电镜如何产生电子束？

电子束来源

对于电子显微镜而言，没有比电子束更重要的部分了，但并非所有电子源都是一样的。了解它们的基本功能以及各自的优缺点，对于为您的实验选择理想的仪器至关重要。

常见的电子源有几种，大致分为热离子型(钨丝、CeB₆, LaB₆） 和场致发射(钨尖 – 肖特基和冷场发射电子源):

电子的热离子发射

热发射源依靠热量来产生电子，类似于白炽灯泡发光的方式。当电流施加到灯丝（或晶体）时，它会被逐渐加热，直到电子具有足够的能量逃离固体表面。然而，与灯泡不同的是，电子必须全部朝一个方向流动才能产生电子束，因此在附近放置一个阳极来吸引电子，并将其传递到镜筒中。（注意：在这里电子源充当阴极，是阳极和阴极之间的电压差使电子向前加速。）

钨灯丝:钨灯丝相对便宜且易于维护；用户可以学习自行更换，从而无需持续的外部维护。然而，像灯泡灯丝一样，它们会因蒸发而逐渐失去质量，最终断裂，因此寿命最短。此外，由于其高温工作环境，它们亮度较低，电子束发散角较大，导致图像质量普遍下降（即图像分辨率降低）。

LaB₆和碳化硼（CeB）₆: 六硼化镧和六硼化铈的电子源由相应分子的单晶组成。与钨丝类似，这些晶体通过施加电流加热，直到具有足够的能量发射电子。与钨相比，发射电子所需的温度更低，从而导致更小的电子束发散和更高的亮度。它们也比钨的挥发性更低，因此寿命显著延长。然而，它们也需要更高的真空度，从而增加了整体的源成本。

场致发射电子

场致发射场致发射源（也称为场发射枪或FEG）利用强静电场诱导电子发射。该静电场施加在钨丝尖端，通过量子力学隧穿效应释放高能电子。FEG的发射区域（纳米级）明显小于热离子源（微米级），从而实现了卓越的亮度，进而提升了图像质量（即更高的空间分辨率和更高的信噪比）。FEG源的寿命也是最长的，通常可以使用一年以上而无需更换。FEG源的主要缺点是成本较高；由于需要静电场，因此需要超高真空，使其比大多数热离子源更昂贵。尽管如此，这些源的更高分辨率、亮度和寿命使其适用于最广泛的应用场景。

肖特基FEG与冷FEG（CFEG）：FEG源大致可分为肖特基型或冷FEG。顾名思义，肖特基FEG是热辅助的，结合了热离子源和场发射源的优点。这是通过在钨尖端涂覆氧化锆实现的，当源加热时促进电子的热发射。请注意，尽管肖特基源的寿命比CFEG短，并且在某些条件下（例如较低电压下，肖特基发射器具有更大的能量分布）图像质量较差，但它们通常具有更好的稳定性。

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Alex Ilitchev 博士是赛默飞世尔科技公司的一名科学作家。特别感谢 Jake Jensen 和 Dustin Ellis 对本文的协助。