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扫描电镜热电子发射源的稳定性:CeB6、LaB6和钨灯丝

 发布时间:2018-02-26 点击量:4723

通常,台式扫描电镜(SEM)利用热电子源,在加热扫描电镜灯丝时发射电子。虽然工作原理是相同的,但不同的热电子源会表现出不同的性能。由于CeB6灯丝具有较高的亮度和较长的使用寿命,所以飞纳台式扫描电镜选择CeB6灯丝作为电子源。起到关键作用的参数之一是发射电流的稳定性。CeB6灯丝在稳定性方面的表现如何?如何使飞纳台式扫描电镜zui大限度地发挥CeB6灯丝的潜力?这篇博客会帮助了解这些疑问。

 

扫描电子显微镜中热电子源的工作原理

 

在之前一篇关于灯丝的博客中,我们讨论了CeB6灯丝和钨灯丝的性能。CeB6灯丝和钨灯丝都是热电子源,通常也称作阴极,其作用是发射电子。当电子吸收到足够的能量就能越过势垒发射出来,势垒是由阴极材料(如钨灯丝或CeB6)的函数决定的。

 

能量是通过加热阴极灯丝提供的,电流流过灯丝时就能对其加热。对于阴极来说,韦式冒相对于阴极是负电位,这个负电位可以把不需要的电子推回进灯丝,从而有效调节发射区域的大小。

 

在阴极和韦氏帽电极的下面,阳极提供了一个强电场,或者一个强透镜,使电子束在韦氏帽和阳极之间汇聚。图1是 CeB6灯丝的示意图,包括一个灯丝、一个韦氏帽电极和一个阳极。灯丝,和韦氏帽都处于高电位,而阳极是接地的。位于灯丝和阳极之间的电路能够测量发射电流。

 

图1:热电子源的示意图,由CeB6单晶灯丝、韦氏帽电极和阳极组成。红色部分表示电子的运动轨迹,左右两边的红色部分代表的是韦氏帽电压将发散的电子推回灯丝,下面红色部分代表的是初级入射电子束的轨迹。

 

热电子源的比较:CeB6灯丝、LaB6灯丝和钨灯丝

 

CeB6灯丝不是热电子源的*阴极,LaB6灯丝和钨灯丝也经常被使用。

 

钨灯丝是一种弯曲的细丝状灯丝,以减小发射表面的尺寸。它们通常被加热到2500-3000 K的温度,以实现高电流密度, 其功函数为4.5 eV。在2800 K下,电流密度的实际值为3 A/cm2。

 

钨灯丝的使用寿命可以在40到200小时之间变化,会受到阴极材料蒸发的限制,当它变得太薄时就会导致灯丝断裂。为了防止过度氧化,钨灯丝需要被保存在10-3 Pa的真空中。

 

六硼化铈和六硼化镧(CeB6和LaB6)灯丝为扁平的棒状, 它们的工作温度为1400-2000 K,因为它们的功函数比钨灯丝低(LaB6是2.7 eV,CeB6是2.5 eV)。低功函数和低温产生比钨阴​​极更高的电流密度,范围在20-50A / cm2。

 

典型地,六硼化物阴极比钨阴极亮10倍,这意味着它们在样本处提供更小光斑尺寸的更高电子束电流。而且,六硼化物阴极的寿命更高,通常是钨阴极的寿命的10倍。

 

然而,六硼化物阴极需要高于10-4Pa的真空以防止氧化。六硼化镧灯丝的性能在很大程度上取决于真空和温度。研究表明CeB6灯丝受碳污染的影响要小于LaB6灯丝。而且,与LaB6相比,CeB6灯丝在1800K的工作温度下具有较低的蒸发速率。因此CeB6灯丝的使用寿命更长。

 

下表总结了三个热电子源的物理性质:

 

 

发射电流的稳定性——飞纳台式扫描电镜CeB6灯丝

 

发射电流的稳定性对于热电子源非常关键。在扫描电镜的操作过程中,通过在恒定的控制回路中调节韦氏帽电压,使发射电流保持稳定。如图1所示,通过灯丝和阳极之间的电路在源中测量发射电流。然后根据测量出来的数值来调整韦氏帽电压。

 

对于给定的设置,样品电流保持不变是非常重要的。自动功能根据发射电流测量样品电流。通过改变Wehnelt上的电压来调节发射电流,从而调节推回到灯丝中的电子的量,以获得恒定的灯丝温度。样品上的电流可以从参照物BSD探测器拍摄的图像信号间接测量。

 

*状态如图2所示的蓝色部分,样品电流的zui大值为62 µA。如果峰值是在此值之前或之后,则意味着灯丝的温度要么太低,要么太高,需要调整。自动化功能设置灯丝的新温度并再次测量样品中的电流,以获得不同的发射电流,直到峰值落在理想发射电流62μA。

 

2:不同灯丝温度下,样品电流(I spot)-发射电流曲线图

 

一旦通过自动功能调节温度,Wehnelt上的电压设置为40μA的发射电流,因此在蓝色曲线的峰值的左侧。40μA的发射被选为分辨率和电子束电流之间的*选择,转换成图像质量。

 

目前热电子源的电流稳定性通常要优于1% RMS。飞纳台式扫描电镜的CeB6灯丝的样品电流稳定性的测试结果表明:从开启灯丝的*个5小时中,电子束电流的波动幅度约为0.3%,从开启的灯丝5小时-15小时,其波动约为0.2%。如图3所示。在*个小时内,电子束电流下降了约为10%,是由电子枪的温度逐渐稳定造成的。

 

此外,电子枪的真空稳定性不影响CeB6灯丝发射电流。

 

图3:样品电流-时间曲线图(采样时间为15小时)

 

探索飞纳台式扫描电镜的更多信息

 

所以,CeB6灯丝种种优点,使得飞纳台式扫描电镜成为一个非常可靠和耐用的产品,但它不是*的影响因素。如果你仔细地观察一下飞纳台式扫描电镜,你会发现它们有许多有趣的方面,值得进一步研究,比如它们的光学和电子光学放大、分辨率和数字变焦等。

 

参考文献

 

· 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

 

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