电子源与电子枪

众所周知，电子源，一般叫做电子枪（Electron Gun），是一个电子光学系统，用于产生一定形状，往一定方向投射的电子束。对于电子显微镜来说，电子源极其重要，了解不同电子源的基本功能和优缺点，对于理解电子光学系统至关重要。

三种电子源

根据发射的不同，常用的电子源有三种：

热发射电子源(Thermionic Emission, TE)：利用热能克服材料表面的逸出功（work   function），使得电子从加热的金属材料中逸出。

热场发射电子源（Thermally assisted Field Emission，TFE）：也称为肖特基发射电子源 (Schottky Emission, SE)，它结合了热发射和场发射的特性。电子源表面加热至较高温度，同时加上外部电场来增强电子的逸出能力。

冷场发射电子源（Cold Field Emission，CFE）：通常简称场发射电子源(Field Emission, FE)，它基于场发射效应，通过施加非常强的电场（几千伏/厘米）来拉伸材料表面的电子，促使它们逸出。

不同电子源的简单模型

三种电子源的比较

 

特性参数：

参数	单位	热发射（钨）	热发射（LaB6）	肖特基（热场）发射	冷场发射
发射面	um2	>>1	> 1	0.2	0.02
(虚)源直径	nm	>1x105	1x104	15	3
电流密度(@100kV)	A/m2	5	1x102	1x105	1x106
亮度(@100kV)	A/m2sr	1x1010	5x1011	5x1012	1x1013
能散(@100kV)	eV	3	1.5	0.7	0.3
逸出功	eV	4.5	2.4	3	4.5
阴极温度	K	2700	1700	1700	300
真空度	Pa	1x10-4	1x10-6	1x10-7	1x10-9
生命周期	hr	100	1000	>5000	>5000
束流波动性	/hr	<1%	<1%	<1%	>5%

 

 

概念-Crossover与Virtual source

对于场发射电子源，电子束的行为就像是从一个直径为5至10纳米的源点发出，这个点被称为虚拟源（Virtual source，或者 Virtual Crossover）。注意区分其不同于热发射时的Real Crossover，Corssover处会有比较强的空间电荷效应。基于这个，电子源可以分为：交叉枪、层流枪。

 

 

概念-Flashing

对于冷场发射电子枪，其枪尖通常由钨单晶制成（尖端半径仅几个纳米），在使用过程中，尖端表面容易被残留气体分子或其他污染物覆盖，这会降低发射稳定性。

通过Flashing（闪烁）过程，可将尖端瞬时加热到较高温度（通常为1800–2500 K），以烧掉或挥发掉附着在表面的污染物。清洁后的尖端能够恢复其高效的电子发射性能。

 

注：根据设备使用频率和环境条件，Flashing 的频率可从几小时到几天不等。Flashing的温度和时间控制也比较关键：温度过高可能导致尖端形状改变或熔化，影响发射性能；温度过低或时间过短可能无法完全清除污染（冷场发射电镜提供专门的Flashing操作，需要关闭HV的情况下进行）。

 

 

概念-TA

TA值（tip-anode） 。TA值指的是电子源尖端（如钨灯丝或肖特基源）与阳极之间的距离。 在场发射电子枪和肖特基电子枪中，非常关键，对电子束的形成、加速和最终的成像质量有显著影响。

 

 

概念-亮度(Brightness)

电子枪的亮度是指单位时间内，从电子枪发射的电子束通过单位面积并朝特定方向传播的电子数量。亮度的单位用“A/cm²·sr”表示，表示单位立体角下的电流密度。

 

其中：

I：通过电子枪的电流（单位：安培），

A：电子束通过的面积（单位：平方厘米），

Ω：电子束的立体角（单位：球面度，sr），即电子束在空间中占据的角度范围。

 

 

其他

材料考虑，一个理想阴极（Cathode），追求：

• 材料逸出功低

• 发射电流密度大

• 工作温度低

• 在阴极工作温度下材料蒸发小

• 抗离子轰击及抗中毒性好

• 寿命长

 

从电子光学系统方面需求：

• 虚源尽可能小

• 亮度高

 

 

参考

• Jon Orloff,《Handbook of Charged Particle Optics》

• JEOL,《Scanning Electron MicroScope A to Z, Basic Knowledge for Using The SEM》

• https://www.thermofisher.com/blog/materials/electron-source-fundamentals/

• https://iubemcenter.indiana.edu/doc/williams-and-carter/transmission-electron-microscopy-chapter-05.pdf

• https://www.jeol.com/words/semterms/20121024.021759.php

• https://ediss.uni-goettingen.de/bitstream/11858/00-1735-0000-0028-867D-4/1/release-version_20151216.pdf

• https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission
  

• https://blog.debao.me/2024/12/notes-on-electron-gun/