JP2016219102A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】真空室内に燃料ガスや酸化剤ガスがリークしてしまうことを抑制する。【解決手段】真空室内に、電子銃と、電子検出部と、試料を保持する試料ホルダとが配置される電子顕微鏡である。試料ホルダは、密閉された空間を内部に有する。空間内において、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体が試料として保持される。膜電極接合体の両外側の面にアノード極とカソード極が配置される。一対の電極の内のアノード極側の電極に水を、一対の電極の内のカソード極側の電極に空気をそれぞれ供給し得るように、水および空気が空間内においてそれぞれ密封される。さらに、アノード極側の水がカソード極側に移動するように、アノード極とカソード極との間に電流を流す電源装置を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電子顕微鏡に関する。

従来の電子顕微鏡では、例えば、特許文献１に記載されているように、電子線透過膜を有する隔壁によって仕切られたガス雰囲気室に膜電極接合体を配置し、膜電極接合体に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給するように構成されていた。この構成によれば、固体高分子型燃料電池を発電した状態で観察することができる。

特開２０１４−１０２８７９号公報 特開２０１３−１３４９４５号公報 特開２０１４−０２２３２３号公報

電子顕微鏡の鏡筒を含む真空室内には、電子銃や電子検出部が配置される。従来の技術では、燃料ガスと酸化剤ガスとをガス雰囲気室で流通させる必要があることから、ガスの圧力によりガス雰囲気室の隔壁から、真空室内に燃料ガスや酸化剤ガスがリークしてしまう虞があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態は、真空室内に、電子銃と、電子検出部と、試料を保持する試料ホルダとが配置される電子顕微鏡である。前記試料ホルダは、密閉された空間を内部に有する。前記空間内において、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体が前記試料として保持される。前記膜電極接合体の両外側の面にアノード極とカソード極が配置される。前記一対の電極の内の前記アノード極側の電極に水を、前記一対の電極の内の前記カソード極側の電極に空気をそれぞれ供給し得るように、前記水および前記空気が前記空間内においてそれぞれ密封される。さらに、前記アノード極側の水が前記カソード極側に移動するように、前記アノード極と前記カソード極との間に電流を流す電源装置を備える。

上記構成の電子顕微鏡によれば、電源装置を駆動して膜電極接合体に電流を流すことによって、膜電極接合体を含む空間内に燃料ガスおよび空気を流すことなく、水素ポンプの原理により、膜電極接合体を発電状態とすることができる。このため、真空室内にガスがリークしてしまうことを抑制できる。

本発明の一実施形態としての電子顕微鏡の概略構成を示す説明図である。 試料ホルダと電源装置とを示す説明図である。 試料ホルダの側面図である。 組合せ体の分解斜視図である。 電源装置を駆動したときの作用を示す説明図である。 変形例を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての電子顕微鏡の概略構成を示す説明図である。図示するように、電子顕微鏡１００は、鏡筒１１０と、試料室１２０とを備える。鏡筒１１０の内部には、電子銃１１２と、コンデンサレンズ１１４と、対物レンズ１１６とが設けられている。試料室１２０の内部には、試料ホルダ１２２と、電子検出器１２４とが設けられている。ここでは、電子顕微鏡１００が走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭ）である場合について説明するが、電子顕微鏡は、透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）に替えることもできる。

鏡筒１１０と試料室１２０との間は連通している。鏡筒１１０および試料室１２０の内部は、排気装置（図示省略）によって減圧排気されて、真空に近い状態となっている。鏡筒１１０および試料室１２０が、本発明の一形態における「真空室」の下位概念である。真空室は、絶対真空である必要はなく、電子顕微鏡において必要となる真空度であれば良い。

電子銃１１２は、電子線ＥＢを発生させる。電子銃１１２は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線ＥＢを放出する。

コンデンサレンズ１１４は、電子銃１１２の後段に配置されている。コンデンサレンズ１１４は、電子銃１１２から放出された電子線ＥＢを集束する。

対物レンズ１１６は、コンデンサレンズ１１４の後段に配置されている。対物レンズ１１６は、電子線ＥＢを結像する。

試料ホルダ１２２は、試料としての膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０を保持する。対物レンズ１３０によって電子線ＥＢが結像される位置に、ＭＥＡ１０は位置決めされる。

ＭＥＡ１０は、電解質膜１１を含んでおり、電解質膜１１の一方の面には触媒電極層（アノード）１２が形成されており、電解質膜１１の他方の面には触媒電極層（カソード）１３が形成されている。電解質膜１１としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜、例えばナフィオン（登録商標）を用いることができる。触媒電極層１２、１３としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。

電子検出器１２４は、ＭＥＡ１０に向かい合う位置に配置され、電子を検出する。

上記構成の電子顕微鏡１００では、電子銃１１２から照射された電子線ＥＢは、コンデンサレンズ１１４および対物レンズ１１６によって極めて細く絞られ、試料ホルダ１２２に保持されたＭＥＡ１０に入射する。このとき、ＭＥＡ１０から電子が散乱し、この電子を電子検出器１２４によって検出する。

Ｂ．試料ホルダの構成：
図２は、試料ホルダと電源装置とを示す説明図である。図２中の試料ホルダ１２２は、縦断面にて示されている。図３は、試料ホルダの側面図である。図３は、図２においてＸ方向に見た図である。図２および図３に示すように、試料ホルダ１２２は、筺体本体部２０と、筺体蓋部４０とを備える。筺体本体部２０は、上面側に略直方体形状の収納凹部２２を備える。収納凹部２２に、ＭＥＡ１０を含む組合せ体５０が収納される。

図４は、組合せ体５０の分解斜視図である。図３および図４に示すように、組合せ体５０は、ＭＥＡ１０と、絶縁体５２と、アノード金属板５４と、カソード金属板５６とを備える。アノード金属板５４が本発明の一形態における「アノード極」の下位概念であり、カソード金属板５６が本発明の一形態における「カソード極」の下位概念である。

絶縁体５２は、板状であり、ＭＥＡ１０がセットされる矩形状の切欠部５２ａを有する。絶縁体５２は、電気絶縁材料によって形成される。絶縁体５２とＭＥＡ１０の厚さはほぼ同一であり、切欠部５２ａにＭＥＡ１０がセットされる。この結果、絶縁体５２の一方の面とＭＥＡ１０の一方の面１０ａとが面一となる。ＭＥＡ１０の一方の面１０ａは、触媒電極層（アノード）１２における電解質膜１１が配置された面とは異なる面である（図４参照）。また、絶縁体５２の他方の面とＭＥＡ１０の他方の面１０ｂとが面一となる。ＭＥＡ１０の他方の面１０ｂは、触媒電極層（カソード）１３における電解質膜１１が配置された面とは異なる面である（図４参照）。

面一となった絶縁体５２の一方の面およびＭＥＡ１０の一方の面１０ａに、アノード金属板５４が配置されている。面一となった絶縁体５２の他方の面およびＭＥＡ１０の他方の面１０ｂに、カソード金属板５６が配置されている。このように組み合わされた、ＭＥＡ１０と絶縁体５２とアノード金属板５４とカソード金属板５６との組合せ体５０は、収納凹部２２に対して、収納凹部２２の深さ方向がＭＥＡ１０の面１０ａ，１０ｂに沿った方向と一致するように収納される。なお、収納されたとき、組合せ体５０の上側の面５０ａ（図２）は、筺体本体部２０の上側の面（図２）と面一となる。

組合せ体５０において、アノード金属板５４におけるＭＥＡ１０の一方の面１０ａと接触する部分表面には、矩形状の凹部５４ｈが形成されている。カソード金属板５６におけるＭＥＡ１０の他方の面１０ｂと接触する部分表面には、矩形状の凹部５６ｈが形成されている。アノード金属板５４の有する凹部５４ｈには水が入れられている。カソード金属板５６の有する凹部５６ｈには空気が入れられている。

筺体本体部２０におけるＭＥＡ１０の面１０ａ，１０ｂと対向する一対の側面１０ｃ，１０ｄには、ボルト６０,６２が螺合されている。各ボルト６０,６２の軸方向がＭＥＡ１０の面１０ａ，１０ｂに対して垂直な方向と一致するように、ボルト６０,６２が螺合されており、螺合を十分にしめたときに、ボルト６０,６２の先端がアノード金属板５４およびカソード金属板５６に達し、所定の面圧でもってアノード金属板５４およびカソード金属板５６を押圧する。

組合せ体５０が収納された筺体本体部２０の上部には、電子線透過窓７０を挟んだ状態で、筺体蓋部４０が配置される。筺体蓋部４０には、筺体蓋部４０の厚さ方向に貫通する貫通孔４２が形成されている。電子線透過窓７０は、組合せ体５０の上側の面５０ａの上部に位置するとともに、筺体蓋部４０の貫通孔４２の開口端の下部に位置する。電子線透過窓７０には、電子線を透過する電子線透過膜７０ａ（図４）が配置されている。こうした構造によって、試料ホルダ１２２に入射した電子線は、貫通孔４２を通過し、電子線透過膜７０ａを透過し、ＭＥＡの側面１０ｃに達する。

筺体蓋部４０の底面には、環状の溝４０ａが形成されており、この溝４０ａにＯリング７２が嵌着されている。Ｏリング７２は、断面が円形のドーナツ形状のシール部材である。筺体本体部２０の上部に筺体蓋部４０が配置された状態で、図示しない締め付け機構によって、筺体蓋部４０が筺体本体部２０に対して締め付けられる。この結果、筺体本体部２０に形成された収納凹部２２を含む空間が密閉される。

筺体本体部２０には、リード線用の貫通穴８０，８２が設けられている。各貫通穴８０，８２は、筺体本体部２０の外側表面から収納凹部２２に達している。各貫通穴８０，８２には、リード線９２，９４が挿嵌されており、一方のリード線９２はアノード金属板５４に接続され、他方のリード線９４はカソード金属板５６に接続される。なお、各貫通穴８０，８２は、リード線９２，９４が挿嵌された状態でガス漏れがないように、シール性を発揮する構造となっている。

各リード線９２，９４は、試料ホルダ１２２の外側に配置される電源装置９０に接続される。詳しくは、アノード金属板５４に接続されるリード線９２は電源装置９０のプラス側の端子に接続され、カソード金属板５６に接続されるリード線９４は電源装置９０のマイナス側の端子に接続される。

図５は、電源装置９０を駆動したときの作用を示す説明図である。電源装置９０を駆動したとき、ＭＥＡ１０とアノード金属板５４とカソード金属板５６とのサンドイッチ構造体に電流が流れ、サンドイッチ構造体は水素ポンプとして動作する。アノードおよびカソードの三相界面で、それぞれ 以下の電気化学反応が進む。
アノード: Ｈ_２Ｏ→（１／２）・Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード: （１／２）・Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ

上記の電気化学反応の結果、アノード金属板５４側の水がカソード金属板５６側に移動する水の輸送現象を引き起こす。これによって、燃料電池の発電を模した状態を作ることができる。

Ｃ．実施形態の効果：
以上、詳述したように、本実施形態の電子顕微鏡１００によれば、電源装置９０を駆動してＭＥＡ１０に電流を流すことによって、ＭＥＡ１０を含む空間内に燃料ガスおよび空気を流すことなく、水素ポンプの原理により、ＭＥＡ１０を発電状態とすることができる。このため、真空室内に燃料ガスや空気がリークしてしまうことを抑制できる。したがって、本実施形態の電子顕微鏡１００によれば、真空室内の真空度が低下し、電子顕微鏡１００の精度が低下することを防止できる。

また、本実施形態の電子顕微鏡１００によれば、電子顕微鏡観察を長時間行なって、アノード金属板５４の有する凹部５４ｈに密封した水の全てがカソード金属板５６側に移動した場合には、電源装置９０の接続をプラス／マイナスを逆転させることで、カソード金属板５６の有する凹部５６ｈに蓄えられた水をアノード金属板５４側に移動させることで、電子顕微鏡観察を継続して行うことができる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
図６は、実施形態の変形例１を示す説明図である。前記実施形態では、ＭＥＡ１０の側面に電子線を入射する構成とした。これに対して、変形例１として、ＭＥＡ１０の触媒電極層（カソード）１３に電子線を入射する構成としてもよい。図中において、変形例１では、第１実施形態と対応するパーツについては、下二桁が共通の２００番台の符号として示した。ＭＥＡ１０と絶縁体２５２とアノード金属板２５４とカソード金属板２５６との組合せ体は、それらの平面方向が電子線に対して垂直となる横方向に載置される。かかる構成でも、第１実施形態と同様に、真空室内の真空度がガスリークによって低下し、電子顕微鏡の精度が低下することを防止できる。

・変形例２：
前記実施形態では、カソード金属板５６に凹部５６ｈを形成して、この凹部５６ｈに空気を蓄えるようにいた。これに対して、変形例２として、特別な凹部５６ｈを作ることなく、部品の組み立て誤差による隙間に空気が残る構成とし、その空気がカソード極に供給されるようにしてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…ＭＥＡ
１１…電解質膜
１２…触媒電極層（アノード）
１３…触媒電極層（カソード）
２０…筺体本体部
２２…収納凹部
４０…筺体蓋部
４０ａ…溝
４２…貫通孔
５０…組合せ体
５０ａ…上側面
５２…絶縁体
５２ａ…切欠部
５４…アノード金属板
５４ｈ…凹部
５６…カソード金属板
５６ｈ…凹部
６０…ボルト
７０…電子線透過窓
７２…Ｏリング
７０ａ…電子線透過膜
８０，８２…貫通穴
９０…電源装置
９２，９４…リード線
１００…電子顕微鏡
１１０…鏡筒
１１２…電子銃
１１４…コンデンサレンズ
１１６…対物レンズ
１２０…試料室
１２２…試料ホルダ
１２４…電子検出器
１３０…対物レンズ
２５２…絶縁体
２５４…アノード金属板
２５６…カソード金属板
ＥＢ…電子線

Claims (1)

1. 真空室内に、電子銃と、電子検出部と、試料を保持する試料ホルダとが配置される電子顕微鏡であって、
   前記試料ホルダは、密閉された空間を内部に有し、
   前記空間内において、電解質膜の両面に一対の電極を配置した膜電極接合体が前記試料として保持され、
   前記膜電極接合体の両外側の面にアノード極とカソード極が配置され、
   前記一対の電極の内の前記アノード極側の電極に水を、前記一対の電極の内の前記カソード極側の電極に空気をそれぞれ供給し得るように、前記水および前記空気が前記空間内においてそれぞれ密封され、
   さらに、
   前記アノード極側の水が前記カソード極側に移動するように、前記アノード極と前記カソード極との間に電流を流す電源装置を備える、電子顕微鏡。

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