JP2002518808A - 透過型電子顕微鏡のｃｃｄカメラ - Google Patents
透過型電子顕微鏡のｃｃｄカメラInfo
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Classifications
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/22—Optical, image processing or photographic arrangements associated with the tube
- H01J37/224—Luminescent screens or photographic plates for imaging; Apparatus specially adapted therefor, e. g. cameras, TV-cameras, photographic equipment or exposure control; Optical subsystems specially adapted therefor, e. g. microscopes for observing image on luminescent screen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
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- H01J2237/26—Electron or ion microscopes
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- Measurement Of Radiation (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
高電圧電子顕微鏡のＣＣＤカメラ（１２）の性能を改善するために、電子減速器（１４）が顕微鏡の柱状部とＣＣＤ（１２）との間に挿入される。この構成は、顕微鏡の光学系の最適化及びビームの標本との相互作用の最適化を維持しつつ、ＣＣＤカメラ（１２）のシンチレータ（４６）との電子ビームの相互作用を最適化する。標本とカメラとの間の電子ビームエネルギーを変化させることにより、両者を最適化することができる。
Description
【０００１】
本発明は、一般的に荷電結合素子（ＣＣＤ）カメラに関し、特に透過型電子顕
微鏡（ＴＥＭ）において使用されるＣＣＤカメラに関する。
微鏡（ＴＥＭ）において使用されるＣＣＤカメラに関する。
【０００２】
電子顕微鏡において低速スキャンＣＣＤが広く使用されるようになっており、
ある状況ではそれらは直接的なディジタル読み取りの明確な長所と共に、写真フ
ィルムに対するデータ品質の改善をもたらす。しかし、より一般的な１００kV顕
微鏡と比較すると、ＣＣＤの性能は、３００〜４００kVで動作する中間電圧電子
顕微鏡（ＩＶＥＭ）において大きく低下する。ＩＶＥＭはより広く使用されるよ
うになっているので、ＣＣＤカメラの低い性能は制限的である。
ある状況ではそれらは直接的なディジタル読み取りの明確な長所と共に、写真フ
ィルムに対するデータ品質の改善をもたらす。しかし、より一般的な１００kV顕
微鏡と比較すると、ＣＣＤの性能は、３００〜４００kVで動作する中間電圧電子
顕微鏡（ＩＶＥＭ）において大きく低下する。ＩＶＥＭはより広く使用されるよ
うになっているので、ＣＣＤカメラの低い性能は制限的である。
【０００３】 現在まで、高エネルギー電子を伴なうＣＣＤの性能は写真フィルムのそれより
大きく劣っており、多くの生物学的応用における映像記録のためにＣＣＤを使用
することは現実的ではなかった。タンパク質の高解像度電子結晶学や細胞の超微
細構造の断層撮影研究のために必要とされるような高品質映像データはＣＣＤカ
メラでは直接収集することができない。
大きく劣っており、多くの生物学的応用における映像記録のためにＣＣＤを使用
することは現実的ではなかった。タンパク質の高解像度電子結晶学や細胞の超微
細構造の断層撮影研究のために必要とされるような高品質映像データはＣＣＤカ
メラでは直接収集することができない。
【０００４】 電子顕微鏡の電圧を上げることは多数の利益がある。加速電圧が増加すると、
弾性的及び非弾性的錯乱断面が減少し、より厚い標本を使用可能となる。これは
、大型分子又は集合の凍結水和前処理や３次元表示のための断層撮影により研究
される埋込部分については特に重要である。また、映像解析及び処理の多くにつ
いて不可欠である単一錯乱近似は電圧の増加により改善され、そのデータは標本
をより良く表示する。時間干渉性の包括線関数が改善され、定期的に高解像度を
得ることが容易になる。フィールドの深さが大きくなれば、焦点に近い傾斜標本
の領域は大きくなる。回折制限スポットサイズはより小さくなり、点走査イメー
ジングをより小さい照明スポットで行うことができる。点走査イメージングによ
る集束傾斜補正は、確実にイメージ全体を本質的に同一の集束とするであろう。
銃の輝度がより高く、干渉性及び／又は露光時間に改善をもたらす。これらの各
因子は増加的な改善をもたらし、全体的としての相違は相当大きい。実際、顕微
鏡製造者に依然として中間及び高電圧顕微鏡の改善を行わしめているのはこの因
子の組み合わせであり、“ルーチン”顕微鏡と考えられる電圧は増加し続ける。
弾性的及び非弾性的錯乱断面が減少し、より厚い標本を使用可能となる。これは
、大型分子又は集合の凍結水和前処理や３次元表示のための断層撮影により研究
される埋込部分については特に重要である。また、映像解析及び処理の多くにつ
いて不可欠である単一錯乱近似は電圧の増加により改善され、そのデータは標本
をより良く表示する。時間干渉性の包括線関数が改善され、定期的に高解像度を
得ることが容易になる。フィールドの深さが大きくなれば、焦点に近い傾斜標本
の領域は大きくなる。回折制限スポットサイズはより小さくなり、点走査イメー
ジングをより小さい照明スポットで行うことができる。点走査イメージングによ
る集束傾斜補正は、確実にイメージ全体を本質的に同一の集束とするであろう。
銃の輝度がより高く、干渉性及び／又は露光時間に改善をもたらす。これらの各
因子は増加的な改善をもたらし、全体的としての相違は相当大きい。実際、顕微
鏡製造者に依然として中間及び高電圧顕微鏡の改善を行わしめているのはこの因
子の組み合わせであり、“ルーチン”顕微鏡と考えられる電圧は増加し続ける。
【０００５】 生物学的応用においては、高電圧顕微鏡は当初は厚い標本の高い浸透のための
みに使用されていた。３００〜４００kVで動作する安定的なＩＶＥＭが高解像度
タンパク質構造の作業にも使用される。カメラの解像度は現在のＩＶＥＭの使用
においては制限因子として残っている。多くの潜在的応用、例えば結晶学や単一
分子構造の研究などにおいて、ディジタル化及び高解像度ＣＣＤ計装化は構造の
研究のために非常に有益であろう。
みに使用されていた。３００〜４００kVで動作する安定的なＩＶＥＭが高解像度
タンパク質構造の作業にも使用される。カメラの解像度は現在のＩＶＥＭの使用
においては制限因子として残っている。多くの潜在的応用、例えば結晶学や単一
分子構造の研究などにおいて、ディジタル化及び高解像度ＣＣＤ計装化は構造の
研究のために非常に有益であろう。
【０００６】
電子顕微鏡検査は、データ収集と処理技術の改善により高度化される。データ
収集効率を大きく改善することができる進歩は、ＣＣＤカメラの全能力の電子顕
微鏡検査への発展である。低速スキャンＣＣＤが使用され、いくつかの例ではデ
ータ収集については完全に写真フィルムの代わりとなっている。特に１００kVの
顕微鏡では、ＣＣＤは少なくともフィルムと同程度であることが示唆されている
。しかし、事実上はＣＣＤ性能の全ての定量的分析は、ＣＣＤで収集されたデー
タの質が特定のシステム特性によって低下することを示している。このことはど
の電圧でも当てはまるが、電圧の増加により問題は増大する。特に影響があるの
が点広がり関数であり、それはシンチレータ内の電子の散乱（横方向ストラグリ
ング）により拡大される。この問題は高電圧で特に悪化し、それは中間電圧電子
顕微鏡の１つの欠点とされる。けれども、高電圧の長所の数を考えると、ＩＶＥ
Ｍは構造研究のための非常に好ましい機器であろう。
収集効率を大きく改善することができる進歩は、ＣＣＤカメラの全能力の電子顕
微鏡検査への発展である。低速スキャンＣＣＤが使用され、いくつかの例ではデ
ータ収集については完全に写真フィルムの代わりとなっている。特に１００kVの
顕微鏡では、ＣＣＤは少なくともフィルムと同程度であることが示唆されている
。しかし、事実上はＣＣＤ性能の全ての定量的分析は、ＣＣＤで収集されたデー
タの質が特定のシステム特性によって低下することを示している。このことはど
の電圧でも当てはまるが、電圧の増加により問題は増大する。特に影響があるの
が点広がり関数であり、それはシンチレータ内の電子の散乱（横方向ストラグリ
ング）により拡大される。この問題は高電圧で特に悪化し、それは中間電圧電子
顕微鏡の１つの欠点とされる。けれども、高電圧の長所の数を考えると、ＩＶＥ
Ｍは構造研究のための非常に好ましい機器であろう。
【０００７】 文献の再調査は、ＩＶＥＭにおいてＣＣＤを使用する可能性について、どちら
かといえば不利な状況を与える。Daberkow et al.の"Development and performa
nce of a fast fibre-plate coupled CCD camera at medium energy and image
processing system for electron holography", Ultramicroscopy 64, 35-48 (1
996) は、１００〜３００kVで起きる検出量子効率（ＤＱＥ）の急激な低下を示
す計算及び測定を提示している。ＤＱＥの損失は厚いシンチレータによってある
程度防止することができるが、それはかなり広い点広がり関数（ＰＳＦ）を犠牲
にする場合のみである；例えば、３００kVで０．５を超えるＤＱＥを提供するあ
らゆる条件においてＰＳＦは６０μｍより広い。その状況は２００kVの場合より
悪くはないが、それでも１００kVよりはかなり悪い。Faruqi et al.の"A high s
ensitivity imageing detector for electron microscopy" Nucl. Instum. & Me
thods in Phys. Res. A 367, 408-412 (1995)も、感度を改善するために厚いシ
ンチレータを使用したが、１２０kVでも５０μｍ（ＦＷＨＭ）をゆうに超えるＰ
ＳＦを得た。Weickenmeier et al.の"Quantitative characterization of point
spread function and detection quantum efficiency for a YAG scintillator
slow scan CCD camera" Optik 99, 147-154(1995) は、ＣＣＤシステムの変調
用変成機能（ＭＴＦ）を測定し、それは１２０kVでも０．２未満であった。DeRu
ijterの"Imaging properties and applications of slow-scan charge-coupled
device cameras suitable for electron microscopy" Micron 26, 247-275 (199
5)は１００と３００kVの動作を比較し、高電圧ではＭＴＦ内で２の因数の損失を
示し、またいくつかのＭＴＦ測定を例外的に有利とした別のノイズソースについ
ての良好な議論を提供している。主たる問題は、入射電子ごとの光子の広パルス
高さ分布からなどのシンチレータ内のノイズがＭＴＦによって弱まらず、よって
高い空間周波数においてパワースペクトルに有限の増幅度を加えることである。
入力のフーリエ変換又は自己相関のみに基づくＭＴＦ測定は、ノイズソースによ
って高い値へバイアスされる。Van Zwet とZandbergenの"Measurement of the m
odulation transfer function of a slow-scan CCD camera on a TEM using a t
hin amorphous film as test signal" Ultramicroscopy 64, 49-55(1996)は、異
なる手法により行われたＭＴＦ測定の相違を示す。Sherman et al.の"Performan
ce of a slow-scan CCD camera for macromolecular imageing in a 400kV elec
tron cryomicroscope" Micron 27, 129-139 (1996)は、最も好ましいものである
が、それでもフィルムと比較すると高解像度で信号及び信号対雑音比の両方の大
きな損失を示す。
かといえば不利な状況を与える。Daberkow et al.の"Development and performa
nce of a fast fibre-plate coupled CCD camera at medium energy and image
processing system for electron holography", Ultramicroscopy 64, 35-48 (1
996) は、１００〜３００kVで起きる検出量子効率（ＤＱＥ）の急激な低下を示
す計算及び測定を提示している。ＤＱＥの損失は厚いシンチレータによってある
程度防止することができるが、それはかなり広い点広がり関数（ＰＳＦ）を犠牲
にする場合のみである；例えば、３００kVで０．５を超えるＤＱＥを提供するあ
らゆる条件においてＰＳＦは６０μｍより広い。その状況は２００kVの場合より
悪くはないが、それでも１００kVよりはかなり悪い。Faruqi et al.の"A high s
ensitivity imageing detector for electron microscopy" Nucl. Instum. & Me
thods in Phys. Res. A 367, 408-412 (1995)も、感度を改善するために厚いシ
ンチレータを使用したが、１２０kVでも５０μｍ（ＦＷＨＭ）をゆうに超えるＰ
ＳＦを得た。Weickenmeier et al.の"Quantitative characterization of point
spread function and detection quantum efficiency for a YAG scintillator
slow scan CCD camera" Optik 99, 147-154(1995) は、ＣＣＤシステムの変調
用変成機能（ＭＴＦ）を測定し、それは１２０kVでも０．２未満であった。DeRu
ijterの"Imaging properties and applications of slow-scan charge-coupled
device cameras suitable for electron microscopy" Micron 26, 247-275 (199
5)は１００と３００kVの動作を比較し、高電圧ではＭＴＦ内で２の因数の損失を
示し、またいくつかのＭＴＦ測定を例外的に有利とした別のノイズソースについ
ての良好な議論を提供している。主たる問題は、入射電子ごとの光子の広パルス
高さ分布からなどのシンチレータ内のノイズがＭＴＦによって弱まらず、よって
高い空間周波数においてパワースペクトルに有限の増幅度を加えることである。
入力のフーリエ変換又は自己相関のみに基づくＭＴＦ測定は、ノイズソースによ
って高い値へバイアスされる。Van Zwet とZandbergenの"Measurement of the m
odulation transfer function of a slow-scan CCD camera on a TEM using a t
hin amorphous film as test signal" Ultramicroscopy 64, 49-55(1996)は、異
なる手法により行われたＭＴＦ測定の相違を示す。Sherman et al.の"Performan
ce of a slow-scan CCD camera for macromolecular imageing in a 400kV elec
tron cryomicroscope" Micron 27, 129-139 (1996)は、最も好ましいものである
が、それでもフィルムと比較すると高解像度で信号及び信号対雑音比の両方の大
きな損失を示す。
【０００８】
本発明は、高電圧ＴＥＭにおいて使用するためのＣＣＤカメラの適応化であり
、その高電圧ＴＥＭでは、電子はＣＣＤカメラに衝突する前に１００kV程度まで
減速される。ＣＣＤは、高電圧隔離装備内の減速器の下に高電圧でフロートされ
る。この構成は、電子がそのエネルギーを堆積するシンチレータの容積を大きく
減少させることにより、信号レベルと解像度の両方において大きな改善を可能と
する。非常に薄い高効率なシンチレータ材料、例えば真空蒸着したCsIを使用す
ることにより、更なる改善が得られる。
、その高電圧ＴＥＭでは、電子はＣＣＤカメラに衝突する前に１００kV程度まで
減速される。ＣＣＤは、高電圧隔離装備内の減速器の下に高電圧でフロートされ
る。この構成は、電子がそのエネルギーを堆積するシンチレータの容積を大きく
減少させることにより、信号レベルと解像度の両方において大きな改善を可能と
する。非常に薄い高効率なシンチレータ材料、例えば真空蒸着したCsIを使用す
ることにより、更なる改善が得られる。
【０００９】 本発明のＣＣＤカメラは、ビームの標本との相互作用においてＩＶＥＭの全て
の形態を利用するが、高電圧電子によるＣＣＤの制限を克服するものである。こ
の発展は、多くの生理学的応用においてＣＣＤカメラを非常に便利なものとする
。もちろん、その利益は、それが最も劇的な改善が見られるところではあるもの
の、低線量の作業に限定されない。
の形態を利用するが、高電圧電子によるＣＣＤの制限を克服するものである。こ
の発展は、多くの生理学的応用においてＣＣＤカメラを非常に便利なものとする
。もちろん、その利益は、それが最も劇的な改善が見られるところではあるもの
の、低線量の作業に限定されない。
【００１０】
この透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の荷電結合素子（ＣＣＤ）カメラは、顕微鏡
の倍率を伴うことなく記録イメージの解像度を改善する。顕微鏡の倍率を増加さ
せることは、解像度を上げるためには満足できない方法である。なぜなら、それ
は、倍率を上げることにより、より少数の分子又は標本のより小さい領域が所定
のサイズのＣＣＤチップ上に記録されることになり、標本の一部分を他の一部分
と関係付ける能力を制限するからである。このカメラは、一連のレンズ電極を使
用してＴＥＭ電子をそれらがＣＣＤカメラのシンチレータに入る前に約１００ｋ
Ｖまで減速する。これは、ＣＣＤチップへ到達するノイズ成分を大幅に減少させ
る。ＴＥＭのＣＣＤカメラは、透過型電子顕微鏡に近接配置された電子減速器と
、減速器の低エネルギー側のＣＣＤカメラとを含む。減速器は、電気的絶縁体に
より分離された複数のレンズ電極と、電極へ電圧を提供する手段と、を含む。カ
メラは、シンチレータ材料、ＣＣＤチップ、シンチレータにより発生した光子を
ＣＣＤチップへ透過するために配置された光ファイバ材料、及び、電気信号をイ
メージに変換可能なＣＣＤチップに接続されたエレクトロニクスを含む。
の倍率を伴うことなく記録イメージの解像度を改善する。顕微鏡の倍率を増加さ
せることは、解像度を上げるためには満足できない方法である。なぜなら、それ
は、倍率を上げることにより、より少数の分子又は標本のより小さい領域が所定
のサイズのＣＣＤチップ上に記録されることになり、標本の一部分を他の一部分
と関係付ける能力を制限するからである。このカメラは、一連のレンズ電極を使
用してＴＥＭ電子をそれらがＣＣＤカメラのシンチレータに入る前に約１００ｋ
Ｖまで減速する。これは、ＣＣＤチップへ到達するノイズ成分を大幅に減少させ
る。ＴＥＭのＣＣＤカメラは、透過型電子顕微鏡に近接配置された電子減速器と
、減速器の低エネルギー側のＣＣＤカメラとを含む。減速器は、電気的絶縁体に
より分離された複数のレンズ電極と、電極へ電圧を提供する手段と、を含む。カ
メラは、シンチレータ材料、ＣＣＤチップ、シンチレータにより発生した光子を
ＣＣＤチップへ透過するために配置された光ファイバ材料、及び、電気信号をイ
メージに変換可能なＣＣＤチップに接続されたエレクトロニクスを含む。
【００１１】 近接する画素をビンニング（binning）して広いＰＳＦを保証することは、標
本領域を増加させるので有用ではない。縮小を伴うレンズカップリング、光ファ
イバの減少、及びシンチレータを薄くすることを含む広いＰＳＦを克服するため
の方法としての画素ビンニングの代わりは、いずれもＣＣＤへ結合する十分な光
を提供して適当な信号を保証することができない。高電圧で作られた広パルス高
さスペクトルにより導入されるノイズは、ＤＱＥを大きく低下させ、４００kVで
フィルムより劣る性能につながる。これらは、高電圧におけるＣＣＤカメラ性能
の本質的制限である。本発明のＣＣＤカメラで使用される１つの解決策は、ＣＣ
Ｄを顕微鏡のＨＶの下に５０〜２００kV程度で浮かせることである。これは現在
より多くの信号を利用可能とし、シンチレータ内の点広がり関数はＣＣＤの画素
サイズより小さくなる。
本領域を増加させるので有用ではない。縮小を伴うレンズカップリング、光ファ
イバの減少、及びシンチレータを薄くすることを含む広いＰＳＦを克服するため
の方法としての画素ビンニングの代わりは、いずれもＣＣＤへ結合する十分な光
を提供して適当な信号を保証することができない。高電圧で作られた広パルス高
さスペクトルにより導入されるノイズは、ＤＱＥを大きく低下させ、４００kVで
フィルムより劣る性能につながる。これらは、高電圧におけるＣＣＤカメラ性能
の本質的制限である。本発明のＣＣＤカメラで使用される１つの解決策は、ＣＣ
Ｄを顕微鏡のＨＶの下に５０〜２００kV程度で浮かせることである。これは現在
より多くの信号を利用可能とし、シンチレータ内の点広がり関数はＣＣＤの画素
サイズより小さくなる。
【００１２】 モンテカルロ電子散乱計算は、シンチレータへ入射するビームエネルギーを減
少させることの長所（又は、一般的な高電圧動作の欠点）を示している。図１Ａ
〜１Ｃは、５０、１００及び３００kVの電子について、シリコン光ファイバ８上
のＹＡＧシンチレータ６内の電子軌跡の計算を示す。これは平均的な電子軌道を
正確に与えるわけではないが、５０μｍの層でさえ、３００kVの電子エネルギー
をほとんど停止することができないことが容易にわかる。停止パワーテーブルに
基づく推定は、ＹＡＧ内で約２０kVが吸収されるというものである。３００kVの
電子は、ＹＡＧ内でいくつかのＣＣＤ画素（２４μｍの画素間隔）に対応する範
囲にわたって錯乱するが、光ファイバ内を移動し、ＹＡＧ中でバックアップされ
る電子により、点広がり関数の幅に対するより大きな貢献が発生する。１０％程
度の入射電子が、しばしば入射位置から１０画素の距離でＹＡＧへ散乱して戻る
。一方、低エネルギー電子についての停止パワーは、全ての電子がシンチレータ
の薄い層内で停止し、横方向の広がりは１画素未満であるというものである。こ
の劇的な改善は、シンチレータ及びＣＣＤの性能と良好に適合した高電圧にＣＣ
Ｄをフロートさせることに基づいている。
少させることの長所（又は、一般的な高電圧動作の欠点）を示している。図１Ａ
〜１Ｃは、５０、１００及び３００kVの電子について、シリコン光ファイバ８上
のＹＡＧシンチレータ６内の電子軌跡の計算を示す。これは平均的な電子軌道を
正確に与えるわけではないが、５０μｍの層でさえ、３００kVの電子エネルギー
をほとんど停止することができないことが容易にわかる。停止パワーテーブルに
基づく推定は、ＹＡＧ内で約２０kVが吸収されるというものである。３００kVの
電子は、ＹＡＧ内でいくつかのＣＣＤ画素（２４μｍの画素間隔）に対応する範
囲にわたって錯乱するが、光ファイバ内を移動し、ＹＡＧ中でバックアップされ
る電子により、点広がり関数の幅に対するより大きな貢献が発生する。１０％程
度の入射電子が、しばしば入射位置から１０画素の距離でＹＡＧへ散乱して戻る
。一方、低エネルギー電子についての停止パワーは、全ての電子がシンチレータ
の薄い層内で停止し、横方向の広がりは１画素未満であるというものである。こ
の劇的な改善は、シンチレータ及びＣＣＤの性能と良好に適合した高電圧にＣＣ
Ｄをフロートさせることに基づいている。
【００１３】 図２は、電子顕微鏡において使用される減速器１４内にＣＣＤ１２をフロート
させるための減速器−ＣＣＤカメラ装置１０を示す。減速電圧は、高電圧タンク
２０内の貫通接続１８を通じてＨＶケーブル１６上で提供され、その高電圧タン
ク２０は顕微鏡の観察チャンバの下で顕微鏡ベース２２に取り付けられる。エレ
クトロニクスパッケージ２６（増幅器、Ａ／Ｄ変換器、光学的隔離要素、など）
を含むボックス２４がタンク２０の内部に配置され、タンク２０はボックス２４
と減速器１４の外部領域２８に加圧（例えば８０psi）ＳＦ6ガスを含む。ボック
ス２４の内部は典型的に大気圧である。ＣＣＤ１２は、ボックス２４内への貫通
接続として機能するプレート３０上に配置され、そのプレート３０は顕微鏡動作
中に高電圧になる。エレクトロニクスパッケージ２６は再充電可能なバッテリー
３２を使用し、そのバッテリー３２は、減速用高電圧がオフの時に取り外し可能
なプラグ３４を通じて外部電源に接続することができる。ＣＣＤ制御及び出力信
号は光ファイバ３６を通じて送られる。外部冷蔵庫（冷却器）４０から冷却剤ラ
イン３８を通じて循環されるフレオン等の非導電性冷却剤は、ＣＣＤ温度を通常
の−２０Ｃまで下げるために使用され、ペルチェ冷却器を実行するために要求さ
れる重大なパワー排出を防止する。光ファイバ３６と冷却ライン３８は、ＣＣＤ
コントローラ４４及び冷却器４０への接続のためにタンク２０の貫通接続４２を
通る。薄いシンチレータ４６は光ファイバ４８を通じてＣＣＤ１２へ接続される
。
させるための減速器−ＣＣＤカメラ装置１０を示す。減速電圧は、高電圧タンク
２０内の貫通接続１８を通じてＨＶケーブル１６上で提供され、その高電圧タン
ク２０は顕微鏡の観察チャンバの下で顕微鏡ベース２２に取り付けられる。エレ
クトロニクスパッケージ２６（増幅器、Ａ／Ｄ変換器、光学的隔離要素、など）
を含むボックス２４がタンク２０の内部に配置され、タンク２０はボックス２４
と減速器１４の外部領域２８に加圧（例えば８０psi）ＳＦ6ガスを含む。ボック
ス２４の内部は典型的に大気圧である。ＣＣＤ１２は、ボックス２４内への貫通
接続として機能するプレート３０上に配置され、そのプレート３０は顕微鏡動作
中に高電圧になる。エレクトロニクスパッケージ２６は再充電可能なバッテリー
３２を使用し、そのバッテリー３２は、減速用高電圧がオフの時に取り外し可能
なプラグ３４を通じて外部電源に接続することができる。ＣＣＤ制御及び出力信
号は光ファイバ３６を通じて送られる。外部冷蔵庫（冷却器）４０から冷却剤ラ
イン３８を通じて循環されるフレオン等の非導電性冷却剤は、ＣＣＤ温度を通常
の−２０Ｃまで下げるために使用され、ペルチェ冷却器を実行するために要求さ
れる重大なパワー排出を防止する。光ファイバ３６と冷却ライン３８は、ＣＣＤ
コントローラ４４及び冷却器４０への接続のためにタンク２０の貫通接続４２を
通る。薄いシンチレータ４６は光ファイバ４８を通じてＣＣＤ１２へ接続される
。
【００１４】 減速器１４は、絶縁体（セラミックリング）５２により分離された複数の電極
段５０により形成される。減速器１４の内部５４は顕微鏡動作中は真空（例えば
、１０-6 torr未満） であり、顕微鏡ベース２２の開口５８と一致する顕微鏡貫通開口５６と通じてい
る。整列した開口５６、５８はスライドバルブ６０により閉じることができ、そ
のバルブ６０は開いた状態で図示されているが、矢印６２で示すように移動する
ことができる。
段５０により形成される。減速器１４の内部５４は顕微鏡動作中は真空（例えば
、１０-6 torr未満） であり、顕微鏡ベース２２の開口５８と一致する顕微鏡貫通開口５６と通じてい
る。整列した開口５６、５８はスライドバルブ６０により閉じることができ、そ
のバルブ６０は開いた状態で図示されているが、矢印６２で示すように移動する
ことができる。
【００１５】 減速電極５０の機能は、ＣＣＤカメラに到達する前に高電圧電子を減速させる
ことである。これは、スパークを防止するために重要である。ガードリング（コ
ロナシールド）６４は減速器１４の外側で電極５０と接続し、高圧領域２８内で
のスパークを防止する。電位付け抵抗Ｒも減速器１４の外側上の電極５０間に接
続される。抵抗Ｒは、電極間に均一な電圧降下を提供するために一定値とするこ
とができ、又は他の電圧分布を提供するために異なる値とすることができる。例
えば、ウィスコンシン州、ミドルトンのナショナル・エレクトロスタティック社
の大型高勾配加速管などの商業的に入手可能な機器を減速器１４に使用すること
ができる。しかし、従来型の加速管は逆方向で使用されるので、それは電子ビー
ムを加速ではなくむしろ減速させる。よって、３００kVのビームが２００kVだけ
減速されるならば、シンチレータ／ＣＣＤに１００kVのビームが入射する。
ことである。これは、スパークを防止するために重要である。ガードリング（コ
ロナシールド）６４は減速器１４の外側で電極５０と接続し、高圧領域２８内で
のスパークを防止する。電位付け抵抗Ｒも減速器１４の外側上の電極５０間に接
続される。抵抗Ｒは、電極間に均一な電圧降下を提供するために一定値とするこ
とができ、又は他の電圧分布を提供するために異なる値とすることができる。例
えば、ウィスコンシン州、ミドルトンのナショナル・エレクトロスタティック社
の大型高勾配加速管などの商業的に入手可能な機器を減速器１４に使用すること
ができる。しかし、従来型の加速管は逆方向で使用されるので、それは電子ビー
ムを加速ではなくむしろ減速させる。よって、３００kVのビームが２００kVだけ
減速されるならば、シンチレータ／ＣＣＤに１００kVのビームが入射する。
【００１６】 図１Ａ〜１Ｃに示すモンテカルロ計算は、シンチレータ上の電子の最適エネル
ギーが１００kVよりいくらか低いことを示している。１００kVでも全ての電子エ
ネルギーが非常に小さな容積に吸収され、おそらく厚いシンチレータのＭＴＦの
重大な制限を克服する。しかし、シンチレータ上に入射する電子エネルギーを５
０kVへ減少させることがより良い。電源及び減速器の両方の設計について、ＣＣ
Ｄ電圧を２００kV以上に上げることの増分コストは、２００kVをプロトタイプの
カメラ変形の合理的な上限とする。高電圧の全ての長所を本質的に維持しつつ、
顕微鏡のＨＶを３００kVから２７５kVへ下げることにより、より低い入射電圧を
テストすることができる。
ギーが１００kVよりいくらか低いことを示している。１００kVでも全ての電子エ
ネルギーが非常に小さな容積に吸収され、おそらく厚いシンチレータのＭＴＦの
重大な制限を克服する。しかし、シンチレータ上に入射する電子エネルギーを５
０kVへ減少させることがより良い。電源及び減速器の両方の設計について、ＣＣ
Ｄ電圧を２００kV以上に上げることの増分コストは、２００kVをプロトタイプの
カメラ変形の合理的な上限とする。高電圧の全ての長所を本質的に維持しつつ、
顕微鏡のＨＶを３００kVから２７５kVへ下げることにより、より低い入射電圧を
テストすることができる。
【００１７】 これらのＣＣＤのテストのいくつかは、より低電圧で動作する１００kV顕微鏡
で実行することができるが、そうするとタンパク質構造の作業に理想的な条件下
でＣＣＤ性能をテストする能力を失うことになる。
で実行することができるが、そうするとタンパク質構造の作業に理想的な条件下
でＣＣＤ性能をテストする能力を失うことになる。
【００１８】 高電圧放電は、ＣＣＤ１２及びそれに関係するエレクトロニクス２６に重大な
脅威を与える。ＳＦ6タンク２０内の放電は、保守的な設計により容易に回避す
ることができる。ＣＣＤ１２の上のマルチステップ減速器１４は、減速器１４内
部の真空中での放電のリスクを最小化する。減速器の電子光学的性質は、最小の
イメージ歪みと高電圧隔離における大きな安全率を提供する。
脅威を与える。ＳＦ6タンク２０内の放電は、保守的な設計により容易に回避す
ることができる。ＣＣＤ１２の上のマルチステップ減速器１４は、減速器１４内
部の真空中での放電のリスクを最小化する。減速器の電子光学的性質は、最小の
イメージ歪みと高電圧隔離における大きな安全率を提供する。
【００１９】 薄いシンチレータ４６は、光ファイバ４８を通じてＣＣＤ１２へ光学的に接続
されている。低電圧は、光ファイバ４８なしでシンチレータ４６をＣＣＤ１２上
に直接配置することを可能とする。シンチレータ上の金属化層は、エレクトロニ
クス２６のためのファラディーシールドの一部としてある程度の保護を提供する
。低線量作業については、ＹＡＧと比較して約５倍高い光出力を有するので、Ｐ
４３蛍光体が好ましい。これは、５０μｍの厚さの層内でさえ約２０kVしか吸収
されない４００kVの顕微鏡においては特に重要な問題である。一方、低電圧では
、より薄いＹＡＧ層内でほぼ全ての電子エネルギーが吸収でき、非常に小さい横
方向範囲内でほぼ同じ光出力を与える。ＹＡＧは点広がり関数において長く低増
幅度のコンポーネントであるという欠点があるものの、それはその応答の空間均
一性とパルス高さスペクトルにおいて大きな長所を有する。
されている。低電圧は、光ファイバ４８なしでシンチレータ４６をＣＣＤ１２上
に直接配置することを可能とする。シンチレータ上の金属化層は、エレクトロニ
クス２６のためのファラディーシールドの一部としてある程度の保護を提供する
。低線量作業については、ＹＡＧと比較して約５倍高い光出力を有するので、Ｐ
４３蛍光体が好ましい。これは、５０μｍの厚さの層内でさえ約２０kVしか吸収
されない４００kVの顕微鏡においては特に重要な問題である。一方、低電圧では
、より薄いＹＡＧ層内でほぼ全ての電子エネルギーが吸収でき、非常に小さい横
方向範囲内でほぼ同じ光出力を与える。ＹＡＧは点広がり関数において長く低増
幅度のコンポーネントであるという欠点があるものの、それはその応答の空間均
一性とパルス高さスペクトルにおいて大きな長所を有する。
【００２０】 ＹＡＧよりさらに良好な代替物は、CsIの真空蒸着層であり、それはＹＡＧよ
りいくらか大きい停止パワーとかなり高い光出力効率を有する。ＹＡＧのシンチ
レータは約２０μＭ程度まで機械的に薄くされるが、その厚さは正確には予測不
能であり、２ｋＣＣＤにわたって変化する傾向がある。CsI層は２０μｍ未満に
作ることができ、それは５０〜１００kVの電子を吸収するには依然として十分に
厚いが、研磨されたＹＡＧにより得られたより良好なＭＴＦを確保するのに十分
に薄い。CsIコーティングは、Bicron社（オハイオ州、ニューバリー）により光
ファイバ上に蒸着される。光ファイバと冷却剤コネクタはＳＦ6タンク内で減速
電極を通って上昇し、フィールド勾配の影響とアーキングの危険を最小にする。
りいくらか大きい停止パワーとかなり高い光出力効率を有する。ＹＡＧのシンチ
レータは約２０μＭ程度まで機械的に薄くされるが、その厚さは正確には予測不
能であり、２ｋＣＣＤにわたって変化する傾向がある。CsI層は２０μｍ未満に
作ることができ、それは５０〜１００kVの電子を吸収するには依然として十分に
厚いが、研磨されたＹＡＧにより得られたより良好なＭＴＦを確保するのに十分
に薄い。CsIコーティングは、Bicron社（オハイオ州、ニューバリー）により光
ファイバ上に蒸着される。光ファイバと冷却剤コネクタはＳＦ6タンク内で減速
電極を通って上昇し、フィールド勾配の影響とアーキングの危険を最小にする。
【００２１】 減速器は大きなレンズ効果を有する。第１の近似について、減速フィールドは
倍率において２未満の係数を導入する。減速器により導入されるイメージの歪み
は、既に結晶イメージの処理の一部となっているタイプのイメージ処理により除
去することができる。歪みパターンが特徴付けされると、それは全てのイメージ
について一定とし、イメージ処理のルーチンステップ内に含められる。
倍率において２未満の係数を導入する。減速器により導入されるイメージの歪み
は、既に結晶イメージの処理の一部となっているタイプのイメージ処理により除
去することができる。歪みパターンが特徴付けされると、それは全てのイメージ
について一定とし、イメージ処理のルーチンステップ内に含められる。
【００２２】 静電レンズの倍率は電圧降下の平方根に比例する。これを使用して、高電圧供
給に耐えうる安定度とリップルの発想を与えることができる。倍率の最初の推定
は２の因数程度である。それから、２ｋフィールド、即ち1/1000の端部において
１画素に対応する量だけ倍率を変化させることを防止するために、ＨＶは1/1000
の安定度とリップルのみを要し、それらは両方とも利用可能な電力供給の仕様の
範囲内であろう。
給に耐えうる安定度とリップルの発想を与えることができる。倍率の最初の推定
は２の因数程度である。それから、２ｋフィールド、即ち1/1000の端部において
１画素に対応する量だけ倍率を変化させることを防止するために、ＨＶは1/1000
の安定度とリップルのみを要し、それらは両方とも利用可能な電力供給の仕様の
範囲内であろう。
【００２３】 電子顕微鏡システム７０の全体が図３に示される。顕微鏡の柱又は構造７２が
顕微鏡ベース６４上に配置され、顕微鏡ベース６４には図２の減速器−ＣＣＤカ
メラ装置１０を含むタンク２０が顕微鏡構造７２と整列して配置される。装置１
０はＨＶケーブル１６を通じてＨＶ電源７６に接続される。Gamma High Voltage
社のモデルRR200.75による小型２００kV電源を使用することができる。第２のＨ
Ｖ電源７８は、構造７２の頂部において電子ビームソース８２にＨＶケーブル８
０を通じて接続される。電源７６、７８は１つの電源に結合することができる。
ソース８２からの電子ビームはビーム集束レンズを通過し、標本マウント８８上
に配置された標本８６上に入射する。標本８４と相互作用した後、電子ビームは
磁気レンズ９０を通り減速器−ＣＣＤ装置１０へ進む。構造７２のウィンドウ９
２が可視的検査を可能とする。
顕微鏡ベース６４上に配置され、顕微鏡ベース６４には図２の減速器−ＣＣＤカ
メラ装置１０を含むタンク２０が顕微鏡構造７２と整列して配置される。装置１
０はＨＶケーブル１６を通じてＨＶ電源７６に接続される。Gamma High Voltage
社のモデルRR200.75による小型２００kV電源を使用することができる。第２のＨ
Ｖ電源７８は、構造７２の頂部において電子ビームソース８２にＨＶケーブル８
０を通じて接続される。電源７６、７８は１つの電源に結合することができる。
ソース８２からの電子ビームはビーム集束レンズを通過し、標本マウント８８上
に配置された標本８６上に入射する。標本８４と相互作用した後、電子ビームは
磁気レンズ９０を通り減速器−ＣＣＤ装置１０へ進む。構造７２のウィンドウ９
２が可視的検査を可能とする。
【００２４】 このように、本発明は、良好な相互作用のために高電圧電子（例えば３００kV
〜４００kV）を目標に入射させることと、良好なイメージクオリティのためにそ
れよりかなり低い電圧の電子（例えば１００kV）をシンチレータ／ＣＣＤに入射
させることという競合する目的を実現可能とする。本発明は、利用可能な技術に
より実施することができる。電子顕微鏡とシンチレータ／ＣＣＤ要素は従来から
あり、減速器は商業的に入手可能である。
〜４００kV）を目標に入射させることと、良好なイメージクオリティのためにそ
れよりかなり低い電圧の電子（例えば１００kV）をシンチレータ／ＣＣＤに入射
させることという競合する目的を実現可能とする。本発明は、利用可能な技術に
より実施することができる。電子顕微鏡とシンチレータ／ＣＣＤ要素は従来から
あり、減速器は商業的に入手可能である。
【００２５】 本発明の視野から外れることなく、詳細に説明した実施形態の変更及び変形が
実行可能であり、本発明の視野は添付の請求の範囲によってのみ制限される。
実行可能であり、本発明の視野は添付の請求の範囲によってのみ制限される。
【図１】 加速電圧５０ｋＶ、１００ｋＶ及び３００ｋＶで光ファイバ上に配置した厚さ
５０μｍのＹＡＧシンチレータ内における電子軌道のモンテカルロ計算である。
５０μｍのＹＡＧシンチレータ内における電子軌道のモンテカルロ計算である。
【図２】 電子減速器及びＣＣＤ配置の断面図である。
【図３】 本発明のＣＣＤカメラを有する電子顕微鏡の簡略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5C033 NN03 NP08 SS04
Claims (16)
- 【請求項１】 電子顕微鏡と共に使用する減速器−ＣＣＤ装置において、 高電圧電子ビームを受け取り、低電圧電子ビームを作る減速器と、 減速器から低電圧電子ビームを受け取る位置に配置された荷電結合素子（ＣＣ
Ｄ）と、を備える装置。 - 【請求項２】 減速器は逆方向に使用される加速管を有する請求項１に記載
の装置。 - 【請求項３】 ＣＣＤと減速器との間のシンチレータ層と、シンチレータを
ＣＣＤに接続するための光ファイバ束とを有する請求項１に記載の装置。 - 【請求項４】 ＣＣＤ上に直接的に蒸着されたシンチレータ層を有する請求
項１に記載の装置。 - 【請求項５】 減速器とＣＣＤを含むタンクを備える請求項１に記載の装置
。 - 【請求項６】 タンク内に配置され、ＣＣＤに接続された密閉エレクトロニ
クスボックスを備える請求項１に記載の装置。 - 【請求項７】 減速器及びエレクトロニクスボックスの外部でタンク内の領
域に加圧ガスを含む請求項６に記載の装置。 - 【請求項８】 ガスはＳＦ6である請求項７に記載の装置。
- 【請求項９】 減速器は、複数の減速器電極と、電極間の絶縁体とを含む請
求項１に記載の装置。 - 【請求項１０】 減速器の周りにコロナシールドを有する請求項９に記載の
装置。 - 【請求項１１】 隣接する電極間に電位付け抵抗を有する請求項９に記載の
装置。 - 【請求項１２】 タンク内に配置されると共に、密閉エレクトロニクスボッ
クスに接続されてＣＣＤ制御信号とＣＣＤ出力信号を送信する光ファイバケーブ
ルを有する請求項６に記載の装置。 - 【請求項１３】 タンク内に配置され、ＣＣＤを冷却するために密閉エレク
トロニクスボックスと外部冷却器に接続された冷却ラインを有する請求項６に記
載に装置。 - 【請求項１４】 請求項１に記載の装置と、電子顕微鏡とを備える装置。
- 【請求項１５】 電子顕微鏡は、電子ソースと、電子ソースに接続されて３
００kV〜４００kVの電子ビームを作る３００kV〜４００kVの電源を有する請求項
１４に記載の装置。 - 【請求項１６】 減速器に接続され、電子ビームを約１００kVに減速する減
速器電源を有する請求項１５に記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/100,458 | 1998-06-18 | ||
| US09/100,458 US5998790A (en) | 1997-06-18 | 1998-06-18 | Transmission electron microscope CCD camera |
| PCT/US1999/013783 WO1999066529A1 (en) | 1998-06-18 | 1999-06-17 | Transmission electron microscope ccd camera |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002518808A true JP2002518808A (ja) | 2002-06-25 |
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Family
ID=22279869
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000555272A Expired - Fee Related JP4757383B2 (ja) | 1998-06-18 | 1999-06-17 | 透過型電子顕微鏡のｃｃｄカメラ |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5998790A (ja) |
| EP (1) | EP1088327B1 (ja) |
| JP (1) | JP4757383B2 (ja) |
| AT (1) | ATE544170T1 (ja) |
| AU (1) | AU5083299A (ja) |
| WO (1) | WO1999066529A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012531715A (ja) * | 2009-06-26 | 2012-12-10 | ガタン インコーポレイテッド | 薄い電子感受性層を有する撮像電子検出器において後方散乱電子と入射電子とを弁別する方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60011031T2 (de) * | 2000-02-01 | 2005-06-23 | ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH | Optische Säule für Teilchenstrahlvorrichtung |
| WO2004099740A2 (en) | 2003-05-08 | 2004-11-18 | Council For The Central Laboratory Of The Research Councils | Accelerated particle and high energy radiation sensor |
| US20100123082A1 (en) * | 2008-11-18 | 2010-05-20 | Gatan, Inc. | Method for electron back-illumination of a semiconductor image sensor |
| US10809393B2 (en) * | 2015-04-23 | 2020-10-20 | Fermi Research Alliance, Llc | Monocrystal-based microchannel plate image intensifier |
| DE102017109645A1 (de) * | 2017-05-05 | 2018-11-08 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Lichtmikroskop und Verfahren zum Bereitstellen von strukturiertem Beleuchtungslicht |
Citations (10)
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