两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

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。

两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

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。

两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

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 。

a 、

b 、

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i o 为[2]:i o =AT 2exp(-b/T) 1 2 3

4

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i o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。

两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

图4、钨灯丝表面原始形貌图5、钨灯丝表面皱痕

两种扫描电镜阴极钨灯丝的使用对比

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。

3、结论

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。

参考文献

[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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