两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比；王银军范建冬；（上海梅山钢铁公司技术中心江苏南京210039）；摘要扫描电镜电子枪上的两种阴极钨灯丝的使用寿命相；关键词扫描电镜钨灯丝使用寿命；某扫描电镜电子枪为三电极热发射式电子枪，主要由阴；图1、扫描电镜电子枪结构简图；1、两种阴极钨灯丝的对比；阴极钨灯丝一般由钨灯丝、绝缘子、电极组成(图2)；1-钨灯丝；2-绝缘子；3
两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比
王银军 范建冬
（上海梅山钢铁公司技术中心
江苏南京210039）
扫描电镜电子枪上的两种阴极钨灯丝的使用寿命相差约5倍。本文主要从阴极钨灯丝的形状、单位表面功率、表面形貌等方面分析其早期失效的主要原因是设计不合理，为正确选用阴极钨灯丝、降低实验成本提供依据。
关键词 扫描电镜
某扫描电镜电子枪为三电极热发射式电子枪，主要由阴极、栅极和阳极组成(图1)[1]。电子枪阴极一般采用发叉式钨灯丝。使用某仪器厂商提供的A、B两种阴极钨灯丝，持续多年的对比使用情况表明，在大致相同的使用条件下，A钨灯丝使用寿命一般可达100小时以上，而B钨灯丝使用寿命一般仅约20小时左右。由于这两种阴极钨灯丝的使用寿命相差约5倍，但售价相同，长期使用B钨灯丝将显著增加用户的实验成本。另外，使用B钨灯丝时，更换、调试频繁，操作麻烦，严重影响实验工作进度。从阴极钨灯丝的形状、单位表面功率、表面形貌等方面分析，探讨了导致这两种钨灯丝的使用寿命差别悬殊的主要原因，为合理选用阴极钨灯丝、降低实验成本提供了依据。
图1、扫描电镜电子枪结构简图
1、两种阴极钨灯丝的对比
阴极钨灯丝一般由钨灯丝、绝缘子、电极组成(图2)，钨灯丝两端通过焊接方法与2根杆状电极连接，这2根平行的电极再垂直穿过高铝或石英材质的圆盘状绝缘子。
1-钨灯丝；2-绝缘子；3-绝缘子定位槽；4-杆状电极
图2、阴极钨灯丝
观察A、B两种钨灯丝的外形结构（图3），并测量其直径、有效长度（两电极杆末级焊点之间的灯丝总长）。A钨灯丝外形呈较尖锐、狭长的发叉形，夹角约15o；B钨灯丝外形呈较钝的“V”形，夹角约45o。A、B两种钨灯丝直径都为Φ125μm。A钨灯丝有效长度约12mm；B钨灯丝有效长度仅约8mm。
图3、两种钨灯丝外形对比（a、A灯丝；b、B灯丝）
2、分析讨论
2.1、灯丝外形对灯丝寿命的影响
电子枪工作原理是：阴极钨灯丝加热到一定的工作温度，热电子运动加快，阴极灯丝的逸出功降低，由于灯丝尖端表面电场强，出射的电子便离开尖端，在阴极和阳极间的加速电压作用下，向阳极加速运动。由于栅极的电压低于阴极，当电子接近栅极时受到负偏压的排斥，部分电子在负偏压电场下反弹至阴极表面，其余电子被聚焦成一个收敛交叉束斑。
当阴极热电子发射时，阴极电子发射率io为[2]：io=AT2exp(-b/T)
上式中： A、b为发射常数；T为阴极绝对温度。
阴极电子发射率io随阴极温度T的增加而增加。阴极钨灯丝尖端处的曲率半径越小，尖端处的表面电场强度越大，阴极与阳极之间的电场强度也越强，热电子发射能力也越强。与B钨灯丝相比，A钨灯丝尖端更尖锐，尖端处的曲率半径更小，因此，A钨灯丝更容易发射热电子，可在稍低的工作温度条件获得与B钨灯丝接近的热电子束流，从而有利于使用寿命的延长。
2.2、单位表面功率对灯丝寿命的影响
钨灯丝的使用寿命主要取决于其使用温度，而使用温度又取决于单位表面功率的高低。 钨灯丝的单位表面功率P为：P=U2r/2ρl2
上式中：U为钨灯丝加热端电压；r钨灯丝半径；ρ为钨灯丝电阻率；l为钨灯丝长度。
相同加热电源条件下，相同直径的钨灯丝的单位表面功率与其长度的平方成反比。A钨灯丝长度比B钨灯丝增加约50%，其他条件不变，则A钨灯丝的单位表面功率显著降低，仅约为B钨灯丝单位表面功率的44%，其使用寿命也将呈非线性的增长。因此，从单位表面功率因素分析，A钨灯丝比B钨灯丝有更长的使用寿命。
2.3、表面形貌对灯丝寿命的影响
分析阴极钨灯丝的熔断过程：钨灯丝在制造过程中，表面会产生大量成形沟痕（图4）。钨灯丝通电加热后，大部分沟痕因高温逐渐变浅、焊合，而较深、宽的沟痕在焊合过程中，由于受到电磁谐振、回弹电子的不规则轰击，灯丝表面会形成皱痕（图5），灯丝局部直径也逐渐减少，“V”形灯丝尖端附近，电磁谐振、回弹电子的轰击更加强烈。另外，由于栅极灯丝孔处偏压电场分布不均，灯丝孔边缘处的电场最强，距离钨灯丝最尖端约0.5mm处的表面，受大量热电子在偏压电场作用下弹射，此处钨灯丝表面金属剥蚀、蒸发最严重，当灯丝直径变细至某极限值时，此处局部功率将急剧增加，当超过灯丝的表面功率负荷时，灯丝将加速熔断（图6）。
表面沟痕的深浅、多少对钨灯丝的使用寿命影响很大。B钨灯丝表面的成形沟痕深浅不均，抗折弯性能较差，“V”形结构的尖端夹角偏大，更容易受到返回电子的高速撞击，造成灯丝表面金属的蒸发、剥蚀，导致早期剥蚀、熔断。
图4、钨灯丝表面原始形貌
图5、钨灯丝表面皱痕
图6、钨灯丝尖端熔断形貌
2.4、其他因素分析
B钨灯丝是用户早期购买的电镜耗材，存放时间较长，钨灯丝表面不可避免被氧化、出现细小锈迹，这很容易被忽视，安装使用后，钨灯丝的表面电阻分布不均，锈迹处的电阻大，温度更高，形成不均匀剥蚀，灯丝直径减小，加速其使用寿命的缩短。
另外，用户的使用条件，如灯丝安装精度、湿度、真空度、饱和电流、电子束斑大小、偏压值、加速电压、样品室或镜筒清洁度等方面因素，也对灯丝的使用寿命有很大影响，但这里所述的两种钨灯丝的使用条件大致相同，故不是主要原因。
在大致相同的使用条件下，A、B两种不同阴极钨灯丝的使用寿命相差悬殊，其早期失效的主要原因是：
（1）、A钨灯丝外形呈较尖锐、狭长的发叉形，夹角约15o；B钨灯丝外形呈较钝的“V”形，夹角约45o。A钨灯丝的尖端角度、外形设计比B钨灯丝更合理。
（2）、A、B两种钨灯丝直径都为Φ125μm。A钨灯丝有效长度约12mm；B钨灯丝有效长度仅约8mm。A钨灯丝长度比B钨灯丝增加约50%，其他条件不变，则A钨灯丝的单位表面功率显著降低，其使用寿命延长。
（3）、B钨灯丝表面沟痕深浅不均，抗折弯性能较差，“V”形结构的尖端夹角偏大，灯丝尖端受栅极灯丝孔处的回弹电子的轰击强烈，其更容易早期剥蚀、熔断。
（4）、B钨灯丝是仪器厂商的早期产品，存放时间较长，钨灯丝表面不可避免出现极细小锈迹或污染。
[1] XL-30扫描电镜使用说明书
[2] 陈世朴, 王永瑞. 金属电子显微分析[M]. 北京：机械工业出版社，1992.
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请问SEM扫描电镜中钨灯丝与场发射的同与异,及各自的优点和缺点.
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相同：都是电子枪即发射电子的装置,都有阴极和阳极,阴极都是点源发射,阴极和阳极之间有直流高压电场存在,高压一般可调,用于控制电子的发射速度（能量）,电子枪发射的电流强度很小,微安级别和纳安级别,为防止气体电离造成的大电流击穿高压电源,都需要高真空环境.电子枪阴极都属于耗材系列.差异和优劣:1、点源直径不同及优劣：钨灯丝电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V形（发叉式钨丝阴极）,使用V形的尖端作为点发射源,曲率半径大约为0.1mm；场发射电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝,经过腐蚀制成针状的尖阴极,一般曲率半径在100nm~1μm之间.由于制作工艺上的差异,造价不同,发叉式钨丝阴极便宜,场发射阴极很贵.2、发射机制不同和优劣钨灯丝属于热发射,在灯丝电极加直流电压,钨丝发热,使用温度一般在K之间,钨丝有很高的电子发射效率,温度越高电流密度越大,理想情况下的的电子枪亮度越高.由于材料的蒸发速度随温度升高而急剧上升,因此钨灯丝的寿命比较短,一般在50~200小时之间,这个和设定的灯丝温度有关.由于电子发射温度高,发射的电子能量分散度大,一般2ev,电子枪引起的色差会比较大.场发射电子枪主要的发射机制不是靠加热阴极,而是在尖阴极表面增加强电场,从而降低阴极材料的表面势垒,并且可以使得表面势垒宽度变窄到纳米尺度,从而出现量子隧道效应,在常温甚至在低温下,大量低能电子通过隧道发射到真空中,由于阴极材料温度低,一般材料不会损失,因此寿命很长,可使用上万小时.3、电子枪控制方式和电子源直径不同和优劣性.钨灯丝是三极自给偏压控制,具有偏压负反馈电路,因此发射电流稳定度高；由于阴极发射点源面积大,因此电子源尺寸也比较大,50~100μm,发射可达几十~150μA,但电子枪的亮度低,因此当电子束斑聚焦到几个纳米的时候,总的探针电流很小,信噪比太低是限制图像分辨率的根本因素,当前最佳钨灯丝扫描电镜最佳分辨率3.0nm.场发射电子枪没有偏压负反馈电路,外界电源的稳定度是决定因素,发射电流稳定度相比要低一些；由于尖阴极发射电源面积很小100nm左右,没有明显的电子源,因此使用虚电子源作为电子光学系统设计的初始物而存在,电子虚源直径一般在2~20nm,电子枪亮度相比钨灯丝提高上千倍.当束斑尺寸缩小到1nm以下时依然具有足够强的探针电流来获得足够的成像信号,因此分辨率高,当前最佳的场发射扫描电镜分辨率实现了亚纳米级别.4、系统真空度不同及优劣钨灯丝扫描电镜使用一般的高真空,两级真空泵系统获得0.001pa的真空度即可满足,因此造价低.场发射扫描电镜使用超高真空,需要三级真空泵必须获得0.0000001Pa以上的真空度才可以稳定工作.原因在于电子枪尖阴极不耐较低的真空中被电离的离子轰击,否则枪尖很容易被扫平而失效,这时候的性能还不如钨灯丝,其次电子枪阴极尖端在较低的真空下,吸附的气体分子会急剧加大阴极材料的表面势垒,造成电子枪发射不稳,亮度降低,所以必须使用超高真空一般是10的-8次方.超高真空系统的造价明显比钨灯丝高很多.超高真空的洁净度要好于钨灯丝的一般高真空,因此很长时间,也就是在灯丝寿命内,系统可以免清洗和维护.钨灯丝扫描电镜相对维护周期要短一些.5、钨灯丝和场发射是具有明显档次差异的,这也从价格上明确反映.钨灯丝扫描电镜十几万,场发射几十万,都是美元.国内目前只能制造最低档次的钨灯丝扫描电镜.以上定性表达,具体数据还望查阅有关资料
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主题：【已应助】钨灯丝扫描电镜的加速电压的设定
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发表于： 22:14:07
新手请教：对于钨灯丝扫描电镜，如果只在高真空条件下，并且只看二次电子像，常用的加速电压怎么选择？能否根据不同的样品特性，请详细举例说明一下。谢谢大家。
14:58:31 Last edit by v2984502
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金属物体，15-20KV是不错的选择，像差少，清晰度高。强调表面形貌可以选10KV，穿透性低一些，表面质感强。追求高倍和高分辨率，可以用25-30KV，但表面质感要弱一些。不导电物体，不要超过5KV，避免荷电效应，低电压时像差较大，需要仔细调校。
11:45:59 Last edit by v2644276
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多谢！对于金属样品，10KV能满足形貌观察吗？
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主要看你关心的是什么？如果关心最表层的形貌信息的话，还是用低加速电压，比如3KV和5KV，如果是想获取高分辨率图像的话，可以使用高加速电压。另外一点就是从抑制荷电角度来考虑，如果荷电比较厉害，低加速电压会有优势；从样品损伤角度来说，高分子、有机材料等样品建议用低加速电压，而金属等强度高的可以使用高加速电压。
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自己多试几下就知道了
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样品导电性好的可以加高压30kv 导电性差的尽量低些，采形貌效果好些
wang200604
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用钨灯丝枪扫描电镜观察金属样品，建议用20-30Kv的加速电压，观察非金属样品建议用5-20Kv的加速电压。但不同的样品尽量试验一下，找到一个合适的电压为好。
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EDX我总用，但是电压一般起始值12kv 电镜估计也是有最佳电压下EDS值 一般看轻元素，请用小电压激发就可以，元素表后面元素 要大电压值，中间原子量的就中间值，这个是指能谱说的！电镜 也不是很熟悉啊
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ID：mitchell_dyzy
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常用的如2楼所说，具体根据不同的样品调整400-633-1888
当前位置：
钨灯丝扫描电镜
钨灯丝扫描电镜
信息发布日期：
加入日期：截止日期：招标业主：中国地质大学（武汉）地 区：武汉市
&招标公告正文
中国地质大学（武汉）采购与招标管理中心受学校委托，以公开招标的方式进行此次采购，其采购资金列入学校采购计划并已经落实，欢迎符合资格条件的供应商参加投标。
一、招标项目名称：钨灯丝扫描电镜
二、招标文件编号：
三、采购内容：采购进口钨灯丝扫描电镜1台，采购预算金额为人民币90万元（包含外贸代理费）。要求如下：
（一）技术要求（加注*号条款为必须满足项，不得有负偏离，否则投标将会被否决）：
钨灯丝扫描电镜基本配置要求为：扫描电镜主机1套（含二次电子和背散射电子探测器）；进口喷金仪1套；自动稳压电源1套。
*1、二次电子探头分辨率：30KV电压下不低于3.0nm，3kV电压下不低于7nm；背散射电子探头分辨率：30KV电压下不低于4.0nm，5kV电压下不低于10nm；
2、放大倍率：5-300000倍（照片显示倍率）；加速电压：0.3-30 KV；
*3、真空度：高真空不低于0.1mPa，低真空空气浓度不小于600Pa；
4、电子枪：具有6级自动偏压功能；具有自动对中、自动饱和度调整等功能；物镜光阑：可动式物镜光阑；
5、真空系统阀门：气动阀，配有空压机；
6、样品台尺寸：装载直径≥200mm样品；4轴以上马达驱动样品台；具有非接触报警装置；
*7、二次电子探测器：二次电子像；背散射电子探测器：成分像、形貌像和三维像；
8、具有图像测量软件，存储图像像素不小于；
9、配备进口磁控型离子溅射仪；
四、投标人必须符合下列要求：
1. 投标人应具备《政府采购法》第二十二条规定的条件：
（1）具有独立承担民事责任的能力；
（2）具有良好的商业信誉和健全的财务会计制度；
（3）具有履行合同所必需的设备和专业技术能力；
（4）有依法缴纳税收和社会保障资金的良好记录；
（5）参加政府采购活动前三年内，在经营活动中没有重大违法记录；
（6）法律、行政法规规定的其他条件。
2. 本项目不接受联合体投标。
3. 投标人必须是所投货物的制造商、或者是取得主要设备的制造商授权的代理商。
五、报名及获取招标文件：
　　1、时间：日至 日；工作日上午8:30～11:00，下午14:30～16:30接受报名；周五下午、节假日及其他时间不接受报名。
　　2、地点：中国地质大学（武汉）采购与招标管理中心　　　
　　3、报名时须提供以下证明文件（复印件需加盖公章）：
　（1）公司营业执照原件及复印件；
　（2）公司税务登记证原件及复印件；
　（3）组织机构代码证原件及复印件；
　（4）法人授权委托书原件；
　（5）法定代表人身份证（二代证）复印件；
　（6）被授权人身份证（二代证）原件及复印件；
　　4、报名时收取报名及招标文件制作费人民币200元，售后不退。
六、投标文件递交及开标
　　1、投标截止及开标时间：日下午14：31整。
　　2、投标文件递交和开标地点：武汉市洪山区鲁磨路388号 中国地质大学（武汉）东区设备楼2楼206招标评标会议室。
七、联系方式：
　　　采购与招标管理中心联系人：李明娟　联系电话：027－
　　　电子邮件：ztb@　传真：027－
　　　技术联系人：贺贝贝 联系电话：
　　　　　　　　　　　　　　　中国地质大学（武汉）采购与招标管理中心
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产品分类： 扫描电子显微镜（电镜）
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日立新一代超高分辨钨灯丝扫描电镜SU3500系列:&1.成像功能　　SU3500所具备的新型的模拟图像和改进后的电子光学系统以及图像显示算法使之能够在低加速电压下获得更高的分辨率。3KV电压时，SE图像可达7nm,5KV电压时，BSE图像可达10nm。最新开发的自动多级电子枪偏压机构能够在不降低电子束大小的情况下，在一定范围内的常用加速电压下增加发射电流。因此，此款产品与S-3400N相比，噪音得以大幅减少，成像更加清晰。　　通过SU3500的最新开发并优化过的图像处理方法，现在可以很容易地在快速扫描模式下观察到低噪声的图像。高速自动聚焦控制(AFC)和自动亮度及对比度控制(ABCC)的增强，使您可以缩短*2SEM(扫描电子显微镜)的观察循环时间(TAT)2.低真空功能操作的优异性　　新设计的真空程序使真空范围可以达到6-650Pa,实时真空反馈允许在用户特定的压力设定下保持样品室的快速的真空稳定性。在低真空模式下直接观察更清晰。　　SU3500具有一个可变压力模式，允许对处于自然状态下的潮湿，油腻和非导电样品进行观察。由于正电离子是电子束撞击残余气体分子的结果，所以不需要进行传统的样品前处理，比如干燥和金属镀层。　　新开发的超高灵敏度可变压力探测器得以进一步优化，特别是在可变压力模式下观察超薄表面的微观结构方面。通过同时观察从标准BSE探测器得到的组成图像，使得在多种应用下进行的各种各样的分析都成为可能。振木先生以铜矿物、树脂填料、水虱等图像为例真实的再现了SU3500的这项功能。3.友好的用户界面　　SU3500的用户界面使工作效率得到极大的提高。它的显示器像素为：最大1,920&1,200像素 ，采用24.1英寸宽屏显示器，提高了可视性和操作性，宽屏显示器不仅使得单一模式下的显示尺寸更大，而且还可为种用途实现多种显示模式。用户可以通过菜单操作选择单幅图像、双幅图像、四幅图像以及全屏幕图像显示。　　单幅图像(800&600像素)的功能是便于找到视野及聚焦；双幅图像(800&600像素&2)可以同时显示不同的探测器观测到的实时SEM图像。例如，此功能对于显示超薄表面的微观结构的UVD图像和成分BSE图像非常有效；四幅图像(640&480像素&4)可以同时显示不同信号的4种实时SEM图像。例如，此功能对显示SE图像，BSE成分图像，BSE形貌图像和BSE 3D图像非常有效；全屏幕图像(1,280&960)大尺寸和高分辨率的实时图像，适合多人同时观察。信号混合功能是将同一视野内的不同信号合成到一幅画面里的功能。例如：具有样品表面微细结构信息的二次电子(SE)像和具有丰富的成分信息的背散射电子(BSE)像，通过合成可以在一幅画里同时显示样品表面的微观形貌和成分信息，更易于评价与解析。　　显示图像的宽高有2种模式可以供选择。用户的界面可以根据用户的应用目的选择最佳的操作条件。对于SEM的初学者来说，可以在不具备任何技术知识的情况下很容易地操作。除了通过操作按钮之外，诸如聚焦，放大倍率，扫描速度，亮度自动调整以及图像都可以通过面板完成操作。嵌入式日常维护视频文件使您能正确有效的进行日常维护。4.多功能样品室能容纳各种样品　　优中心5轴马达驱动样品台主要是：1.移动X-Y，倾斜T，旋转R，Z轴(高度)控制通过轨迹球(操纵杆为选配)，鼠标和输入数值控制。2.X-Y轴移动步幅控制通过点击可以实现每一个指定距离的移动。对于观察等间隔的图形有效。3.与Z轴聚焦点联动的高度轴自动调整。即使当Z轴位置改变时，图形也将随时保持聚焦状态。4.优中心倾斜，旋转。从现在的观察位置倾斜，旋转样品时，图形不会大幅地偏离视野。5.观察位置的图形显示。此功能可把样品和物镜的相对位置在一个图形上显示出来。　　图像导航允许操作者使用一个低倍率的SEM图像和光学范围的图像，或者数字图像(可用的文件格式是BMP,JPEG和TIFF)浏览样品寻找视野。　　RISM：通过点击其位置，可以把感兴趣的部分移动到屏幕中心位置。ZOOM：通过拖动将感兴趣的点框起来，然后被框起来的区域将自动居中并扩大。　　样品台移动到某抓图位置，即使选择最后拍摄的100张图像中的任何一幅，都可以重现其样品台坐标。　　样品座/真空系统：支持多种观察的样品座：有适用于14和33(12.7毫米样品托)个样品的多用途样品座。还有为特定目的而准备的样品座。择样品托号码，按移动键即可将选好的位置移动到画面中心。　　SU3500在真空系统的阀门上采用可靠性高的气动阀。该气动阀在遭遇意外停电时可瞬间关闭。因此可以防止主机和样品室的真空劣化。一般带有低真空功能的电镜需要2台机械泵，而SU3500则只要一台即可。&广州市仪德科学仪器有限公司（总公司）&武汉市仪德科创仪器有限公司（分公司）&咨询热线：400-099-6500&咨询热线：400-099-6508&联系电话：020-&&联系电话：027-&公司传真：020-&&公司传真：转65006&E-mail：&E-mail：&地址：广州市天河区元岗大道310号自编4栋701单元（SOHO办公楼）&地址：武汉市武昌区徐东大街福星惠誉国际城6栋2301室&
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