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투과형 전자현미경(transmission electron microscope/TEM)
투과형 전자현미경은 다음의 3가지 필수적인 장치가 있다.
전자 빔을 쏘는 전자총과 빔의 초점을 조절하는 집광계, 대물렌즈·재물대·중간렌즈·투영렌즈로 구성된 상 형성계(image-producing system), 전자의 상을 우리가 인지할 수 있는 상으로 전환시켜주는 상 기록계(image-recording system)인 형광 스크린과 사진기로 구성된다.
여기에 추가하여 진공 펌프와 밸브로 구성되는 진공장치와 안정된 전력 공급장치도 필요하다.
① 전자총과 집광계：전자원은 전자총의 음극으로 V형의 텅스텐 필라멘트 또는 육붕소화란탄의 뾰족한 막대로 되어 있으며 필라멘트는 베늘트 실린더(Wehnelt cylinder：전자를 정전적으로 집속시켜주는 금속제의 원통 전극)에 의해 둘러싸여 있다. 집광렌즈는 전자총과 표본 사이에 위치하며 전자 빔의 강도와 구경각(angular aperture)을 조절하는 역할을 한다.
② 상 형성계：표본은 진공실 안의 재물대에 고정되며 재물대는 외부의 조절장치에 의해 움직일 수 있다. 대물렌즈는 초점거리(1~5㎜)가 짧으며 20~200×의 중간상을 형성해준다. 이 상은 다시 투영렌즈에 의해 더욱 확대되는데 1개의 투영렌즈로는 5×의 확대가 가능하다.
최근의 현미경에는 2개의 투영렌즈가 이용되며 이중 하나는 중간렌즈(intermediate aper-ture)라 한다. 최종 배율은 1,000~25만 ×로 하는 것이 일반적이다. 더욱 높은 배율이 필요하면 이것의 사진을 다시 확대하면 된다(→ 광상).
③ 상의 기록：전자에 의해 형성되는 상은 현미경의 기저부에 위치한 형광 스크린을 통해 볼 수 있도록 다시 전환되는데 이것을 통해 상을 조사하고 초점을 조절한다.
여기에는 저배율의 광학현미경이 부착되어 있어 스크린의 상을 10×까지 확대시킬 수 있지만 스크린 자체의 입자로 인해 자세한 부분은 나타나지 않는다. 그러나 전자의 상을 사진건판에 나타내면 스크린에서는 확인되지 않던 세밀한 부분까지도 나타난다.
초고압 전자현미경(high-voltage electron microscope)
일반 전자현미경은 200~300kV 정도의 전압이 이용되지만 초고압 전자현미경에서는 1,500kV까지의 높은 전압을 이용하므로 전압 상승에 따른 해상능의 향상, 표본에 대한 전자의 투과도 향상, 표본에 의한 전자의 에너지 손실과 분산으로 발생하는 색수차의 감소, 전자에 의한 표본의 가열과 복사에 의한 손상의 감소 등의 이점이 있다.
100kV일 때에 비해서 5,000kV에서 해상능의 향상률은 이론적으로 2.5×이지만 실제로는 그만큼의 효과가 나타나지는 않는다. 초고압 전자현미경은 주로 전자의 투과도를 높이고 색수차를 감소시킬 목적으로 사용된다. 그러나 상이 뚜렷하지 않다는 결점과 안정된 고전압을 유지해야 하는 데 따르는 기술적인 어려움이 남아 있다.
주사형 전자현미경(scanning electron microscope/SEM)
주사형 전자현미경은 물체의 표면구조를 관찰하는 데 이용된다.
투과형 전자현미경과는 달리 전자 빔이 표본의 표면을 체계적으로 이동하며 조사한다. 표본의 표면에서 반사된 전자는 모아져 섬광체(scintillator：전자가 충돌하면 섬광을 내는 결정체)를 통과하면서 빛을 내게 된다. 이 빛은 광전자증배관(photomultiplier)에 의해 증폭된 광전류로 전환된 다음, 전류는 다시 전시용 음극관인 텔레비전의 스크린에 영상으로 전환된다. 부피가 큰 물체도 직접 표본으로 사용될 수 있으며 특별한 표본 제작과정은 필요하지 않다.
그러나 선명한 상을 얻기 위해서는 시료의 표면에 얇은 금속막(두께 50~100Å)을 증착(烝着)시키거나 경우에 따라서는 방전제를 분무해야 한다.
전자탐침 미량분석기(electron-probe microanalyzer)
전자가 물체에 충돌할 때 발생하는 X선의 세기를 측정함으로써 미량의 원소나 성분을 분석하는 기기이다.
장(場)방출 현미경(field-emission microscope)
전자방출 현미경이라고도 하며 금속을 분석하는 데 이용된다.
음극선관의 내부에 분석하려는 금속선을 넣고 높은 전기장의 끝에서부터 전자를 방출시키면 전자는 음극관의 스크린에 도달하여 상을 형성한다. 이와 유사한 원리를 이용한 것으로서 장이온 현미경(field-ion microscope)이 있는데 이것은 결정구조의 결함이나 금속표면의 화학반응과 방사선 효과를 관찰하는 데 적합하다.
양성자산란 현미경(proton-scattering microscope)
이온총으로부터 나오는 양성자를 구리나 텅스텐 같은 금속에 충돌시켜 산란되는 결과를 형광 스크린에 나타나게 하므로 금속의 결정구조를 조사할 수 있도록 만들어진 현미경이다.
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