台式扫描电镜中关于灯丝的那些事

diemily

2015/12/21

私聊

扫描电镜（SEM/EDS）

在扫描电镜的设计中，电镜的灯丝就好比汽车的发动机，汽车发动机的类型决定着汽车的排量，扭矩，加速时间等，同样，扫描电镜所用的灯丝也决定着电镜图片的分辨率，成像衬度及信噪比。选定了汽车的发动机就需要选择与之相匹配的底盘，车架，变速器。而对扫描电镜来说，选定了扫描电镜所使用的灯丝，就需要选择与之相匹配的真空系统，电子光学系统及成像系统。
目前欧洲的台式扫描电镜选用的是六硼化铈（CeB6）灯丝，代表性的品牌是荷兰的飞纳 Phenom，源自荷兰飞利浦电镜技术，后融入了美国 FEI 的产品设计理念；日韩的台式扫描电镜选用的是钨灯丝，品牌有日立，日本电子，韩国酷赛目，韩国赛科等。六硼化铈灯丝类似于透射电镜中常用的六硼化镧灯丝，其亮度为钨灯丝的10倍，电子源尺寸更小，单色性更强，有利于在样品上形成更小更亮的电子束斑，得到的电镜图片分辨率更高，信噪比更强。
最直观的对比就是通过不同种类灯丝的台式扫描电镜所拍的图片进行对比。

钨灯丝，六硼化镧灯丝，六硼化铈灯丝，这三种灯丝的主要性能可以从以下表格中有所了解。

特性	钨灯丝（W）	六硼化镧（LaB6）	六硼化铈（CeB6）
电子源的大小	50μm	5μm	5μm
亮度(A/cm²)	100	1000	1000
能量宽幅(eV)	2.5-3	1-1.5	1-1.5
阴极温度(℃)	2,500	1,800	1,800
使用压力(Pa)	10^-3	10^-5	10^-5
寿命(h)	50-100	>1000	>1500

下面将依次对上表所列出的特性做出解释：

1. 电子源的大小
电子源的大小为电子枪发射出电子后经韦氏帽汇聚后所形成的电子束斑，六硼化镧和六硼化铈灯丝明显小于钨灯丝，更有利于经过聚光镜和物镜汇聚后形成更小的电子束斑，从而得到更好的分辨率；
2. 亮度
亮度为灯丝单位面积内的电子流强度，亮度越高，越有利于得到更充足的信号，提高图片的信噪比和清晰度。六硼化镧和六硼化铈灯丝的亮度为钨灯丝的10倍，因此可以得到信噪比更好的图片；
3. 能量宽幅
能量宽幅代表灯丝发射出的电子的单色性，能量宽幅越小代表灯丝发射出的电子单色性越好，能量也越集中，能量集中有助于减小透镜色差，形成更小的束斑从而提高分辨率，六硼化镧和六硼化铈灯丝发射的电子单色性更高，分辨率更高；
4. 阴极温度
阴极温度也就是灯丝的工作温度，工作温度越低，灯丝的挥发也就越慢，寿命也会越长，六硼化镧和六硼化铈灯丝的工作温度远低于钨灯丝，因此它们的寿命比钨灯丝长很多。下图为六硼化铈和六硼化镧随温度变化的挥发速率对比，可见在1800℃的工作温度下，六硼化铈挥发速度比六硼化镧更慢，其寿命更长（>1500h），而六硼化镧只有1000h的寿命；

5. 使用压力
使用压力即为灯丝正常工作需要的真空度，六硼化镧和六硼化铈灯丝需要的真空度 (10-5 Pa) 比钨灯丝 (10-3 Pa) 更高，因此他们对真空系统的要求也会更高；
6. 寿命
寿命即为灯丝的正常使用时间，由于钨灯丝的寿命只有 50-100 h，因此使用钨灯丝作为电子源的电镜需要经常更换灯丝，而使用六硼化镧和六硼化铈灯丝的电镜则不需要；
目前，CeB6/Lab6 的性能较钨灯丝都有压倒性的优势，但是设计制造 CeB6/Lab6 灯丝的台式扫描电镜是有技术难度的，因为这类灯丝对真空度的要求高，真空度即前面所说的使用压力。因此在设计制造的时候一定要维持灯丝周围的高真空度，这对电镜的泵也提出了高要求。同时，为了实现操作简单，不喷金看不导电样品，在台式电镜中都会采用样品仓低真空设计，这也对维持 CeB6/Lab6 周围的高真空度提出了挑战。如何在电镜中的样品仓和灯丝仓实现两种真空系统？在台式扫描电镜这样狭小的空间内，完美的实现样品仓低真空，灯丝仓高真空是有难度的。这也是市面上钨灯丝台式扫描电镜种类多，CeB6/Lab6 台式扫描电镜种类少的原因了。