扫描电镜热电子发射源的稳定性：CeB6、LaB6和钨灯丝

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最大限度地发挥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唯一阴极，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）灯丝为尖端扁平的棒状， 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。

最佳状态如图2所示的蓝色部分，样品电流的最大值为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。

图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最佳选择，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：从开启灯丝的第一个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。在第一个小时内，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，但它不是唯一的影响因素。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