钨灯丝扫描电镜的原理及应用

　　钨灯丝扫描电镜总发射电流和束斑都较大，抗干扰能力和稳定性都较好，低真空下可以对不导电样品无荷电成像，可用于形貌观察、显微结构分析、断口形貌分析，在材料、地质、矿产、冶金、机械、化学、化工、物理、电子、生物、医学等领域都有广泛的用途。

钨灯丝扫描电镜工作原理

　　钨灯丝扫描电镜通过对电子枪内的钨灯丝加高电压，使电子枪处于热激发状态，在阳极作用下，处于热激发的电子枪就可以激发出电子束。经过扫描线圈磁场的控制，电子束在样品表面逐点扫描，激发出二次电子、背散射电子等物理信号，经探测器收集、放大器放大后，调制得图像。钨灯丝扫描电镜适合大量的常规检测。

钨灯丝扫描电镜和场发射扫描电镜的区别

　　1、点源直径不同及优劣

　　钨灯丝扫描电镜电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V极)，使用V形的作为点发射源，曲率半径大约为0.1mm;场发射扫描电镜电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝，经过腐蚀制成针状的尖阴极，一般曲率半径在100nm~1μm之间。由于制作工艺上的差异，造价不同，发叉式钨丝阴极便宜，场发射阴极很贵。

　　2、发射机制不同和优劣

　　钨灯丝扫描电镜属于热发射，在灯丝电极加直流电压，钨丝发热，使用温度一般在2600K~2800K之间，钨丝有很高的电子发射效率，温度越高电流密度越大，理想情况下的的电子枪亮度越高。由于材料的蒸发速度随温度升高而急剧上升，因此钨灯丝的寿命比较短，一般在50~200小时之间，这个和设定的灯丝温度有关。由于电子发射温度高，发射的电子能量分散度大，一般2ev，电子枪引起的色差会比较大。

　　场发射扫描电镜电子枪主要的发射机制不是靠加热阴极，而是在尖阴极表面增加强电场，从而降低阴极材料的表面势垒，并且可以使得表面势垒宽度变窄到纳米尺度，从而出现量子隧道效应，在常温甚至在低温下，大量低能电子通过隧道发射到真空中，由于阴极材料温度低，一般材料不会损失，因此寿命很长，可使用上万小时。

　　3、电子枪控制方式和电子源直径不同和优劣性

　　钨灯丝扫描电镜是三极自给偏压控制，具有偏压负反馈电路，因此发射电流稳定度高;由于阴极发射点源面积大，因此电子源尺寸也比较大，50~100μm，发射可达几十~150μA，但电子枪的亮度低，因此当电子束斑聚焦到几个纳米的时候，总的探针电流很小，信噪比太低是限制图像分辨率的根本因素，当前Z佳钨灯丝扫描电镜Z佳分辨率3.0nm。

　　场发射扫描电镜电子枪没有偏压负反馈电路，外界电源的稳定度是决定因素，发射电流稳定度相比要低一些;由于尖阴极发射电源面积很小100nm左右，没有明显的电子源，因此使用虚电子源作为电子光学系统设计的初始物而存在，电子虚源直径一般在2~20nm，电子枪亮度相比钨灯丝提高上千倍。当束斑尺寸缩小到1nm以下时依然具有足够强的探针电流来获得足够的成像信号，因此分辨率高，当前Z佳的场发射扫描电镜分辨率实现了亚纳米级别。

　　4、系统真空度不同及优劣

　　钨灯丝扫描电镜使用一般的高真空，两级真空泵系统获得0.001pa的真空度即可满足，因此造价低。场发射扫描电镜使用超高真空，需要三级真空泵必须获得0.0000001Pa上的真空度才可以稳定工作。原因在于电子枪尖阴极不耐较低的真空中被电离的离子轰击，否则枪尖很容易被扫平而失效，这时候的性能还不如钨灯丝，其次电子枪阴极在较低的真空下，吸附的气体分子会急剧加大阴极材料的表面势垒，造成电子枪发射不稳，亮度降低，所以必须使用超高真空一般是10的-8超高真空系统的造价明显比钨灯丝高很多。超高真空的洁净度要好于钨灯丝的一般高真空，因此很长时间，也就是在灯丝寿命内，系统可以免清洗和维护。钨灯丝扫描电镜相对维护周期要短一些。

　　钨灯丝扫描电镜和场发射扫描电镜是具有明显档次差异的，这也从价格上明确反映。钨灯丝扫描电镜十几万美元，场发射扫描电镜几十万美元。