鎢燈絲掃描電鏡的原理及應(yīng)用

鎢燈絲掃描電鏡總發(fā)射電流和束斑都較大，抗干擾能力和穩(wěn)定性都較好，低真空下可以對不導(dǎo)電樣品無荷電成像，可用于形貌觀察、顯微結(jié)構(gòu)分析、斷口形貌分析，在材料、地質(zhì)、礦產(chǎn)、冶金、機械、化學(xué)、化工、物理、電子、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的用途。

鎢燈絲掃描電鏡工作原理

　　鎢燈絲掃描電鏡通過對電子槍內(nèi)的鎢燈絲加高電壓，使電子槍處于熱激發(fā)狀態(tài)，在陽極作用下，處于熱激發(fā)的電子槍就可以激發(fā)出電子束。經(jīng)過掃描線圈磁場的控制，電子束在樣品表面逐點掃描，激發(fā)出二次電子、背散射電子等物理信號，經(jīng)探測器收集、放大器放大后，調(diào)制得圖像。鎢燈絲掃描電鏡適合大量的常規(guī)檢測。

鎢燈絲掃描電鏡和場發(fā)射掃描電鏡的區(qū)別

1、點源直徑不同及優(yōu)劣

　　鎢燈絲掃描電鏡電子槍陰極使用0.1mm直徑的鎢絲制成V極)，使用V形的作為點發(fā)射源，曲率半徑大約為0.1mm;場發(fā)射掃描電鏡電子槍陰極使用0.1mm直徑的鎢絲，經(jīng)過腐蝕制成針狀的尖陰極，一般曲率半徑在100nm~1μm之間。由于制作工藝上的差異，造價不同，發(fā)叉式鎢絲陰極便宜，場發(fā)射陰極很貴。

2、發(fā)射機制不同和優(yōu)劣

　　鎢燈絲掃描電鏡屬于熱發(fā)射，在燈絲電極加直流電壓，鎢絲發(fā)熱，使用溫度一般在2600K~2800K之間，鎢絲有很高的電子發(fā)射效率，溫度越高電流密度越大，理想情況下的的電子槍亮度越高。由于材料的蒸發(fā)速度隨溫度升高而急劇上升，因此鎢燈絲的壽命比較短，一般在50~200小時之間，這個和設(shè)定的燈絲溫度有關(guān)。由于電子發(fā)射溫度高，發(fā)射的電子能量分散度大，一般2ev，電子槍引起的色差會比較大。

　　場發(fā)射掃描電鏡電子槍主要的發(fā)射機制不是靠加熱陰極，而是在尖陰極表面增加強電場，從而降低陰極材料的表面勢壘，并且可以使得表面勢壘寬度變窄到納米尺度，從而出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，在常溫甚至在低溫下，大量低能電子通過隧道發(fā)射到真空中，由于陰極材料溫度低，一般材料不會損失，因此壽命很長，可使用上萬小時。

3、電子槍控制方式和電子源直徑不同和優(yōu)劣性

　　鎢燈絲掃描電鏡是三極自給偏壓控制，具有偏壓負反饋電路，因此發(fā)射電流穩(wěn)定度高;由于陰極發(fā)射點源面積大，因此電子源尺寸也比較大，50~100μm，發(fā)射可達幾十~150μA，但電子槍的亮度低，因此當(dāng)電子束斑聚焦到幾個納米的時候，總的探針電流很小，信噪比太低是限制圖像分辨率的根本因素，當(dāng)前Z佳鎢燈絲掃描電鏡Z佳分辨率3.0nm。

　　場發(fā)射掃描電鏡電子槍沒有偏壓負反饋電路，外界電源的穩(wěn)定度是決定因素，發(fā)射電流穩(wěn)定度相比要低一些;由于尖陰極發(fā)射電源面積很小100nm左右，沒有明顯的電子源，因此使用虛電子源作為電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的初始物而存在，電子虛源直徑一般在2~20nm，電子槍亮度相比鎢燈絲提高上千倍。當(dāng)束斑尺寸縮小到1nm以下時依然具有足夠強的探針電流來獲得足夠的成像信號，因此分辨率高，當(dāng)前Z佳的場發(fā)射掃描電鏡分辨率實現(xiàn)了亞納米級別。

4、系統(tǒng)真空度不同及優(yōu)劣

　　鎢燈絲掃描電鏡使用一般的高真空，兩級真空泵系統(tǒng)獲得0.001pa的真空度即可滿足，因此造價低。場發(fā)射掃描電鏡使用超高真空，需要三級真空泵必須獲得0.0000001Pa上的真空度才可以穩(wěn)定工作。原因在于電子槍尖陰極不耐較低的真空中被電離的離子轟擊，否則槍尖很容易被掃平而失效，這時候的性能還不如鎢燈絲，其次電子槍陰極在較低的真空下，吸附的氣體分子會急劇加大陰極材料的表面勢壘，造成電子槍發(fā)射不穩(wěn)，亮度降低，所以必須使用超高真空一般是10的-8超高真空系統(tǒng)的造價明顯比鎢燈絲高很多。超高真空的潔凈度要好于鎢燈絲的一般高真空，因此很長時間，也就是在燈絲壽命內(nèi)，系統(tǒng)可以免清洗和維護。鎢燈絲掃描電鏡相對維護周期要短一些。

　　鎢燈絲掃描電鏡和場發(fā)射掃描電鏡是具有明顯檔次差異的，這也從價格上明確反映。鎢燈絲掃描電鏡十幾萬美元，場發(fā)射掃描電鏡幾十萬美元。

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