通常，臺式掃描電鏡（sem）利用熱電子源，在加熱掃描電鏡燈絲時發(fā)射電子。雖然工作原理是相同的，但不同的熱電子源會表現(xiàn)出不同的性能。由于ceb6燈絲具有較高的亮度和較長的使用壽命，所以飛納臺式掃描電鏡選擇ceb6燈絲作為電子源。起到關(guān)鍵作用的參數(shù)之一是發(fā)射電流的穩(wěn)定性。ceb6燈絲在穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)如何？如何使飛納臺式掃描電鏡zui大限度地發(fā)揮ceb6燈絲的潛力？這篇博客會幫助了解這些疑問。
掃描電子顯微鏡中熱電子源的工作原理
在之前一篇關(guān)于燈絲的博客中，我們討論了ceb6燈絲和鎢燈絲的性能。ceb6燈絲和鎢燈絲都是熱電子源，通常也稱作陰極，其作用是發(fā)射電子。當電子吸收到足夠的能量就能越過勢壘發(fā)射出來，勢壘是由陰極材料(如鎢燈絲或ceb6)的函數(shù)決定的。
能量是通過加熱陰極燈絲提供的，電流流過燈絲時就能對其加熱。對于陰極來說，韋式冒相對于陰極是負電位，這個負電位可以把不需要的電子推回進燈絲，從而有效調(diào)節(jié)發(fā)射區(qū)域的大小。
在陰極和韋氏帽電極的下面，陽極提供了一個強電場，或者一個強透鏡，使電子束在韋氏帽和陽極之間匯聚。圖1是 ceb6燈絲的示意圖，包括一個燈絲、一個韋氏帽電極和一個陽極。燈絲，和韋氏帽都處于高電位，而陽極是接地的。位于燈絲和陽極之間的電路能夠測量發(fā)射電流。
圖1：熱電子源的示意圖，由ceb6單晶燈絲、韋氏帽電極和陽極組成。紅色部分表示電子的運動軌跡，左右兩邊的紅色部分代表的是韋氏帽電壓將發(fā)散的電子推回燈絲，下面紅色部分代表的是初級入射電子束的軌跡。
熱電子源的比較：ceb6燈絲、lab6燈絲和鎢燈絲
ceb6燈絲不是熱電子源的*陰極，lab6燈絲和鎢燈絲也經(jīng)常被使用。
鎢燈絲是一種彎曲的細絲狀燈絲，以減小發(fā)射表面的尺寸。它們通常被加熱到2500-3000 k的溫度，以實現(xiàn)高電流密度， 其功函數(shù)為4.5 ev。在2800 k下，電流密度的實際值為3 a/cm2。
鎢燈絲的使用壽命可以在40到200小時之間變化，會受到陰極材料蒸發(fā)的限制，當它變得太薄時就會導(dǎo)致燈絲斷裂。為了防止過度氧化，鎢燈絲需要被保存在10-3 pa的真空中。
六硼化鈰和六硼化鑭（ceb6和lab6）燈絲為扁平的棒狀， 它們的工作溫度為1400-2000 k，因為它們的功函數(shù)比鎢燈絲低（lab6是2.7 ev，ceb6是2.5 ev）。低功函數(shù)和低溫產(chǎn)生比鎢陰??極更高的電流密度，范圍在20-50a / cm2。
典型地，六硼化物陰極比鎢陰極亮10倍，這意味著它們在樣本處提供更小光斑尺寸的更高電子束電流。而且，六硼化物陰極的壽命更高，通常是鎢陰極的壽命的10倍。
然而，六硼化物陰極需要高于10-4pa的真空以防止氧化。六硼化鑭燈絲的性能在很大程度上取決于真空和溫度。研究表明ceb6燈絲受碳污染的影響要小于lab6燈絲。而且，與lab6相比，ceb6燈絲在1800k的工作溫度下具有較低的蒸發(fā)速率。因此ceb6燈絲的使用壽命更長。
下表總結(jié)了三個熱電子源的物理性質(zhì):
發(fā)射電流的穩(wěn)定性——飛納臺式掃描電鏡ceb6燈絲
發(fā)射電流的穩(wěn)定性對于熱電子源非常關(guān)鍵。在掃描電鏡的操作過程中，通過在恒定的控制回路中調(diào)節(jié)韋氏帽電壓，使發(fā)射電流保持穩(wěn)定。如圖1所示，通過燈絲和陽極之間的電路在源中測量發(fā)射電流。然后根據(jù)測量出來的數(shù)值來調(diào)整韋氏帽電壓。
對于給定的設(shè)置，樣品電流保持不變是非常重要的。自動功能根據(jù)發(fā)射電流測量樣品電流。通過改變wehnelt上的電壓來調(diào)節(jié)發(fā)射電流，從而調(diào)節(jié)推回到燈絲中的電子的量，以獲得恒定的燈絲溫度。樣品上的電流可以從參照物bsd探測器拍攝的圖像信號間接測量。
*狀態(tài)如圖2所示的藍色部分，樣品電流的zui大值為62 µa。如果峰值是在此值之前或之后，則意味著燈絲的溫度要么太低，要么太高，需要調(diào)整。自動化功能設(shè)置燈絲的新溫度并再次測量樣品中的電流，以獲得不同的發(fā)射電流，直到峰值落在理想發(fā)射電流62μa。
圖2：不同燈絲溫度下，樣品電流(i spot)-發(fā)射電流曲線圖
一旦通過自動功能調(diào)節(jié)溫度，wehnelt上的電壓設(shè)置為40μa的發(fā)射電流，因此在藍色曲線的峰值的左側(cè)。40μa的發(fā)射被選為分辨率和電子束電流之間的*選擇，轉(zhuǎn)換成圖像質(zhì)量。
目前熱電子源的電流穩(wěn)定性通常要優(yōu)于1% rms。飛納臺式掃描電鏡的ceb6燈絲的樣品電流穩(wěn)定性的測試結(jié)果表明：從開啟燈絲的*個5小時中，電子束電流的波動幅度約為0.3%，從開啟的燈絲5小時-15小時，其波動約為0.2%。如圖3所示。在*個小時內(nèi)，電子束電流下降了約為10%，是由電子槍的溫度逐漸穩(wěn)定造成的。
此外，電子槍的真空穩(wěn)定性不影響ceb6燈絲發(fā)射電流。
圖3：樣品電流-時間曲線圖（采樣時間為15小時）
探索飛納臺式掃描電鏡的更多信息
所以，ceb6燈絲種種優(yōu)點，使得飛納臺式掃描電鏡成為一個非?？煽亢湍陀玫漠a(chǎn)品，但它不是*的影響因素。如果你仔細地觀察一下飛納臺式掃描電鏡，你會發(fā)現(xiàn)它們有許多有趣的方面，值得進一步研究，比如它們的光學和電子光學放大、分辨率和數(shù)字變焦等。
參考文獻
·introduction to charged particle optics, p. kruit, delft university of technology
·scanning electron microscopy, physics of image formation and microanalysis, l. reimer, springer
·cathodes for electron microscopes, cebix and lab6 filaments standard tungsten loop filaments, electron microscopy sciences