扫描电镜钨灯丝和场发射区别和利弊:
1. 不同点源直径及其优缺点:
钨丝电子枪的阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V形(分叉钨丝阴极)。的V形的尖端被用作一个点发射源,和曲率半径约为0.1毫米。场发射电子枪的阴极采用直径为0.1mm的钨丝,它被蚀刻成针状的尖阴极。一般的曲率半径在100nm到1μm之间。由于制造工艺的不同,成本也不同。叉钨丝阴极便宜,而场发射阴极非常昂贵。
2. 不同的发射机制及其优缺点
钨丝属于热发射。当直流电压施加到灯丝电极,钨丝产生热量。工作温度一般在2600K至2800K之间。钨丝具有较高的电子发射效率。温度越高,电流密度越大。在理想情况下,电子枪越亮。由于材料的蒸发速率随温度的升高而急剧增加,因此钨丝的寿命相对较短,一般在50—200小时之间。这与灯丝的设定温度有关。由于电子发射温度高,发射的电子能量色散大,一般为2ev,电子枪造成的色差会比较大
3. 不同的电子枪控制方法和电子源直径及其优缺点
钨丝采用三极自给偏压控制,并具有偏压负反馈电路,发射电流稳定性高。。由于阴极发射点源面积大,电子源的尺寸也相对较大,50~100μm,发射功率可达几十~150μA,而电子枪的亮度较低,因此当电子束点聚焦于几纳米时,总探测针电流很小,信噪比过低,这是限制图像分辨率的根本因素。最佳钨丝扫描电镜的最佳分辨率为3.0nm。 场发射电子枪没有偏置负反馈电路。外接电源的稳定性是决定性因素。发射电流的稳定性相对较低。。由于针尖阴极发射电源的面积很小,约为100nm,并且没有明显的电子源,因此采用虚电子源作为电子光学系统设计的初始对象。电子虚源的直径一般为2~20nm,电子枪的亮度比钨丝高。千万次。当束斑尺寸减小到1 nm以下时,探测电流仍然很强,足以获得足够的成像信号,因此分辨率很高。目前最好的场发射扫描电子显微镜已经达到亚纳米级的分辨率。
4. 不同系统真空度及其优缺点
钨丝扫描电子显微镜采用普通高真空,两级真空泵系统可获得0.001pa的真空度,成本低。场发射扫描电子显微镜使用超高真空,需要三级真空泵获得0.0000001Pa或以上的真空度才能稳定运行。。原因是电子枪尖阴极在较低的真空度下不能承受电离离子的轰击,否则电子枪尖很容易被压扁而失效。这个时候,性能还不如一根钨丝。其次,电子枪阴极尖端在较低的真空中被吸附。气体分子会急剧增加阴极材料的表面势垒,造成电子枪发射不稳定,降低亮度。因此,必须使用超高真空,通常为10的-8次方。超高真空系统的成本明显高于钨丝。超高真空的清洁度优于一般钨丝的高真空度,因此系统可以长期,即在灯丝的寿命期内进行清洗和免维护。钨丝扫描电子显微镜的维护周期相对较短。