反射電子などを記録するセンサーからの情報に基づいて画像が形成されます。 これがこのブログで説明するタイプの電子顕微鏡です。
テレビの受像管と顕微鏡の電子光学コラムは両方とも真空下でのみ動作します。 しかし、これについては次号で詳しく説明します。
（つづく）
