电子枪的工作原理及性能影响因素

扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似,也可分为热电子发射型和场致发射型两种类型。扫描电镜的分辨率与电子波长的关系不大,而与电子在试样表面扫描的最小范围有关。电子束斑越小,电子在试样上扫描范围越小,分辨率越高,但在保证足够小的电子束斑的同时,电子束还需有足够的强度。因此,扫描电镜的加速电压为1～30 kV。

1)基本公式

电子枪的作用是产生电子照明源,它的性能决定了扫描电镜的质量,商业生产扫描电镜的分辨率可以说是受电子枪亮度所限制。

根据朗缪尔方程,如果电子枪所发射电子束流的强度为I0,则它有如下关系存在

式中,α——电子束的半开角;

G0——虚光源的尺寸;

β0——电子枪的亮度。

根据统计力学的理论可以证明,电子枪的亮度β0是由下式来确定

式中,Jk——阴极发射电流密度;

V0——电子枪的加速电压;

k——玻尔兹曼常数;

T——阴极发射的绝对温度;

e——电子电荷。

在热电子发射时,阴极发射电流密度Jk可以用如下公式来表示(www.zuozong.com)

式中,A0—发射常数;

φ—阴极材料的逸出功。

从式(4.7)和式(4.8)可以看出,阴极发射的温度越高,阴极材料的电子逸出功越小,则所形成电子枪的亮度也越高。

2)电子枪的类型

目前,应用于电子显微镜的电子枪可以分为三类,如图4.4所示。

①直热式发射型电子枪。阴极材料是钨丝(直径为0.1～0.15 mm),制成发夹式或针尖式形状,并利用直接电阻加热来发射电子,它是一种最常用的电子枪。

②旁热式发射型电子枪。阴极材料是用电子逸出功小的材料,如LaB6、YB6、TiC或ZrC等制造,其中LaB6应用最多,它是用旁热式加热阴极来发射电子的。

③场致发射型电子枪。阴极材料是用(310)位向的钨单晶针尖,针尖的曲率半径大约为100 nm。它是利用场致发射效应来发射电子的。

图4.4　各种类型电子枪的工作原理

目前商业生产的扫描电镜大多采用的是发夹式钨丝电子枪。影响电子枪发射性能的因素(依据所发射电子束的强度Jk):

①灯丝阴极本身的热电子发射性质(如电子逸出功,几何形状等);

②灯丝阴极的加热电流。试验表明,发射电流强度是随着阴极加热电流的增加而增加的;

③灯丝尖端到栅极孔的距离h。一般来说α角越大,故可以获得较大的电子束强度,但灯丝的寿命却越短;

④加速电压V0。因为灯丝的亮度同加速电压V0成正比,故高的加速电压可以获得较大的发射电流强度。