在之前一篇关于灯丝的博客中，我们讨论了 CeB₆ 灯丝和钨灯丝的性能。CeB₆ 灯丝和钨灯丝都是热电子源，通常也称作阴极，其作用是发射电子。当电子吸收到足够的能量就能越过势垒发射出来，势垒是由阴极材料（如钨灯丝或 CeB₆）的函数决定的。

能量是通过加热阴极灯丝提供的，电流流过灯丝时就能对其加热。对于阴极来说，韦式冒相对于阴极是负电位，这个负电位可以把不需要的电子推回进灯丝，从而有效调节发射区域的大小。

在阴极和韦氏帽电极的下面，阳极提供了一个强电场，或者一个强透镜，使电子束在韦氏帽和阳极之间汇聚。图 1 是 CeB₆ 灯丝的示意图，包括一个灯丝、一个韦氏帽电极和一个阳极。灯丝，和韦氏帽都处于高电位，而阳极是接地的。位于灯丝和阳极之间的电路能够测量发射电流。

图1：热电子源的示意图，由 CeB₆ 单晶灯丝、韦氏帽电极和阳极组成。红色部分表示电子的运动轨迹，左右两边的红色部分代表的是韦氏帽电压将发散的电子推回灯丝，下面红色部分代表的是初级入射电子束的轨迹。

CeB₆ 灯丝不是热电子源的唯一阴极，LaB₆ 灯丝和钨灯丝也经常被使用。

钨灯丝是一种弯曲的细丝状灯丝，以减小发射表面的尺寸。它们通常被加热到 2500-3000 K 的温度，以实现高电流密度， 其功函数为 4.5 eV。在 2800 K下，电流密度的实际值为 3 A/cm²。

钨灯丝的使用寿命可以在 40 到 200 小时之间变化，会受到阴极材料蒸发的限制，当它变得太薄时就会导致灯丝断裂。为了防止过度氧化，钨灯丝需要被保存在 10-3 Pa 的真空中。

六硼化铈和六硼化镧（CeB₆ 和 LaB₆）灯丝为尖端扁平的棒状， 它们的工作温度为 1400-2000 K，因为它们的功函数比钨灯丝低（LaB₆ 是 2.7 eV，CeB₆ 是 2.5 eV）。低功函数和低温产生比钨阴极更高的电流密度，范围在 20-50A / cm²。

典型地，六硼化物阴极比钨阴极亮10倍，这意味着它们在样本处提供更小光斑尺寸的更高电子束电流。而且，六硼化物阴极的寿命更高，通常是钨阴极的寿命的 10 倍。

然而，六硼化物阴极需要高于 10-4Pa 的真空以防止氧化。六硼化镧灯丝的性能在很大程度上取决于真空和温度。研究表明 CeB₆ 灯丝受碳污染的影响要小于 LaB₆ 灯丝。而且，与 LaB₆ 相比，CeB₆ 灯丝在 1800K 的工作温度下具有较低的蒸发速率。因此 CeB₆ 灯丝的使用寿命更长。

下表总结了三个热电子源的物理性质:

发射电流的稳定性对于热电子源非常关键。在扫描电镜的操作过程中，通过在恒定的控制回路中调节韦氏帽电压，使发射电流保持稳定。如图1所示，通过灯丝和阳极之间的电路在源中测量发射电流。然后根据测量出来的数值来调整韦氏帽电压。

对于给定的设置，样品电流保持不变是非常重要的。自动功能根据发射电流测量样品电流。通过改变 Wehnelt 上的电压来调节发射电流，从而调节推回到灯丝中的电子的量，以获得恒定的灯丝温度。样品上的电流可以从参照物 BSD 探测器拍摄的图像信号间接测量。

最佳状态如图 2 所示的蓝色部分，样品电流的最大值为 62 µA。如果峰值是在此值之前或之后，则意味着灯丝的温度要么太低，要么太高，需要调整。自动化功能设置灯丝的新温度并再次测量样品中的电流，以获得不同的发射电流，直到峰值落在理想发射电流 62μA。

图2：不同灯丝温度下，样品电流 (I spot) - 发射电流曲线图

一旦通过自动功能调节温度，Wehnelt 上的电压设置为 40μA 的发射电流，因此在蓝色曲线的峰值的左侧。40μA 的发射被选为分辨率和电子束电流之间的最佳选择，转换成图像质量。

目前热电子源的电流稳定性通常要优于 1% RMS。飞纳台式扫描电镜的 CeB₆ 灯丝的样品电流稳定性的测试结果表明：从开启灯丝的第一个 5 小时中，电子束电流的波动幅度约为 0.3%，从开启的灯丝 5 小时 - 15 小时，其波动约为 0.2%。如图 3 所示。在第一个小时内，电子束电流下降了约为 10%，是由电子枪的温度逐渐稳定造成的。

此外，电子枪的真空稳定性不影响 CeB₆ 灯丝发射电流。

图3：样品电流-时间曲线图（采样时间为 15 小时）

所以，CeB₆ 灯丝种种优点，使得飞纳台式扫描电镜成为一个非常可靠和耐用的产品，但它不是唯一的影响因素。如果你仔细地观察一下飞纳台式扫描电镜，你会发现它们有许多有趣的方面，值得进一步研究，比如它们的光学和电子光学放大、分辨率和数字变焦等。

1. Introduction to charged particle optics, P. Kruit, Delft University of Technology
2. Scanning electron microscopy, Physics of image formation and microanalysis, L. Reimer, Springer
3. Cathodes for Electron Microscopes, CeBix and LaB6 Filaments Standard Tungsten Loop Filaments, Electron Microscopy Sciences