１１．電子分光結像法

図1　元素と電子との相互作用を示す図

	図2　 型エネルギーフィルタ電子顕微鏡の航路図

　さて、光をプリズムで7色の虹スペクトルに分けるように、もしこれらの電子をエネルギーのスペクトルに分け、特定のエネルギーの電子線のみで結像できれば非弾性散乱電子を除去して分解能やコントラストを改善できるのみならず、逆に非弾性散乱電子から特定元素の位置情報（元素マッピング）を得ることもできる。このように電子線をエネルギースペクトルに分け、特定エネルギーの電子だけで結像させる方法が電子分光結像法（Electron　Spectroscopic Imaging）であり、そのための特定エネルギーの電子線だけを抽出する装置をエネルギーフィルターという。エネルギーフィルターは質量分析機に似ており、対物、中間レンズ透過後に電子線を付加的な磁場軌道に導き、損失エネルギーに依存する屈折角の違いをもとにスペクトルに分ける。これがElectron Energy Loss Spectrum（一般にEELS）である。
このスペクトルの一部分を取り出して、像形成を行うのがエネルギーフィルター（分光器）電子顕微鏡である。フィルターは中間レンズと投射レンズの間に置くin columnタイプとカメラ室の後につけるpost columnタイプの2種類あるが、結像をおもな目的とする場合、前者が一般的である。図2は日立ハイテクノロジーズの田谷、谷口らが開発したタイプのエネルギーフィルター顕微鏡（エネルギーフィルター像観察システム　日立電子顕微鏡EF-1000）の結像光学系である。フィルター内の電子線の軌道がギリシャ文字の""に似ているのでこの名前が付けられた。フィルター前方（中間レンズの後焦点面）に収束した回折像をフィルター後面のエネルギー分散面上に倍率1で結像している。同様に像面もフィルター入口前方に存在する入射像はフィルター出口後方の像面に同じく倍率1で結像する。エネルギーフィルター内部では磁場によりいったんエネルギー分散されるものの、このフィルター出口後方の像面に再びエネルギーが収束して通常の透過電子顕微鏡像が現れる（エネルギー分散が一時的に隠されるところから、この像面を色消し像面と呼ぶ）。その後再び分散を始めエネルギー分散面上ではElectron Energy Loss Spectrum(EELS)が形成される。図2ではゼロロス電子（エネルギーE_o）の軌道は黒で、試料中で△Eだけエネルギーロスした電子（エネルギーE_o-△E）の軌道は赤で示してある。エネルギー分散面にエネルギー選択用のスリットを設けて、色消し像を形成する電子のうち特定のエネルギー電子のみを選択できるようにする。そして、投影レンズには特定エネルギー電子のみが入射され、拡大されて蛍光板に結像する。すなわち、色消し像に含まれる特定エネルギー電子による結像部分（たとえば特定元素に由来する像）だけをろ過（フィルター）していることになる。したがって、最終像をフィルター像ともいい、このような顕微鏡をフィルター顕微鏡と呼んでいる。エネルギーの選択はスリットを動かすのではなく、△Eだけエネルギーロスした電子による像を得るには加速電圧を△Eだけ上げればよい。これにより目的の電子線のエネルギーはE_oに戻りスリットを通過できる。したがって、さまざまなエネルギーを持つ電子線を選択的に結像できる。スリット幅は観察視野との関係から極端に狭くすることはできず、せいぜい20〜30であるから、エネルギーフィルターの性能はその分散能力で決まる。分散能力が高ければスリット幅はある程度広げたままでも（観察視野を広げたまま）像のエネルギー分解能を向上させることができる。今のところ普通の電子顕微鏡の視野と比べ70%程度の視野率で、像のエネルギー分解能は10〜20 eVである。参考例としてエネルギーフィルター顕微鏡により得られたカエル視細胞シナプス部のCaとリン（P）のマッピング像を図に掲載する（図3）。

Caコアロス電子だけによる像を得るため、実際には多重散乱などでCaコアロスピークには多くの背景電子が含まれる。そこで、コンピュータ画像処理によりCaコアロス電子のピークを含むスペクトル像から隣接する20 eV幅のスペクトル像を差し引いて、バックグラウンドを除くことで求められた（図4）。

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