JP2006313712A - 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外界圧力または大気圧より圧力が高い液体環境を提供できる真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を提供する。
【解決手段】 ケース１１と、ケース１１の内部に配置される腔室１２と、ケース１１内部を分割する隔離板１４と、腔室１２の外部に形成される蒸気室１６と、蒸気室１６の外部に形成される緩衝室１８とを備える。腔室１２は、加圧装置１３と連接している。腔室１２は、頂面と底面に別々に蒸気室１６と繋がる蒸気孔１２１を有する。隔離板１４が内孔１４１を二つ有することで、蒸気室１６と緩衝室１８は互いに繋ぎ合う。ケース１１は頂面と底面に外界と繋がる外孔１１１を有し、ケース１１は蒸気室１６に対応する送気孔１６２と緩衝室１８に対応する抽気孔１８２を少なくとも一つ有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空または低圧環境下で高圧環境を操作する技術に関し、特に、真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置に関するものである。

微細尺度下での観察技術において、現今もっとも高倍率の拡大効果を達成可能であるのが電子顕微鏡である。人々は、電子顕微鏡の超高倍率拡大により物質のナノサイズの構造に相関する科学研究を進めることが可能である。

電子ビームにより物体を探知することを原理とする電子顕微鏡は、ナノサイズの構造の観察を執行するために、真空環境下で高電圧により電子を加速し、電磁透視鏡により焦点を絞る方法が必要である。図１４に示すように、電子顕微鏡８１は、試料を置くための試料槽（specimen chamber）８２を有する。試料槽８２の内部は、真空である。試料槽８２は、上極片（pole piece）８６と下極片（pole piece）８６とを有することで、電子ビームにより焦点を合わせる正確度を確保することが可能である。この二つの極片８６の間の距離は、約１センチ前後である。また、試料は非揮発性または超低揮発性の物質でないと、真空環境下での観察を執行することができない。また、液体または気体のような流体物質は、沸騰、揮発または漏出の現象が発生するため、試料とすることができない。

前述の問題を解決し、ある流体が存在している環境下でも電子顕微鏡内に置かれた試料を観察及び分析するために、１９７４年の当時、Kalmanは電子顕微鏡により水の構造を観察した（非特許文献１参照）。しかし、その設計において、蒸気室と緩衝室の構造を採用しないため、水は直接超低圧または真空環境に曝露され、急速に揮発して水蒸気になる。観察試験は続けられるが、その結果、観察分析可能な時間は相当に短縮されてしまう。文献のレポートにより、水膜の寿命はわずか数秒だけである。したがって、多くの分析観察の作業をこれほど短い時間内で完成させることは不可能であるため、その技術は実用性に乏しい。

同じ時期にKalmanの他にこれに相関する技術研究に携わったのは、Hui、GaiとDaultonなどを中心とする研究グループがある。Hui Ｓ Ｗなどは、１９７６年に水蒸気を制御可能な環境槽を提出した（非特許文献２参照）。図１５と図１６に示すように、この技術は、電子顕微鏡９１の試料槽９２を高くするように改装し、試料槽９２の内部に水槽９４と環境槽９６を配置し、二つの隔離板９６２により環境槽９６の内部を分割してその中央に水蒸気層９６４を形成し、かつ水蒸気層９６４の上下に別々に緩衝層９６６を形成し、また、水槽９４に水蒸気層９６４に連接する気管９４１を有することで、水蒸気層９６４に水蒸気を供給し、また、相互平行の二つの隔離板９６２と環境槽９６の上下壁面に別々に蒸気孔９６３を配置することで、蒸気孔９６３により同じ軸の電子ビームを透過させ、また、環境槽９６の中間の水蒸気層９６４の一側から外へ延ばして試料管９６７を形成し、また、試料治具９７１を外部から試料管９６７を貫通させて環境槽９６内の水蒸気層９６４に進入させ、そして、Ｏ型リング９７２により試料治具９７１と水蒸気層９６４の壁面を封じることで、水蒸気層９６４と外部を隔離することである。

前述の構造と技術は、環境槽９６内の環境を気体または水蒸気として制御することしかできないため、液体環境の試料槽を制御し、その圧力を常圧に維持することは不可能である。

また、Cai Ｐ．Ｌ．が率いた研究グループの２００２年の研究成果は、電子顕微鏡の下で気相、液相、固相化学反応の実験を観察することが可能であるが、その欠点は、試料槽の圧力を常圧に近い状態または圧力の比較的高い状態に維持して観察と分析を進めることができず、液体と気体が平衡した安定状態を維持するために、試料槽の液体を急速に揮発させてしまうことである（非特許文献３参照）。したがって、液体を持続的に補充することが必要である。しかし、このようなプロセスは、試料の流動が頻発し、新しい試料と古い試料の混合が均質でない問題が発生するため、観察の信頼性に影響する。また、大量揮発した高圧蒸気または外界から気体室に注入された高圧気体が上下極片の間に充満しているため、電子が気体分子に衝撃を与えて生成した多重散乱を深刻化させ、また、電子ビームによる結像または電子回折の実験をスムーズに進行させることができない。かつこうした試料槽の設計では、液体の注入量を有効に制御できない。したがって、液体の厚さが厚くなりすぎてしまうため、電子ビームが試料を透過できなくなり、観察と分析ができなくなる。
また、Cai Ｐ．Ｌ．の設計は、顕微鏡の本体を分解する必要がある。顕微鏡を分解しないと、これらの部品を装着できないため、量産の可能性が低い。

また、Daulton Ｔ．Ｌ．の設計による試料槽は、窓型（window type）を採用するものである（非特許文献４参照）。このような設計は、前述の方法のような液体揮発後の問題を防止することは可能であるが、窓型薄膜が厚すぎて電子の多重散乱が発生する問題があるため、結像または電子回折の実験を進行させることは不可能である。分析観察の作業が可能であるとしても、解像度は大幅に低下する。もう一つの重大な欠点として、常圧またはそれ以上の圧力を条件として操作する場合、試料槽と気体室との間の圧力の差が大きすぎるため、窓型薄膜はこの圧力の差に耐えられずに破裂し、試料槽内の液体が急速に揮発して顕微鏡の高度真空区域に浸入することで、顕微鏡の高度真空区域の真空度を大幅に低下させ、操作ができなくなってしまうことがあることである。
前述の諸技術では、真空状態下で常圧またはそれ以上比較的高い圧力の液体環境を保持し、かつ操作と観察ができる方法を得ることができない。

Kaiman Ｅ．et al．，Ｊ，Appli．Cryst．７，４４２，１９７４ Hui Ｓ Ｗ et al．，Journal of Physics Ｅ ９，７２，１９７６ Cai Ｐ．Ｌ．，Microscopy & Microanalysis ８，２１，２００２ Daulton Ｔ．Ｌ．et al．，Microscopy Research & Technique ７，４７０，２００１

本発明は、上述の問題に鑑みて、試作と実験で絶えず研究を進めた結果、真空状態下で常圧またはそれ以上比較的高い圧力の液体環境を保持し、かつ操作と観察ができる技術を完成させ、電子顕微鏡の本来の設計を変えないことを前提として前述の効果を達成する。

本発明の主な目的は、真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を提供することである。これにより、真空または低圧環境下で外界圧力または大気圧より圧力が高い液体環境を安定させるように保持し、かつ操作と観察をすることが可能となる。

本発明のもう一つの目的は、真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を提供することである。これにより、電子顕微鏡の本来の設計を変えないことを前提として外界圧力より高い液体観察環境を提供することが可能となる。

上述の目的を達成するために、本発明による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置は、下記のステップと構造を含む。ステップａ）は、ケースを用意し、ケース内部に腔室を配置し、少なくとも一枚の隔離板によりケース内部を分割し、腔室の外部に少なくとも一つの蒸気室を形成し、かつ蒸気室の外部に少なくとも一つの緩衝室を形成し、腔室に液体試料を注入し、また、腔室と加圧装置を連接させることで、加圧装置により腔室内の液体試料に所定の圧力を供給し、また、腔室の頂面と底面に別々に蒸気室と繋がる蒸気孔を設けて、蒸気室と緩衝室との間の隔離板に二つの内孔を設けることで、蒸気室と緩衝室を互いに繋ぎ合わせ、かつ二つの内孔を蒸気孔の上方と下方に位置させ、ケースの頂面と底面に別々に外界と繋がる外孔を設け、かつ外孔と内孔と蒸気孔とを同軸に位置させ、また、ケースに蒸気室に対応する送気孔と緩衝室に対応する抽気孔とを設けることである。ステップｂ）は、ケースを真空または低圧環境に配置して腔室と蒸気室と緩衝室の温度を同じ温度に制御することである。ステップｃ）は、加圧装置により腔室内の液体試料にケース外の環境圧力よりも大きい所定の圧力を持続的に加えると同時に蒸気室に気体を注入し、かつ蒸気室と腔室との間の圧力差を液体が蒸気孔から流出する臨界圧力以下に制御することで（Keller Ｓ．et al．，Journal of Food Protectiom ６６，１２６０，２００３）、腔室内の液体を蒸気孔から流出させないように蒸気形態で蒸気孔から蒸気室へ徐々に揮発させ（Keller Ｓ．et al．，Journal of Food Protectiom ６６，１２６０，２００３）、揮発速度は極めて遅くて３.３×１０^-5ｇ／ｓｅｃであるため、電子顕微鏡の解像度に影響することはなく（Hui Ｓ．Ｗ．et al．，Journal of Physics Ｅ ９，７２，１９７６）、そして、蒸気室中の気体と蒸気を内孔から緩衝室へ徐々に拡散させることである。ステップｄ）は、所定の速度で抽気孔から緩衝室の気体を抽出することで、緩衝室内の気体と蒸気を外孔からケースの外部へ拡散させないように抽出することである。これにより、真空または低圧環境下で高圧腔室を提供し、外孔と内孔と蒸気孔により液体試料の観察を進行させることが可能となる。

また、本発明は、蒸気室の上下方に二つ以上の緩衝室を配置することで、緩衝室の抽気速度の制御に柔軟性を与え、かつ緩衝室の抽気速度を適当な抽気速度まで達するように制御することで、緩衝室内の気体と蒸気を外孔からケースの外へ拡散させないように完全に抽出することを可能にすると同時に蒸気室を内部の気体圧力が常圧または常圧以上に達する環境に維持することが可能である。

また、本発明は、真空または低圧環境下で観察可能な高圧気体状態の腔室を提供することである。その実施方法は、前述のステップにおける加圧装置により腔室に注入される液体試料を気体に変えれば、腔室環境を高圧状態に維持可能である方法である。

以下、本発明の技術特徴を以下の六つの実施例と図面に基づいて説明する。まず、図面の説明は下記の通りである。
図１は、本発明の第一実施例の部分的な断面を示す斜視図である。

図２は、本発明の第一実施例を示す断面図である。
図３は、本発明の第一実施例の実施状態を示す模式図である。
図４は、本発明の第二実施例の部分的な断面を示す斜視図である。

図５は、本発明の第二実施例を示す断面図である。
図６は、本発明の第三実施例を示す断面図である。
図７は、本発明の第三実施例の部分的な断面を示す斜視図である。

図８は、本発明の第三実施例の実施状態を示す模式図である。
図９は、本発明の第四実施例を示す断面図である。
図１０は、図９の一部分を拡大した図である。

図１１は、本発明の第五実施例を示す断面図である。
図１２は、本発明の第六実施例を示す断面図である。
図１３は、図１２の一部分を拡大した図である。

図１と図２に示すように、本発明の第一実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法は、下記のステップを含む。
ステップａ）は、ケース１１を用意し、ケース１１内部に腔室１２を配置し、隔離板１４によりケース１１内部を分割し、腔室１２の外部に蒸気室１６を形成し、蒸気室１６の外部に緩衝室１８を形成する。蒸気室１６は腔室１２の外に位置し、緩衝室１８は蒸気室１６の外に位置する。続いて、腔室１２に水などの液体試料１００（液体試料１００の液体の厚さは３０μｍ以下である）を注入し、かつ腔室１２と加圧装置１３を連接させることで、加圧装置１３により腔室１２内の液体試料１００に所定の圧力を供給するか、液体試料または分析用の物質を補充する。続いて、腔室１２の頂面と底面に別々に蒸気室１６と繋がる蒸気孔１２１（直径が５μｍ〜１００μｍの間である）を設けて、隔離板１４において二つの内孔１４１を蒸気孔１２１の上方と下方に位置させるように設けることで、蒸気室１６と緩衝室１８を互いに繋ぎ合わせ、ケース１１の頂面と底面に別々に外孔１１１（直径が２０μｍ〜８００μｍの間である）を設けることで、緩衝室１８と外界を繋げ、かつ外孔１１１と内孔１４１と蒸気孔１２１とを同軸に位置させる。外孔１１１の直径は、内孔１４１の直径より大きい。続いて、ケース１１に蒸気室１６に対応する二つの送気孔１６２と緩衝室１８に対応する二つの抽気孔１８２とを設ける。

ステップｂ）は、図３に示すように、ケース１１を真空または低圧環境、例えば、電子顕微鏡の試料槽１０２の極片１０４（pole pieces）の間に配置し、かつ腔室１２、腔室１２内の液体試料１００、蒸気室１６及び緩衝室１８の温度を同じ温度に制御する。

ステップｃ）は、加圧装置１３により腔室１２内の液体試料１００に所定の圧力（本実施例では、５０トル（torr）〜２００トルに加圧可能である）を持続的に加えると同時に腔室１２内の液体試料１００の受けた圧力を電子顕微鏡の試料槽１０２内の圧力以上に維持し、かつ変わらせないようにする。続いて、蒸気室１６に気体を注入する。気体は液体試料の蒸気（通常、水蒸気である）、特定気体または液体試料の蒸気と特定気体の混合物のいずれか一つであり、特定気体は窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、不活性気体またはその混合物のいずれか一つである。また、注入される気体温度は蒸気室１６の温度と腔室１２の温度に等しいか、それらより低いため、蒸気室内の蒸気を冷却させて凝結させることを防止することが可能である。続いて、蒸気室１６と腔室１２との間の圧力差を液体が蒸気孔１２１から流出する臨界圧力以下に制御することで、腔室内１２の液体試料１００を蒸気孔１２１から流出させないように蒸気形態で蒸気孔１２１から外へ徐々に揮発させて、そして、蒸気室１６中の気体と蒸気を内孔１４１から緩衝室１８へ拡散させる。
ステップｄ）は、所定の速度で抽気孔から緩衝室１８の気体を抽出することで、緩衝室内１８の気体と蒸気を外孔１１１からケース１１の外へ拡散させないように抽出する。

上述のステップにより、真空または低圧環境下で高圧腔室１２を提供し、外孔１１１と内孔１４１と蒸気孔１２１により液体試料１００の観察を進行させることが可能となる。腔室１２内の圧力は加圧装置により提供され、かつ蒸気孔１２１の直径により制限され、そして、送気孔１６２から注入された蒸気室１６の気体により提供される圧力と腔室１２の間の圧力差は極めて小さく（臨界漏出圧力より小さく）、液体試料１００は厚さが極めて薄く、その重量を無視できるため、腔室１２内の液体試料１００を蒸気孔１２１から外へ流出させないように蒸気形態で外へ徐々に揮発させることが可能である。これにより、安定している高圧の液体環境を提供して、イオンビーム、原子ビーム、中性子ビーム、光束またはＸ線などの探知光束を外孔１１１、内孔１４１、蒸気孔１２１から透過させることで、腔室１２内の液体試料１００を観察することが可能となる。

本実施例のステップｃ）では、加圧装置１３により腔室に液体試料１００を注入する作業は、二つの送気孔１６２により蒸気室１６の気体を抽出して蒸気室の温度と腔室１２の温度とを一致させるように維持し、加圧装置１３により腔室１２に液体試料１００または液体に加えたい物質を注入し、そして、蒸気室１６と腔室１２の間の圧力差または濃度差により腔室１２に進入させる。この時、蒸気孔１２１から拡散した蒸気と液体は、蒸気室１６内の極めて低い圧力環境下で揮発して蒸気となって急速に抽出される。続いて、液体試料１００が腔室１２に充満すると、蒸気室１６に気体を注入する。ここで、前述の過程では、緩衝室１８の気体を持続的に抽出することが必要である。続いて、送気孔１６２により蒸気室１６に気体を注入して所定の温度と圧力に制御することで、蒸気室１６との間の圧力差が原因で腔室１２内の液体試料１００を蒸気孔１２１から溢れさせることなく、腔室１２内の液体試料１００を蒸気孔１２１から徐々に揮発させて蒸気を形成し、蒸気室１６に拡散させる。また、加圧装置１３により拡散している微量水蒸気を持続的に補充することが可能である。

図４と図５に示すように、本発明の第二実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置は、ケース２１と、ケース２１の内部に配置される腔室２２と、ケース２１内部を分割する隔離板２４と、腔室２２の外部に形成される蒸気室２６と、蒸気室２６の外部に形成される緩衝室２８とを備え、蒸気室２６が腔室２２を囲み、緩衝室２８が蒸気室２６を囲み、ケース２１の全体の高さが１センチ（ｃｍ）またはそれ以下である。

腔室２２は中に注入される流体試料１００は、例えば、水を収納する。液体試料１００の液体の厚さは、３０μｍ以下である。腔室２２は、一側へ延びて注入管２２３が形成され、かつ加圧装置２３と連接する。加圧装置２３は、注入管２２３に連接する液体加圧ポンプで、腔室２２内の液体試料１００に所定の圧力を供給するか、液体試料１００または他の分析用の物質を補充することが可能である。また、腔室２２の頂面と底面に別々に蒸気室２６と繋がる蒸気孔２２１（直径が５μｍ〜１００μｍの間である）を有し、かつ隔離板２４において二つの内孔２４１（直径が１０μｍ〜２００μｍの間である）を蒸気孔２２１の上方と下方に位置させるように設けることで、蒸気室２６と緩衝室２８を互いに繋ぎ合わせる。また、ケース２１は頂面と底面に外孔２１１（直径が２０μｍ〜８００μｍの間である）を有することで、緩衝室２８と外界を互いに繋ぎ合わせ、外孔２１１は内孔２４１と蒸気孔２２１とともに同軸に位置する。また、ケース２１は、蒸気室２６に対応する二つの送気孔２６２と緩衝室２８に対応する二つの抽気孔２８２とを有する。

第二実施例による操作方法は、前述の第一実施例により掲示される方法と同じであるため、詳しい説明を省く。また、ケース２１の高さは、現今の電子顕微鏡内の極片（pole pieces）間の距離に対応することが可能である。

図６から図８に示すように、本発明の第三実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置２０’は、第二実施例により掲示される装置とほぼ同じであるが、違うことは下記の通りである。

緩衝室２８’内の二つの内孔２４１’の上方と下方に別々に斜面隔離板２９を有することで、緩衝室２８’内部を分割して二つの副緩衝室２８８’が形成され、斜面隔離板２９は内孔２４１’と外孔２１１’とともに同軸に位置する緩衝孔２９６を有し、緩衝室２８’はケース２１’上の二つの抽気孔２８２’に対応し、副緩衝室２８８’はケース２１’上の抽気孔２８３’に対応する。そして、各緩衝孔の直径は１０μｍ〜４００μｍの間で、なおかつ内孔の直径と外孔の直径との間である。これにより、本実施例は、斜面隔離板２９を配置することで、ケース２１’の本来の高さを高めることなく、緩衝室２８’の数を増加させることが可能である。

第三実施例では、緩衝室２８’及び緩衝室２８８’の数を増加させることで、圧力漸減効果を生じ、緩衝室２８’及び緩衝室２８８’内の抽気速度の制御に柔軟性を与え、かつ圧力緩衝の効果を増加させることが可能である。これにより、蒸気室に気体を注入する圧力を７６０トル（torr）（大気圧）に増加させると同時に腔室２２’内では加圧装置２３’により液体試料１００に加える圧力により大気圧またはそれ以上に達する圧力を得ることが可能となる。本実施例では、加圧装置２３’により腔室２２’内の液体試料１００に加える圧力を７８０トル（torr）に増加させ、蒸気室２６に気体を注入する圧力と腔室２２’内の液体試料１００の間の圧力差を液体が蒸気孔２２１’から流出する臨界圧力以下（例えば、蒸気孔の直径が２０μｍ、その臨界圧力が２０トル（torr）以下である）に制御することで、腔室内２２’内の液体を蒸気孔２２１’から流出させないように蒸気形態で蒸気孔２２１’から蒸気室２６’へ徐々に揮発させる。また、本実施例を操作する場合、蒸気室２６’に注入される気体を総圧力が大気圧（７６０トル（torr））の窒素（Ｎ₂）または不活性気体と腔室内２２’内の液体の温度と同じ飽和蒸気の混合物に設定することで、腔室内２２’内の液体が揮発して蒸気になる速度を制御することが可能である。また、蒸気室２６’において液体試料１００が冷却して凝結することを防止するために、蒸気室２６’に注入される窒素、ヘリウムまたは他の気体を予め加熱し、その温度を液体試料１００の蒸気温度に等しいか、それより高い温度に制御することが必要である。また、緩衝室２８’と二つの副緩衝室２８８’の抽気速度を別々に１６０リットル／秒（Ｌ／ｓｅｃ）以上と２４０リットル／秒（Ｌ／ｓｅｃ）以上に制御し、かつ二つの副緩衝室２８８’の抽気速度を緩衝室２８’の抽気速度以上に維持することで、抽気回流の現象を防止することが可能である。これにより、二つの副緩衝室２８８’内の気体と蒸気を外孔２１１’からケース２１’の外へ拡散させないように完全に抽出すると同時に蒸気室２６’内部の気体圧力を常圧に達する環境に維持することが可能となる。

第三実施例の他の操作方法は、前述の実施例により掲示される方法と同じであるため、詳しい説明を省く。また、ケース２１’（図８に示す）の高さは現今の電子顕微鏡内の極片（pole pieces）間の距離に対応することが可能である。

図９と図１０に示すように、本発明の第四実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置３０は、第二実施例により掲示される装置とほぼ同じであるが、違うことは下記の通りである。

ケース３１は一側に扁平部３１２を有し、内孔３４１と外孔３１１は扁平部３１２に位置し、扁平部３１２全体の高さは１センチ（ｃｍ）またはそれ以下である。ケース３１は内部が複数の隔離板３４により分割され、蒸気室３６は上下方に上緩衝室３８と下緩衝室３８’を有する。また、ケース３１は、蒸気室３６に対応する送気孔３６２と、上緩衝室３８と下緩衝室３８’に対応する二つの抽気孔３８２とを有する。

また、第四実施例は、さらに内部に注入管３９１を有する試料治具３９を含む。ケース３１は、蒸気室３６と繋がる設置孔３６４を有する。試料治具３９は、設置孔３６４を貫通して蒸気室３６内に置かれる。腔室３２は箱体であり、腔室３２の頂面と底面に配置される蒸気孔３２１の厚さは周縁から中央へ漸減し、腔室３２の一端は開口部３２４を有する。かつ腔室３２は、一部分が試料治具内３９に置かれ、開口部３２４により注入管３９１と繋がる。加圧装置３３は、注入管３９１に連接する液体加圧ポンプである。腔室３２と試料治具３９との間には、接着剤３２６を有する。試料治具３９は、腔室３２の周囲において縦壁３９２を有することで、腔室３２を囲み、その位置を制限する。

第四実施例の使用方法は、前述の第二実施例により掲示される方法と同じであるため、詳しい説明を省く。また、加圧装置３３により腔室３２内の液体試料１００に圧力を供給する場合、腔室３２は試料治具３９に接着されるため、圧力により押し出されて試料治具３９から分離されることはない。また、縦壁３９２は位置を制限するものであるため、腔室３２を離脱させないように確保することが可能である。

また、第四実施例では、ケース３１の高さを増加させず、上緩衝室３８と下緩衝室３８’の内部に斜面隔離板（図中未表示）を配置することも可能である。その配置方法は、図６に示すように、上緩衝室３８と下緩衝室３８’の内部を分割して二つの副緩衝室（図中未表示）を形成することである。その達成できる効果は、多層の緩衝室を形成することで、緩衝室３８と緩衝室３８’と副緩衝室（図中未表示）の抽気速度の操作範囲を増大させ、圧力緩衝の効果を増加させることが可能である。これにより、蒸気室３６に気体を注入する圧力を７６０トル（torr）（大気圧）に増加させることが可能となる。また、多層の緩衝室の操作方法は、第三実施例に関わる説明を参照する。

図１１に示すように、本発明の第五実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置４０は、第四実施例により掲示される装置とほぼ同じであるが、違うことは下記の通りである。

ケース４１は内部が複数の隔離板４４により分割され、上緩衝室４８の上方には上部外緩衝室４８８を有し、下緩衝室４８’の下方には下部外緩衝室４８８’を有し、かつ上緩衝室４８と上部外緩衝室４８８との間の隔離板４４には緩衝孔４４３を有し、下緩衝室４８’と下部外緩衝室４８８’との間の隔離板４４には緩衝孔４４３’を有する。緩衝孔４４３と緩衝孔４４３’は、内孔４４１と蒸気孔４２１と外孔４１１とともに同軸に位置する。また、ケース４１は、上緩衝室４８と下緩衝室４８’に対応する二つの抽気孔４８２と、上部緩衝室４８８と下部緩衝室４８８’に対応する二つの抽気孔４８３とを有する。また、試料治具４９は一側に注入管４９１と繋がる注入口４９４を有し、注入口４９４はキャップ４９６により塞がれる。

第五実施例の操作方法は、前述の第三実施例により掲示される方法と同じであるため、詳しい説明を省く。また、試料治具４９の注入口４９４を腔室４２の近くに配置することで、液体試料１００を注入する位置から腔室４２までの距離を短縮することを可能にして、液体試料１００を速く注入しやすくなる。

図１２と図１３に示すように、本発明の第六実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置は、下記のものを備える。
ケース５１は内部が少なくとも一枚の隔離板５４により分割され、ケース５１内部に緩衝室５８を有し、緩衝室５８の外部に外緩衝室５８’を有し、緩衝室５８と外緩衝室５８’との間の隔離板５４において緩衝室５８の頂面と底面に位置する緩衝孔５８１を少なくとも二つ有し、また、ケース５１の頂面と底面に外界と繋がる外孔５１１を有し、また、ケース５１は緩衝室５８と繋がる設置孔５８３と、緩衝室５８に対応する二つの抽気孔５８５と、外緩衝室５８’に対応する抽気孔５８５’とを有する。

試料治具６１は設置孔５８３から緩衝室５８内に置かれ、試料治具６１の内部に送気管６２と、一端に開口部６６を有する蒸気ボックス６５とを有し、蒸気ボックス６５は前端の一部分が試料治具６１内に置かれ、かつ接着剤６３により接着され、そして、開口部６６により試料治具６１の送気管６２と繋がり、また、試料治具６１は送気管６２と繋がる送気孔６４を有し、また、試料治具６１は蒸気ボックス６５の周囲において縦壁６１１を有する。腔室６７は、若干の隔離板５４により蒸気ボックス６５内に形成され、内部が流体により充填される。加圧装置７１は、注入管７２により腔室６７と連接することで、腔室６７に気体、液体または液体と気体の混合物の分析試料を注入する。また、蒸気ボックス６５内の腔室６７の外には蒸気室６８を有し、腔室６７の頂面と底面には別々に蒸気室６８と繋がる蒸気孔６７１を有し、蒸気孔６７１の厚さは周縁から中央へ漸減し、また、蒸気ボックス６５の頂面と底面には別々に緩衝室５８と繋がる内孔６５１を有する。蒸気孔６７１と内孔６５１と緩衝孔５８１と外孔５１１とは、同軸である。

第六実施例は、ケースの内部に多層の緩衝室が形成されるものであり、前述の第三実施例により掲示される方法と同じであるため、詳しい説明を省く。また、送気管６２壁の温度と緩衝室５８及び緩衝室５８’の温度を送気管６４により注入される気体（蒸気と特定気体の混合物）の温度以上に設定することで、操作過程において注入される蒸気を冷却させて凝結させることを防止することが可能である。

また、第六実施例では、ケース５１の高さを増加させず、外緩衝室５８’内部に斜面隔離板（図中未表示）を配置することも可能である。その配置方法は、図６に示すように、外緩衝室５８’の上下方において内部を分割して二つの副緩衝室（図中未表示）を形成することである。これにより、多層の緩衝室を形成し、圧力漸減効果を果たし、緩衝室内の抽気速度の操作に柔軟性を与えることが可能である。これにより、圧力緩衝の効果を増加させることが可能となる。また、多層の緩衝室の操作方法は、第三実施例に関わる説明を参照する。また、前述の第三実施例により掲示される多層の緩衝室の構造により、蒸気ボックス６５内部の蒸気室６８内の気圧と腔室６７内に液体を注入する圧力を大気圧以上に達する環境に制御することが可能である。

また、第六実施例による装置は、真空または低圧環境下で大気圧以上に達する気体腔室を提供することも可能である。その実施方法は、前述のステップにおける加圧装置７１により腔室６７内に注入される液体試料を気体に変えれば、腔室６７内の環境を大気圧以上に達する状態に維持することが可能である。また、第六実施例のもう一つの操作方法は、試料治具６１の送気孔６４により蒸気室６８の気体を抽出することである。蒸気室６８は、このような操作方法により新しい緩衝室とすることができる。つまり、加圧装置７１により腔室６７内に注入される気圧を大幅に増加させることが可能である。

上述により、本発明の長所は、下記の通りである。
一、真空または低圧環境下で安定している液体環境を提供することで、凝固点から沸点の間の温度範囲において液体試料を常圧（大気圧）または大気圧以上の圧力環境に保持し、観察と分析をすることが可能である。かつ外孔と緩衝孔と内孔と蒸気孔とは同軸であるため、電子顕微鏡の電子ビームまたは他の装置のイオンビーム、原子ビーム、中性子ビーム、光束またはＸ線などの干渉性の高い光束（beams）を透過させて、腔室内の流体の観察または分析を進行させることが可能である。

二、本発明の技術により、ケースまたは扁平部全体の高さを１センチ以内に減少させることで、直接電子顕微鏡の極片（pole pieces）間の空間に配置することが可能である。したがって、現今の商品化されている電子顕微鏡の本来の設計を変えることなく、顕微鏡本体の外界圧力に等しいか、それより高い液体環境を提供し、観察と分析を進行させることが可能となる。

三、本発明により、腔室内の液体試料に生体細胞または他の試料を入れることが可能である。これにより、電子顕微鏡の電子ビームにより常温及び大気圧の液体状態下で生体細胞または液体試料中の他の試料の状態を観察することが可能となる。

本発明により掲示される蒸気孔と内孔と緩衝孔と外孔の直径、環境温度、水蒸気の圧力及び抽気速度は例示的なものに過ぎないため、本発明の範囲を限定するものではない。また、他の孔の直径及び気体と液体の圧力または抽気速度を修正することは、本発明の簡単な変化であるため、本発明の請求範囲に含まれるべきである。

本発明の第一実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置の部分的な断面を示す斜視図である。 本発明の第一実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 本発明の第一実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置の実施状態を示す模式図である。 本発明の第二実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置の部分的な断面を示す斜視図である。 本発明の第二実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 本発明の第三実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 本発明の第三実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置の部分的な断面を示す斜視図である。 本発明の第三実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置の実施状態を示す模式図である。 本発明の第四実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 図９の一部分を拡大した図である。 本発明の第五実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 本発明の第六実施例による真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法及び装置を示す断面図である。 図１２の一部分を拡大した図である。 周知の電子顕微鏡の試料槽の内部を示す模式図である。 周知の技術により環境槽が改装された電子顕微鏡に設けられている状態を示す模式図である。 周知の環境槽を示す断面図である。

符号の説明

１１ ケース、１２ 腔室、１３ 加圧装置、１４ 隔離板、１６ 蒸気室、１８ 緩衝室、２０ 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置、２０’ 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置、２１ ケース、２１’ ケース、２２ 腔室、２２’ 腔室、２３ 加圧装置、２３’ 加圧装置、２４ 隔離板、２６ 蒸気室、２６’ 蒸気室、２８ 緩衝室、２８’ 緩衝室、２９’ 斜面隔離板、３０ 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置、３１ ケース、３２ 腔室、３３ 加圧装置、３４ 隔離板、３６ 蒸気室、３８ 上緩衝室、３８’ 下緩衝室、３９ 試料治具、４０ 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置、４１ ケース、４２腔室、４４ 隔離板、４８ 上緩衝室、４８’ 下緩衝室、４９ 試料治具、５０ 真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置、５１ ケース、５４ 隔離板、５８ 緩衝室、５８’ 緩衝室、６１ 試料治具、６２ 送気管、６３ 接着剤、６４ 送気孔、６５ 蒸気ボックス、６６ 開口部、６７ 腔室、７１ 加圧装置、７２ 注入管、１００ 液体試料、１０２ 電子顕微鏡の試料槽、１０４ 極片、１１１ 外孔、１２１ 蒸気孔、１４１ 内孔、１６２ 送気孔、１８２ 抽気孔、２１１ 外孔、２１１’ 外孔、２２１ 蒸気孔、２２１’ 蒸気孔、２２３ 注入管、２４１ 内孔、２４１’ 内孔、２６２ 送気孔、２８２ 抽気孔、２８２’ 抽気孔、２８３’ 抽気孔、２８８’ 副緩衝室、２９６ 緩衝孔、３１１ 外孔、３１２ 扁平部、３２１ 蒸気孔、３２４ 開口部、３２６ 接着剤、３４１ 内孔、３６２ 送気孔、３６４ 設置孔、３８２ 送気孔、３９１ 注入管、３９２ 縦壁、４１１ 外孔、４２１ 蒸気孔、４４１ 内孔、４４３ 緩衝孔、４４３’ 緩衝孔、４８２ 抽気孔、４８３ 抽気孔、４８８ 上段外緩衝室、４８８’ 下段外緩衝室、４９１ 注入管、４９４ 注入口、４９６ キャップ、５１１ 外孔、５８１ 緩衝孔、５８３ 設置孔、５８５ 抽気孔、５８５’ 抽気孔、６１１ 縦壁、６５１ 内孔、６７１ 蒸気孔、６７２ 蒸気室

Claims (31)

1. ケースを用意し、ケース内部に腔室を配置し、少なくとも一枚の隔離板によりケース内部を分割し、腔室の外部に少なくとも一つの蒸気室を形成し、蒸気室の外部に少なくとも一つの緩衝室を形成し、腔室に液体試料を注入し、腔室と加圧装置を連接させることにより、腔室内の液体試料に所定の圧力を供給し、腔室の頂面と底面に別々に蒸気室と繋がる蒸気孔を設けて、蒸気室と緩衝室との間の隔離板に二つの内孔を設けることにより、蒸気室と緩衝室を互いに繋ぎ合わせ、二つの内孔を蒸気孔の上方と下方に位置させ、ケースの頂面と底面に別々に外界と繋がる外孔を設け、外孔と内孔と蒸気孔を同軸に位置させ、ケースに蒸気室に対応する送気孔と緩衝室に対応する抽気孔を設けるステップａ）と、
   ケースを真空または低圧環境に配置して腔室、蒸気室及び緩衝室の温度を同じ温度に制御するステップｂ）と、
   加圧装置により腔室内の液体試料にケース外の環境圧力よりも大きい所定の圧力を持続的に加えると同時に蒸気室に気体を注入し、蒸気室と腔室との間の圧力差を液体が蒸気孔から流出する臨界圧力以下に制御することで、腔室内の液体試料を蒸気孔から流出させないように蒸気形態で蒸気孔から蒸気室へ徐々に揮発させ、蒸気室中の気体と蒸気を内孔から緩衝室へ拡散させるステップｃ）と、
   所定の速度で抽気孔から緩衝室の気体を抽出することで、緩衝室内の気体と蒸気を外孔からケースの外部へ拡散させないように抽出するステップｄ）と、
   を含むことにより、真空または低圧環境下で高圧腔室を提供し、外孔と内孔と蒸気孔により液体試料の観察を進行させることが可能となることを特徴とする真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
2. 外孔の直径は、内孔の直径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
3. ステップｃ）では、腔室内の液体試料の温度は腔室の温度と同じであり、蒸気室に注入される気体温度は蒸気室の温度と腔室の温度に等しいか、それらより低いことを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
4. ステップｃ）では、気体は腔室内の液体試料の蒸気、特定気体または液体試料の蒸気と特定気体の混合物のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
5. 特定気体の温度は、液体試料の蒸気の温度に等しいか、それより高いことを特徴とする請求項４に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
6. 特定気体は、窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、不活性気体またはその混合物のいずれか一つであることを特徴とする請求項４に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
7. ステップｃ）では、加圧装置により腔室内の液体試料に加える所定の圧力は、５０トル（torr）以上であることを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
8. ステップa）では、加圧装置により腔室に液体試料を補充することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
9. ステップｃ）では、送気孔により蒸気室の気体を抽出して蒸気室の温度と腔室の温度とを一致させるように維持し、加圧装置により腔室に液体試料または液体に加えたい物質を注入し、蒸気室と腔室との間の圧力差または濃度差により腔室に進入させ、続いて、液体試料が腔室に充満すると、蒸気室に気体を注入し、前記過程では、緩衝室の気体を持続的に抽出することが必要であり、続いて、送気孔により蒸気室に気体を注入して所定の温度と圧力に達するまで制御することで、蒸気室との間の圧力差が原因で腔室内の液体試料を蒸気孔から溢れさせることなく、腔室内の液体試料を蒸気孔から徐々に揮発させて蒸気を形成し、蒸気室に拡散させ、加圧装置により拡散している微量水蒸気を持続的に補充することを特徴とする請求項１に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする方法。
10. ケースと、ケースの内部に配置される腔室と、ケース内部を分割する隔離板と、腔室の外部に形成される少なくとも一つの蒸気室と、蒸気室の外部に形成される少なくとも一つの緩衝室とを備え、
    腔室は流体により充填され、腔室内の液体試料に所定の圧力を持続的に供給する加圧装置と連接し、腔室の頂面と底面に別々に蒸気室と繋がる蒸気孔を有し、蒸気室と緩衝室との間の隔離板は内孔を二つ有することで、蒸気室と緩衝室を互いに繋ぎ合わせ、そのうちの二つの内孔が別々に蒸気孔の上方と下方に位置し、ケースは頂面と底面に外界と繋がる外孔を有し、外孔が内孔と蒸気孔とともに同軸に位置し、ケースは蒸気室に対応する送気孔と緩衝室に対応する抽気孔を少なくとも一つ有することを特徴とする真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
11. 蒸気孔の直径は、５μｍ〜１００μｍで、内孔の直径は１０μｍ〜２００μｍで、外孔の直径は２０μｍ〜８００μｍであり、内孔の直径は外孔の直径より小さいことを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
12. 腔室内の液体試料の厚さは、３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
13. ケース全体の高さは、１センチ（ｃｍ）以下であることを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
14. 腔室は、一側へ延びて注入管を形成し、加圧装置は注入管に連接する液体加圧ポンプであることを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
15. 緩衝室内の二つの内孔の上方と下方に別々に斜面隔離板を有することで、緩衝室内部を分割して二つの副緩衝室が形成され、斜面隔離板は内孔と外孔とともに同軸に位置する緩衝孔を有し、副緩衝室はケース上の抽気孔に対応することを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
16. 外側に位置する副緩衝室の抽気速度は、内側に位置する副緩衝室の抽気速度より大きいことを特徴とする請求項１５に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
17. 蒸気室に注入される気体は、蒸気室内の気圧を７６０トル（torr）以上に保持し、内側に位置する副緩衝室に対する抽気速度は１６０リットル／秒（Ｌ／ｓｅｃ）以上で、外側に位置する副緩衝室に対する抽気速度は２４０リットル／秒（Ｌ／ｓｅｃ）以上であることを特徴とする請求項１５に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
18. 緩衝孔の直径は、１０μｍ〜４００μｍであり、緩衝孔の直径は内孔と外孔の直径の間であることを特徴とする請求項１５に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
19. ケースは、一側に扁平部を有し、内孔と外孔は扁平部に位置付けられることを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
20. ケースは、内部が複数の隔離板により分割され、蒸気室は上下方に上緩衝室と下緩衝室を有することを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
21. 隔離板は、上緩衝室の上方に上部外緩衝室を有し、下緩衝室の下方に下部外緩衝室を有し、上緩衝室と上部外緩衝室との間の隔離板には緩衝孔を有し、下緩衝室と下部外緩衝室との間の隔離板には緩衝孔を有し、緩衝孔は内孔と蒸気孔と外孔とともに同軸に位置することを特徴とする請求項２０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
22. 蒸気孔の厚さは、周縁から中央へ漸減することを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
23. さらに内部に注入管を有する試料治具を有し、ケースは蒸気室と繋がる設置孔を有し、試料治具は設置孔を貫通して蒸気室内に置かれ、腔室は一端に開口部を有する箱体であり、腔室は一部分が試料治具内に置かれ、開口部により注入管と繋がり、加圧装置は注入管に連接することを特徴とする請求項１０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
24. 腔室と試料治具との間には、接着剤を有することを特徴とする請求項２３に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
25. 試料治具は、腔室の周囲において縦壁を有することを特徴とする請求項２３に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
26. 試料治具は、一側に注入管と繋がる注入口を有し、注入口はキャップにより塞がれることを特徴とする請求項２３に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
27. ケースは、内部が少なくとも一枚の隔離板により分割され、ケースの内部に緩衝室を有し、緩衝室の外部に外緩衝室を有し、緩衝室と外緩衝室との間の隔離板において緩衝室の頂面と底面に位置する緩衝孔を有し、ケースの頂面と底面に外界と繋がる外孔を有し、ケースは緩衝室と繋がる設置孔と、別々に緩衝室と外緩衝室に対応する抽気孔とを有し、
    試料治具は設置孔から緩衝室内に置かれ、試料治具の内部に送気管と、一端に開口部を有する蒸気ボックスとを有し、蒸気ボックスは一部分が試料治具の前端に置かれ、開口部により送気管と繋がり、試料治具は送気管と繋がる送気孔を有し、
    腔室は若干の隔離板により蒸気ボックス内に形成され、内部が流体により充填され、
    加圧装置は注入管により腔室と連接し、蒸気ボックス内の腔室の外には蒸気室を有し、腔室の頂面と底面には別々に蒸気室と繋がる蒸気孔を有し、蒸気ボックスの頂面と底面には別々に緩衝室と繋がる内孔を有し、蒸気孔と内孔と緩衝孔と外孔とは同軸であることを特徴とする真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
28. 蒸気ボックスと試料治具との間には、接着剤を有することを特徴とする請求項２７に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
29. 試料治具は、蒸気ボックスの周囲において縦壁を有することを特徴とする請求項２７に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
30. 加圧装置は、腔室に気体、液体または液体と気体の混合物を注入することを特徴とする請求項２７に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。
31. 箱体内の蒸気室は、箱体の内部の緩衝室として送気孔の気体を抽出することが可能であることを特徴とする請求項３０に記載の真空または低圧環境下で高圧腔室の操作及び観察を可能にする装置。

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