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低電壓掃描電鏡存在這些制約因素，但是場發(fā)射電子槍的引入，較好地解決了低加速電壓下束流較小導(dǎo)致的信噪比差的問題。

為了獲得高分辨率掃描電鏡二次電子或背散射電子像，必須要盡量減小最小束斑直徑。對于同一電子槍，其亮度和光闌固定的情況下，電流越小，則其高斯面上的最小束斑直徑相應(yīng)越小。如前所述，電流不能無限小，否則不能保證獲得足夠信噪比的圖像，也會嚴(yán)重影響其分辨率。因此，電子槍的選擇和設(shè)計(jì)應(yīng)該確保獲得小束流、高亮度的電子槍。

掃描電鏡的電子槍主要有三種類型：鎢燈絲、熱場發(fā)射和冷場發(fā)射。

1)鎢燈絲電子槍

2000年之前的掃描電鏡大多是鎢燈絲電子槍，所示。鎢燈絲電子槍的工作溫度一般為2500～3000K，只有在這個(gè)溫度下才能克服其功函數(shù)而保證電子的發(fā)射。在如此高溫下工作，導(dǎo)致鎢燈絲的平均使用壽命僅為50～100h。鎢燈絲電子槍的電子發(fā)射率低，要進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)表征需要具有足夠的信噪比，即要有足夠大的電流。目前鎢燈絲電子槍都采用增加電子源直徑的方法來確保得到足夠大的電流。電子源直徑的增加勢必導(dǎo)致聚焦電子束最小束斑直徑的增加，從而顯著降低了掃描電鏡的分辨率。鎢燈絲的電子槍還存在亮度低、能量擴(kuò)展范圍大（為1～2V)和使用壽命較短的缺點(diǎn)。

2)熱場發(fā)射電子槍

熱場發(fā)射電子槍是利用在加熱的金屬表面外加高電場產(chǎn)生的肖特基效應(yīng)（Schottky emission）的電子槍，結(jié)構(gòu)如圖所示。陰極（發(fā)射體）是ZrO2／W，采用 曲率半徑為幾百納米的鎢單晶體，并鍍上了ZrO2涂層，ZrO2涂層使鎢單晶的工作焓從4.6eV降低到2.6eV，從而顯著降低了電子槍的工作溫度，使其在1800K下就能產(chǎn)生較大的發(fā)射電流（圖3.2b）。但是該種結(jié)構(gòu)電子槍的缺點(diǎn)是當(dāng)鎢單晶表面的氧化鋯涂層被全部耗盡后它就不再能正常工作，目前熱場發(fā)射電子槍的平均使用壽命可以達(dá)到2～3年。由于肖特基發(fā)射電子槍處于10-7Pa左右的超高真空中，發(fā)射體同時(shí)保持高溫，其 表面一般不吸附氣體，因此具有電子束流穩(wěn)定度高的特點(diǎn)。熱場發(fā)射電子槍的電流密度為鎢燈絲的2～3倍，其能量擴(kuò)展范圍比鎢燈絲電子槍?。?.5～1.0eV），同時(shí)也能得到較大的樣品電流，這一優(yōu)點(diǎn)適合于在觀察形貌的同時(shí)進(jìn)行各種分析，尤其是需要大電流的電子背散射衍射分析。

3）冷場發(fā)射電子槍

早在1968年Crewe等就提出冷場發(fā)射電子槍的概念，2000年后冷場發(fā)射電子槍已經(jīng)成為掃描電鏡的主流系統(tǒng)。它利用的是在金屬表面加強(qiáng)電場后所產(chǎn)生的場致發(fā)射現(xiàn)象，實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖所示。其陰極用細(xì)鎢絲制成，在鎢絲上焊接相同的單晶鎢，其 曲率半徑為100nm左右的發(fā)射體，在發(fā)射體對面設(shè)置的金屬板（引出電極）上施加數(shù)千伏的正電壓時(shí)，由于隧道效應(yīng)，從發(fā)射體中就會發(fā)射電子。如果在金屬板（引出電極）的中央處開一小孔，電子束會從孔中流出，因此在其下方設(shè)置的電極（加速電極）上加以電壓，就能夠獲得一定能量的電子束。為了產(chǎn)生場發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)射體的 必須保持清潔，一般處于10-Pa左右的超高真空中。同鎢燈絲電子槍相比，其對真空的要求高得多，相應(yīng)其亮度也高得多，且冷場發(fā)射電子槍人射電子束的能量擴(kuò)展范圍僅為0.2~0.5V。冷場發(fā)射電子槍是(100)或(300)方向的鎢單晶，其工作溫度為室溫。但是它的 容易積累殘余氣體等污染物，從而嚴(yán)重影響電子發(fā)射效率。目前冷場發(fā)射電子槍都采用周期性、短時(shí)間加熱電子槍表面的辦法來去除殘余氣體，這一過程被稱為“flash”。冷場發(fā)射電子槍的使用壽命取決于真空系統(tǒng)的好壞，如果真空維持較好的話，其使用壽命可以達(dá)到3~4年。冷場發(fā)射電子槍的主要優(yōu)點(diǎn)是亮度高且人射電子束的能量擴(kuò)展范圍窄，尤其是后者對于低電壓掃描電鏡來說特別重要，因?yàn)檎哪芰繑U(kuò)展范圍會有效降低色差的影響。冷場發(fā)射電子槍的主要缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定性較差，且束流較小。目前常規(guī)的冷場發(fā)射掃描電鏡的 束流一般小于20nA。