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一橋大学イノベーション研究センター 研究者一覧

IIR Working Paper 「政策のための科学」人材育成拠点・模擬授業

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日本学術振興会
荷電粒子ビームの工業への応用第132委員会
2009_電子光学系のシミュレーションと設計・製作
2010_CPO(荷電粒子光学国際会議)について
2013_第二回荷電粒子ビーム基礎講座
2013_静電磁界の解析法
2013_有限要素法FEMの原理


1997年鉄鋼・金属セミナー
電子顕微鏡の基本構成
電子顕微鏡の拡張機能

2013 表面分析研究会
ウィーンフィルタの分析装置 への応用

日本顕微鏡学会
2013_北海光電子ランチョンセミナー・PEEM装置の原理

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日本表面科学会
2008_放射光/表面電子顕微鏡とナノ精密材料科学シンポジウム

2012表面科学会発表・PEEM

2012_北海光電子ランチョンセミナー・PEEM装置の紹介

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新しい光電子顕微鏡PEEMの開発とその特徴

Voltex Electron Beam 第一回 軌道角運動量を持つ電子ビームに関する研究会 2014_q-filter_VoltexBeam_KyotoUniv

菅製作所・PEEM PEEM装置プレリリース

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光電子顕微鏡myPEEMプレリリース

EOS津野の電子光学講座にようこそ。

EOS津野の
電子光学講座
電子光学は、電子ビームを光のように使っていろいろな光学機能を実現する学問です。 電子顕微鏡の電子銃、電子レンズや、分析装置のエネルギーフィルタやモノクロメータ、電子線リソグラフィー装置、 半導体検査装置などがあります。特殊なものではスピン回転器や、ビームセパレータなどもあります。 イオンビームを用いる分析装置や、加工装置とあわせて、荷電粒子光学とも呼ばれます。ここでは、 主として電子の場合についていろいろな光学機器で使われている光学の原理をやさしく解説します。

その他の電子光学機器

電子レンズ

.電子顕微鏡レンズの種類
.電子顕微鏡レンズのいろいろ
.電子顕微鏡用レンズシミュレーション
.平行ビームの生成・ケーラー照明
.TEM/STEM用レンズのCs
.静電レンズ
.SEM開発の初期
.SEM用対物レンズ
.SEM用減速レンズ
.LEEM/PEEM用レンズ
.静電レンズ

走査型電子顕微鏡SEMの電子光学

.SEMの対物レンズ1
1. 電子銃とレンズの関係
2. 検出器と対物レンズの関係
3. 磁場浸潤型レンズとスルーザレンズ検出器
.SEMの対物レンズ2
4. 低加速SEMを実現するリターディング

.SEM用対物レンズ
.SEM用減速レンズ
.二次電子の発生と軌道
.SEMの二次電子軌道計算1
収差補正 .(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
4極子による色収差Cc補正
電磁場4極子によるCc補正
減速電場4極子のCc補正
Wien Correctorによる補正
HexapoleによるCs補正
MirrorによるCs、Cc補正
ウィーンフィルタ
.Wien Filter 開発の歴史
.Andersen型二段コイル
.トロイダルコイル
.3. 多極子空芯コイル
.4. 多極子サドルコイル
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.一橋大学イノベーション研究センター
.サイエンスイノベーションとしてのウィーンフィルタ

光電子顕微鏡PEEM

第一章. 光電子顕微鏡PEEMとはどんな装置か
第二章. myPEEMはどのようなPEEMか
第三章. 光電子分光について
. スピン回転器
.ビームセパレータ

.偏向器とスティグメータ .

電子線アナライザ

.アナライザの分類
.イメージングフィルタ
.CDA127
.SDA180(HDA)
.半球アナライザ
.TOFと磁気ボトルを使った光電子分光

EOS津野で扱っている電子光学機器

EOS津野の電子光学講座
電子を光のようにレンズで収束したり、プリズムで曲げたり、鏡のように反射させたりして使うための 学問が電子光学です。電子を使うと光に比べてどんな利点があるかと言いますと、まず、波長が短いことがあげられます。光の波長 は、数百ナノメートル。でも、電子の波長はその速度によっても違いますが、その1/1000か、もっと小さいのです。原子 一個の大きさよりももっと小さな波長を持っています。このため、光の顕微鏡が持っている波長限界による観察可能倍率 の上限(約1000倍)に比べ、波長による倍率限界はなくなります。短い波長の光であるX-線で行われている物質の構造解析 の仕事をずっと小さい、ミクロやナノの大きさで実現できます。

電子やイオンはまた、電荷を持っています。電場や磁場を使っていろいろ電子ビームをコントロールすることが出来ます。 電子は光に比べて、物質との相互作用が強力です。イオンを使えば、物質の分析だけでなく、加工も出来ます。穴を開け たり、ミクロやナノのサイズでいろいろな形に削り出したり、別の物質を持ってきてはめ込んだり出来ます。

このように便利な電子やイオンビームの欠点は、それらが真空中でしか扱えないことです。顕微鏡として使うとき、 生きたものを観察することが出来ません。色もありません。ただ、色については、原理的に不可能というわけではありま せん。光の色がその波長の違いを反映したものとすれば、電子ビームも波長の違いを持っていますから、その違いで色 付けすることが出来ます。真空についても、電子線そのものは真空中を通しても、対象物は空気中においてそこにこれらの ビームを当てる手法も開発されています。

電子光学は真空中を走る電子の運動を記述するものですから、物質中の電子の動きを問題にする固体物理などと比べて、物理の中では 一番簡単な分野であるとも考えられます。 電子工学と呼ばれている学問分野では、固体中の電子が問題にされていますから、固体との相互作用でバンド理論 といった難しい考えを適用しなければなりません。真空中の電子の運動は、ニュートンの運動方程式が厳密に成り 立ちます。これと電場と電子の相互作用の力やローレンツ力などとの釣り合いを考えるだけでよいのです。

ここでは、電場や磁場と電子の相互作用を利用した物質の分析装置や電子レンズやその収差を補正する収差補正装置 などの原理について、言葉によって理解できるようにしたいと考えています。

この種の学問は普通、数式を用いて記述されます。また、数値シミュレーションが広く行われています。装置を 実際に作るためには数式を解いたり、数値シミュレーションをすることも必要ですが、原理を良く理解せず計算を行うと 奇妙なものが出来上がります。それでも装置は動きますし、生命に危険を及ぼすようなものでないために、原理的に おかしな設計も見過ごされがちです。ここでは、いろいろな電子光学機器を言葉や図で理解することによって、 本当の意味で分かったと言える状態で装置の設計にかかれるようお手伝いしたいと考えています。


エネルギー分析装置

電子の進行方向に直交して 電場を加えると、電子は負のチャージを持っていますので、プラスの電極のほうに曲がります。磁場 に対してはもう少し複雑で、電子はその進行方向と磁場の方向のいずれとも直交する方向に力を受けます。 これらの三つの間の向きの関係を示したのが学校で勉強したフレミングの法則です。この力の大きさは電子の 速度やエネルギーによって違ってきますから、電子の進行方向に直交した電場や磁場は電子のエネルギー 分析装置として利用されています。ここでは、いろいろな電子のエネルギー分析装置もご紹介しています。


電子レンズ
レンズは光学の基本です。電子に対してレンズ作用を行うのは電場と磁場です。 エネルギー分析装置に比べて、電子レンズはもう少し複雑になります。場は電子の進行方向に平行に加えられるからです。 電子が力を受けるのは、直交した成分からですからその関係が分かりにくくなります。イオンを分析するアイソトープ セパレーターなどが20世紀の初めに発明されていたのに対し、電子レンズの理論と電子顕微鏡の発明は1930年代でした。
しかし、レンズの作る場は軸対称になりますので、コンピューターの 性能に制約のあった1970年代80年代でも本格的なシミュレーションができるようになりました。そして、電子顕微鏡の 性能が大幅に向上することとなりました。これに比べ、原理的には簡単な質量分析器や、エネルギーアナライザのコンピューター 解析が本格的に行われるようになったのは、1990年代以降のこととなります。


収差補正
ガラスのレンズでは凸レンズも凹レンズもあります。しかし、電子に対するレンズは凸レンズしかないことが知られてい ます。正確に言うと、丸いレンズ(軸対称レンズ)では凸レンズしかないことが知られています。これをシェルツァーの 法則といいます。

どうして、電子レンズには凸レンズしかないのか。その理由をここで定性的に説明します。 次の収差補正のページ を見てください。しかし、このレンズが軸対称では負の収差が作れないという表現は、不正確でした。本当は、電場や 磁場が軸対称では負の収差を持つレンズが作れないと表現しなければいけませんでした。この誤解のために、収差補正は 回り道をしました。場が軸非対称でありながら、電子軌道が軸対称で、したがって軸対称な負の収差だけを作ってくれる 収差補正器こそが最も使いやすい収差補正器となるのです。10000-9999=1ですが、これは2-1=1に比べて実現するのが 大変難しくなります。大きな三角形の収差どおしの引き算をすると、小さな負の球面収差や負の色収差が残るので、 これを収差補正に利用するという考えから、大きな三角の収差は作らないで直接負の球面収差、色収差を作る 方向に少なくとも原理的研究は向かっています。


電子線偏向器・非点補正器
電子線分析装置にしろ、電子レンズにしろ、それを装置として組み立てて使おうとした場合、どうしても電子線を 装置の真ん中に入れてやる、あるいはまっすぐに入れてやるという軸合わせの操作が必要になります。これを 機械的にだけ行おうとすると、大変な作業になってしまいます。また、ビームは電子源から出たときには、 丸いビームであっても、途中で歪んで楕円形になったりしています。このようなビームを調整して、正しく レンズなり、分析装置なりに入れてやるのが、電子ビームの偏向装置であり、非点補正装置です。

この偏向装置は、実は電子ビームの大きな先輩でありながら今は消えてしまった真空管やテレビのブラウン管などで 大きな発展を遂げました。我々の扱っている電子光学はこれらの古い遺産を利用すれば新しい展開ができます。 電子線装置に携わっている人の数は、かつてテレビのブラウン管に携わった人の数に比べれば圧倒的に少ないのです。 幸い、最近は古い文献がデジタルで取り込まれ、インターネット上に公開されるようになってきています。 ただ、文献は新しいものはもちろんデジタルで公開されていますが、古いものは古い順にデジタルに取り込まれているようで、 ちょうど必要な年代のものはまだという段階にあるかもしれません。

コンタクト・質問は、こちらまで♪EOS津野"tsuno6@hotmail.com"
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作成日 2011/09/09

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EOST Products
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Aberration Correction
Wien aberration corrector
Festschrift
On the occasion of the 60th birthday of Professor Dr. Erich Plies pp. 147-154.


Monochromator & Analyzers
Omega filter
Various Monochromators
8th Int. Conf. Charged Particle Optics,2010July12-16, Singapore, Abstract pp.55-56.
Recent Pater
Monochromators in Electron Microscopy

Elsevier Advances in Imaging and Electron Physics
The Wien Filter vol. 176

ISSS6 International Symposium
2011_HokkaiPEEM Co. Ltd. PEEM production