SEM掃描電鏡中鎢燈絲與場發(fā)射的區(qū)別

相同點(diǎn)：都是電子槍即發(fā)射電子的裝置，都有陰極和陽極, 陰極都是點(diǎn)源發(fā)射，陰極和陽極之間有直流高壓電場存在，高壓一般可調(diào)，用于控制電子的發(fā)射速度（能量），電子槍發(fā)射的電流強(qiáng)度很小，微安級別和納安級別，為防止氣體電離造成的大電流擊穿高壓電源，都需要高真空環(huán)境。電子槍陰極都屬于耗材系列。

差異和優(yōu)劣:
1、點(diǎn)源直徑不同及優(yōu)劣：
鎢燈絲電子槍陰極使用0.1mm直徑的鎢絲制成V形（發(fā)叉式鎢絲陰極），使用V形的尖端作為點(diǎn)發(fā)射源，曲率半徑大約為0.1mm；場發(fā)射電子槍陰極使用0.1mm直徑的鎢絲，經(jīng)過腐蝕制成針狀的尖陰極，一般曲率半徑在100nm~1μm之間。由于制作工藝上的差異，造價(jià)不同，發(fā)叉式鎢絲陰極便宜，場發(fā)射陰極很貴。

2、發(fā)射機(jī)制不同和優(yōu)劣
鎢燈絲屬于熱發(fā)射，在燈絲電極加直流電壓，鎢絲發(fā)熱，使用溫度一般在2600K~2800K之間，鎢絲有很高的電子發(fā)射效率，溫度越高電流密度越大，理想情況下的的電子槍亮度越高。由于材料的蒸發(fā)速度隨溫度升高而急劇上升，因此鎢燈絲的壽命比較短，一般在50~200小時(shí)之間，這個(gè)和設(shè)定的燈絲溫度有關(guān)。由于電子發(fā)射溫度高，發(fā)射的電子能量分散度大，一般2ev， 電子槍引起的色差會比較大。

場發(fā)射電子槍主要的發(fā)射機(jī)制不是靠加熱陰極，而是在尖陰極表面增加強(qiáng)電場，從而降低陰極材料的表面勢壘，并且可以使得表面勢壘寬度變窄到納米尺度，從而出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)，在常溫甚至在低溫下，大量低能電子通過隧道發(fā)射到真空中，由于陰極材料溫度低，一般材料不會損失，因此壽命很長，可使用上萬小時(shí)。

3、電子槍控制方式和電子源直徑不同和優(yōu)劣性。
鎢燈絲是三極自給偏壓控制，具有偏壓負(fù)反饋電路，因此發(fā)射電流穩(wěn)定度高；由于陰極發(fā)射點(diǎn)源面積大，因此電子源尺寸也比較大，50~100μm，發(fā)射可達(dá)幾十~150μA，但電子槍的亮度低，因此當(dāng)電子束斑聚焦到幾個(gè)納米的時(shí)候，總的探針電流很小, 信噪比太低是限制圖像分辨率的根本因素，當(dāng)前最佳鎢燈絲掃描電鏡最佳分辨率3.0nm.

場發(fā)射電子槍沒有偏壓負(fù)反饋電路，外界電源的穩(wěn)定度是決定因素，發(fā)射電流穩(wěn)定度相比要低一些；由于尖陰極發(fā)射電源面積很小100nm左右，沒有明顯的電子源，因此使用虛電子源作為電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始物而存在，電子虛源直徑一般在2~20nm，電子槍亮度相比鎢燈絲提高上千倍。當(dāng)束斑尺寸縮小到1nm以下時(shí)依然具有足夠強(qiáng)的探針電流來獲得足夠的成像信號，因此分辨率高，當(dāng)前最佳的場發(fā)射掃描電鏡分辨率實(shí)現(xiàn)了亞納米級別。

4、系統(tǒng)真空度不同及優(yōu)劣
鎢燈絲掃描電鏡使用一般的高真空，兩級真空泵系統(tǒng)獲得0.001pa的真空度即可滿足，因此造價(jià)低。
場發(fā)射掃描電鏡使用超高真空，需要三級真空泵必須獲得0.0000001Pa以上的真空度才可以穩(wěn)定工作。原因在于電子槍尖陰極不耐較低的真空中被電離的離子轟擊，否則槍尖很容易被掃平而失效，這時(shí)候的性能還不如鎢燈絲，其次電子槍陰極尖端在較低的真空下，吸附的氣體分子會急劇加大陰極材料的表面勢壘，造成電子槍發(fā)射不穩(wěn)，亮度降低，所以必須使用超高真空一般是10的-8次方。 超高真空系統(tǒng)的造價(jià)明顯比鎢燈絲高很多。超高真空的潔凈度要好于鎢燈絲的一般高真空，因此很長時(shí)間，也就是在燈絲壽命內(nèi)，系統(tǒng)可以免清洗和維護(hù)。鎢燈絲掃描電鏡相對維護(hù)周期要短一些。

5、鎢燈絲和場發(fā)射是具有明顯檔次差異的，這也從價(jià)格上明確反映。鎢燈絲掃描電鏡十幾萬，場發(fā)射幾十萬，都是美元。國內(nèi)目前只能制造最低檔次的鎢燈絲掃描電鏡。