電子線マイクロアナライザ

電子線マイクロアナライザ（EPMA）とは

電子線マイクロアナライザ（Electron Probe Micro Analyzer, EPMA）は、電子線を試料に照射することで発生する特性X線を分析し、試料の元素組成を調べるための装置です。電子顕微鏡にX線検出器を付加した分析装置と似ていますが、EPMAは元素分析に特化しており、より高い精度での定量分析が可能です。

EPMAの原理

EPMAは、電子銃から放出された電子線を加速し、磁場レンズで集束して微小なビームとして試料に照射します。この電子線と試料を構成する原子との相互作用により、各元素に固有の特性X線が発生します。この特性X線を検出・分析することで、試料の元素組成を調べることができます。試料表面のごく浅い部分（深さ1μm程度）の情報を得ることができ、水平方向の空間分解能は、従来の1μm程度から電界放出型電子銃を用いることで100〜200nmまで向上しています。

EPMAの特徴

定量分析: 波長分散型X線分光器（WDS）を使用することで、エネルギー分散型X線分光器（EDS）よりも高精度な定量分析が可能です。ただし、検出効率は低く、高い照射電流が必要となります。
微小領域分析: 10〜30立方マイクロメートル程度の微小領域の分析が可能で、ホウ素からプルトニウムまでの幅広い元素を100ppmを下限とする検出感度で定量できます。
多機能性: 二次電子像や反射電子像による観察と組み合わせることで、試料の形態と組成を同時に解析できます。

EPMAの歴史

EPMAの起源は、蛍光X線分光器（XRF）の分析技術に遡ります。1923年にゲオルク・ド・ヘヴェシーが蛍光X線分析を提案しましたが、その後しばらくの間はあまり普及しませんでした。1944年にはミットが電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光計を組み合わせた電子マイクロプローブを開発し、軽元素分析に道を開きました。1947年にはヒラーが特性X線を利用するアイデアの特許を取得しましたが、実際に装置を製作することはありませんでした。その後、1948年から1950年にかけて、レイモンド・キャスティングがパリ大学で最初の電子マイクロプローブを完成させました。彼は、X線を検出するためにガイガーカウンターを使用しましたが、元素を区別することができませんでした。そこで、1950年には水晶を用いてX線の波長を識別する方法を確立し、さらに光学顕微鏡を組み込んでビーム照射位置を観察できるようにしました。キャスティングは、マトリックス補正の理論的枠組みを確立し、1951年に博士論文で定量分析の基礎を築きました。この業績から、キャスティングは電子微小分析の「父」と呼ばれています。

1956年には、CAMECA社が最初の商用EPMA「MS85」を発売しました。その後、多くのメーカーがEPMAを開発・販売しましたが、現在ではCAMECA、JEOL、島津製作所などが主なメーカーとなっています。近年では、装置の小型化も進んでいます。

EPMAの原理の詳細

電子銃から放出された電子は、3から30keVまで加速されます。加速された電子は、磁気レンズによって集束され、直径5nmから10μmの電子ビームとして試料に照射されます。電子ビームが試料に照射されると、様々な現象が発生します。その中の一つが、特性X線の発生です。この特性X線は、元素固有の波長を持つため、分析に用いられます。波長分散型X線分光器（WDS）またはエネルギー分散型X線分光器（EDS）を用いて特性X線を検出し、化学分析を行います。WDSは分光結晶を利用して特定の波長のX線を選択的に検出し、EDSは半導体検出器を用いてすべての波長のX線を同時に検出します。WDSは高精度な分析が可能ですが、EDSはより短時間で多くの情報を得られます。

化学組成は、既知の組成を持つ標準試料から得られた特性X線強度と、試料から得られた特性X線強度とを比較することで決定します。このようにして得られた化学組成の情報は、試料表面の組織構造とともに解析されます。

EPMAの応用分野

EPMAは、その高い分析能力から、様々な分野で活用されています。

材料科学とエンジニアリング: 金属、合金、セラミック、ガラスなどの化学組成分析に用いられます。特に、数マイクロメートルから数ミリメートルのスケールでの粒子や結晶粒の組成や化学変化の評価に役立ち、研究、品質管理、不良解析に広く利用されています。
鉱物学と岩石学: 岩石を構成する鉱物粒子の化学組成分析に用いられます。鉱物粒子は、その形成過程や後の変化に関する化学情報を保持しており、結晶化、続成作用、火山活動、変成作用などの地質学的プロセスを解明する上で重要な役割を果たします。また、隕石などの地球外物質の研究にも利用され、惑星や小惑星の進化を理解するための化学データを提供します。
古生物学: バージェス頁岩のように軟組織が保存された化石の分析にも用いられます。化石の薄膜構造を元素マッピングにより分析することで、生物器官の構造や機能を推定することができます。

EPMAは、微小領域の元素組成を精密に分析する強力なツールとして、様々な分野で重要な役割を果たしています。

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