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鎢燈絲與CeB6燈絲:選擇合適的桌上型電子顯微鏡

 

如果你正再考慮購買一台桌上型電子顯微鏡,那麼這篇文章可能會對你有莫大的助益,因為燈絲的不同會直接影響整體輸出的品質。以下我們將會描述並比較鎢燈絲以及CeB6燈絲的不同之處,了解哪種燈絲是最適合桌上型電子顯微鏡。

Phenom XL電子顯微鏡SEM      Phenom ProX   Phenom Pure電子顯微鏡SEM

 

燈絲-也稱陰極、燈絲或電子槍-是桌上型電子顯微鏡最重要模組之一,目的是提供穩定的電子束。電子顯微鏡主要燈絲分為兩類,它們區別在於小光束(點)尺寸電流量、光束的穩定性和光源的壽命。

 

文章中,我們將為你介紹桌上型SEM使用的燈絲:熱發射燈絲,更具體來說,我們將聚焦在兩種熱發射燈絲的差異:鎢燈絲和六硼化鈰(CeB6)燈絲。

 

什麼是熱發射燈絲?

當固體材料被加熱時,電子將會被熱發射出來。 當電子的熱能足以超過材料的功函數時,熱發射效應變得更為顯著。 製作陰極的材料為高熔點材質,便於發射電子。

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圖1.電子柱的橫截面(左),燈絲組件示意圖(右)

由電子柱內高負電位加速到陽極的接地電位產生電位差,熱發射出來的電子被該電位差加速,形成電子束,入射到樣品上。當然該過程只發生在電子柱的真空中並且通過使用透鏡來控制電子束。

在我們分析比較鎢燈絲以及CeB6燈絲之前,我們需要先了解影響燈絲表現的因素有哪些,以下我們將會根據這些重要的屬性一一討論:

1. 燈絲的亮度

亮度定義為每立方角每單位面積的束電流。當你在小光束(點)尺寸中獲得的電流/電子越多,高放大倍率下獲得高分辨率(質量)圖像的效果就越好。亮度會隨著加速電壓線性增加。 例如,燈絲在10kV時的亮度是1kV時的10倍。

縮小電子束的光束(點)尺寸可以提高分辨率,但是須注意,若光束(點)太小將會導致信噪比變差,將無法得到較高品質的圖像

2. 燈絲的尺寸

如前面所述,小光束(點)尺寸有助於獲得良好的圖像分辨率,進而獲得高質量的圖像。 電子柱內部的透鏡負責縮小光束直徑(或光點尺寸)。 可以想像的到,更小的燈絲物理尺寸只需要較少的縮小倍率、更簡單的系統。

3. 燈絲的溫度

燈絲溫度是指克服功函數發射電子時的操作溫度。 正常燈絲的工作溫度介於1800K和2800K之間。

3a.電子束能量的發散

電子束能量發散度是離開燈絲時的電子能量的發散程度。 當燈絲的能量發散很大時,色差成為低加速電壓下的主要像差。由於發射電子微小能量的差別,導致電子束不能很好的聚焦的效應,稱之為色差。

3b.燈絲壽命

燈絲壽命表示燈絲源在燒斷或需要更換之前使用的時間長度。當然,每個人都想要一個使用時間較長並且可以準確地預測更換時間的燈絲。

 

桌上型SEM燈絲比較:鎢燈絲 v.s. CeB6燈絲

現在,根據剛剛燈絲最重要的特性,我們開始針對鎢燈絲和CeB6燈絲的比較。

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圖2.鎢燈絲(左)與CeB6燈絲(右)

鎢絲廣泛用於掃描電子顯微鏡。在所有金屬原始狀態中,鎢具有最高的熔點、最低的蒸氣壓、最低的熱膨脹和非常高強度的拉伸能力,這些特性使得鎢成為了製造燈絲的理想材料。

1. 亮度

觀察亮度時,鎢燈絲提供106 A /cm²sr。 CeB6燈絲功函數較低,在較低的溫度下能產生比鎢更高的束電流,這表示在所有加速電壓之下CeB6的亮度更高。 具體化:CeB6陰極產生高出與鎢10倍的亮度:107 A /cm²sr。 這使得CeB6燈絲比鎢燈絲具有兩大優勢:

(1) 在同一聚焦光點下CeB6可獲得更多束流,這意味著在相同光點尺寸下,CeB6的信噪比較好。

(2) 相同的信噪比下,CeB6的聚焦束點更小,這意味著CeB6可以達到更好的分辨率。

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圖3.使用CeB6燈絲SEM拍攝的TiO2粉末圖像(左) 使用鎢燈絲SEM拍攝的TiO2粉末圖像(右)

2. 燈絲尺寸

 鎢燈絲尺寸範圍為50μm至100μm,取決於燈絲參數和操作條件。 相對於尺寸<25μm的CeB6燈絲相比,代表鎢燈絲需要比較大的縮小倍率,才能獲得較小的束點尺寸,達到良好的分辨率。

3. 燈絲溫度

鎢燈絲的工作溫度約為2800K,而CeB6燈絲的工作溫度為1800K。 溫度差異對來燈絲有直接的影響:

3a.電子束能量的發散

鎢燈絲溫度較高,相對於CeB6燈絲的電子束更為發散。一般來說,鎢燈絲的能量發散大約2.5eV,而CeB6燈絲只有1eV,發散度小可以在較低的加速電壓下可以取得更好的圖像品質。

3b.燈絲壽命

鎢燈絲在白熱化溫度下工作,這意味著它會隨著時間逐漸揮發。 最終,鎢絲逐漸變薄直到斷裂,常常容易發生在觀測期間。鎢燈絲的斷裂有可能污染鏡筒內部。這就是為什麼在更換鎢燈絲時,往往會建議一起更換或清潔鏡筒內的其他相關配件。

CeB6燈絲的優點:您預估燈絲壽命的結束時間,因為它會隨著時間緩慢減少。您將知道何時需要更換CeB6燈絲,可以安排一個適合時間進行更換,而不會陷入燈絲斷裂而必須終止觀測的困境。更重要的是,你不必由於碎屑污染鏡筒,使用CeB6燈絲可以大幅度減少更換其他燈絲相關配件。

鎢燈絲和CeB6燈絲的壽命比較:鎢源的平均壽命約為100小時,長短取決於真空度。 CeB6燈絲的使用壽命通常為鎢燈絲的15倍:1500小時!

我們的建議

我們強烈推薦使用CeB6燈絲,因為它有以下主要優點:無憂省時,較少的維護,最重要的是:高質量的輸出。相對於種種優點:精確可預測的燈絲壽命、更好的信噪比、更高的亮度和穩定的高分辨率圖像輸出,CeB62燈絲似乎只有一個缺點:比鎢燈絲更貴。但從長遠來看,CeB6燈絲比價性較高:它壽命時間長,並且大幅度減少更換其他燈絲相關配件。

 

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關於作者

Wouter Arts 是Thermo Fisher Scientific的應用軟件工程師,Thermo Fisher Scientic是服務科學的全球領導者,Phenom桌上型電子顯微鏡供應商。 他對Phenom SEM充滿熱情,樂於把客戶需求轉化為對應的產品參數,幫忙解決客戶問題。

 

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