第二章 电子源

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1、第二章电子源引言：热灯丝和场发射灯丝热灯丝：钨灯丝和LaB6晶体场发射灯丝：极细的钨针所有的灯丝都有其存在的价值122.1各种灯丝的物理原理一台电镜或者使用热灯丝，或者是使用场发射灯丝，两者不可兼备；场发射灯丝提供单色的电子波，而热灯丝发射的电子单色性较差，有点类似于可见光中的白光。3A热发射J：灯丝的束流密度T（K）：操作温度F：功函数A：Richardson常数Richardson定律：当将灯丝加热到一个温度T时，其能量高于F即可产生电子，然后电子从灯丝中逃逸出来成为可以使用的电子束4高熔点材料（W灯丝）具有低的功函数的材料（LaB6灯丝）5热灯丝：W灯丝点状W灯丝La

2、B6或其它低功函数的材料，如CeB6热灯丝的局限性：较高的温度可以使灯丝通过氧化和汽化缩短灯丝的使用寿命6B场发射场发射灯丝与热灯丝的原理截然不同，其基本原理是在物体尖端处的电场强度E明显增加，如果将一个电场施加到半径为r的球形点上，那么：最容易的一种材料就是利用钨丝去制作细针尖，可以很容易地将其制成直径小于0.1mm的针尖，如果将1kV的电压加到这个针尖上，那么电场强度E=1010V/m，这明显降低了阻碍电子逃逸的功函数，使得电子很容易从钨丝中通过隧道效应逃逸出去，这一过程在针尖上施加了强烈的应力，因此材料必须具有很高的强度，像LaB6热灯丝一样，场发射也依赖于钨针尖的晶

3、体学特性，<310>取向的场发射效果最好7为了使场发射顺利进行，表面要保持干净，表面要保持没有污染物以及不能氧化，那么就要求在超高真空条件下(小于10-11Torr)进行操作，在这种情况下，场发射灯丝的使用温度可以与周围的温度一样，此过程被称为“冷场发射”；与上述不同的是，也可以在较低的真空条件下通过加热针尖来保持它的清洁，这种热能能够在很大程度上帮助电子发射，因此电子用不着通过隧道效应穿过势垒，对这种所谓的“热场发射”，表面经过处理的ZrO2明显改善了发射特征，尤其是改善了灯丝的稳定性，因此这种所谓的“Schottky”发射变得越来越受欢迎，目前，一些新的灯丝如半导体p-

4、n结场发射也引起人们极大的兴趣82.2电子束的特性电子束需要一定的特性，这种特性由灯丝本身以及与电子枪如何配合所决定，一般通过“亮度”、“相干性”以及“稳定性”等参数来描述灯丝的特性，我们在这一节将会对这些不同的特性逐一进行介绍，介绍它们的含义以及为什么它们在EM中如此重要，然后对对各种灯丝的性能进行比较，我们将会看到，没有一种灯丝对所有的应用都是最好的，但对一种特定的应用而言，却存在一种或几种最适合的灯丝9A亮度束流密度是一种通常的术语，然而亮度的概念却更为重要，亮度是灯丝单位立体角中的束流密度可以通过如下参数来描述灯丝的特性：灯丝直径d0；发出一定的电极发射束流ie；电

5、子离开灯丝时的发射半角a010ie、d0以及a0都是在电子枪这一大背景下定义的，也就是说，电子在离开灯丝的一点后被聚焦，这样:束流密度(单位面积上的束流)等于ie/p(d0/2)2灯丝的立体角W=pa0211在这个方程中隐含着一个重要的结论，即对热灯丝而言，b随着加速电压的增加而线性增加，这也是发展中间电压(300-400kV)电子显微镜的一个重要原因因此亮度可以定义成：12真实的数据：对于一个100keV冷场发射灯丝，可以将1nA的电流作用到直径为1nm的样品区域上，如果将这个束流密度转换成电力单位，可以发现作用到这一小区域的束流密度几乎达到150MW/mm2，很显然，在

6、如此之大的束流密度下观察样品无疑会使样品发生改变，也就是我们所说的辐照损伤13B时间相干性和能量传播相干性是描述一束电子束与其它电子束是否“同相”的一个物理概念，我们知道白光是不相干的，这主要是由于它所包含的光子具有不同范围的波长(或颜色)，因此为了得到具有相干性的电子束，必须产生一种具有相同波长的电子束，就像单色光一样。我们称这种相干性为时间(temporal)相干性，它是一束波中各种波之间相似性的一种度量，如果一束波中所有波的这种性质都相同，则我们说它具有相同的相干长度，相干长度定义如下：n是电子的波矢量DE是电子束的能量分布h是普朗客常数14必须给灯丝提供稳定的电源以

7、获得一个稳定的高压，以便让所有的电子都有一个小的，从而使电子得到一个单一的波长。15C空间相干性和灯丝尺寸空间相干性与灯丝尺寸有关，最理想的空间相干性指的是所有的发射电子同时离开灯丝上的一点，因此灯丝的尺寸是决定空间相干性的关键性因素，较小的灯丝尺寸具有较好的相干性，同时也提供较高的亮度。空间相干性可以通过观察电子的相干条纹来确定，这与光学中利用棱镜的菲涅尔条纹确定可见光的相干性是等效的，在相干照明下，可以定义有效灯丝尺寸dc，那么：l为电子的波长，a是灯丝与样品之间的角分布<<16尽量减小灯丝尺寸，比如使用场发射