電子槍與電磁透鏡的另類解析——安徽大學林中清32載經驗談(3)

【作者按】儀器的測試過程可歸類為兩件事：激發樣品的信息，接收及處理樣品的信息。因此其可被看成是由兩類功能部件所組成：信號激發、信號接收處理。對掃描電鏡來說電子槍和磁透鏡屬於激發樣品信號的部件，探頭屬於接收樣品信息的部件。它們都是構成掃描電鏡的最基本部件，其性能的高低將對掃描電鏡測試結果產生重大影響。學習掃描電鏡也必須從認識這三個功能部件做起。篇幅所限，本文將只探討激發信號的關鍵部件：電子槍、電磁透鏡。

一、   電子槍

電子槍是電子顯微鏡產生高能電子束，這一樣品信號激發源的源頭。透射電鏡和掃描電鏡電子槍的構造基本一致。

電子槍分為兩種：熱發射、場發射，它們主體都是三極結構設計。不同點：熱發射（陰、柵、陽）；場發射（陰極、第一陽極、第二陽極）。熱場電子槍在陰極下方增加了一個抑制熱電子發射的柵極。

1.1熱發射電子槍

熱發射電子槍按陰極材質分為兩類：發叉鎢絲和六硼化鑭。

發叉鎢絲材質是多晶鎢，功函數大，電子須由高溫激發。電子束髮散性、色差都比較大，束流密度低。故本徵亮度低，分辨能力較差。

六硼化鑭燈絲的材質為六硼化鑭單晶，功函數較發叉鎢絲低，激發電子的溫度也較低，電子束髮散性、色差較發叉鎢絲小，束流密度較高。本徵亮度和分辨力都好於發叉鎢絲。

1.1.1鎢燈絲結構圖

1.1.2 六硼化鑭燈絲結構圖

1.1.3熱發射電子槍（鎢燈絲、六硼化鑭）結構如下圖：

1.2場發射電子槍

場發射電子槍分為：熱場發射電子槍、冷場發射電子槍。

1.2.1場發射電子槍燈絲的結構及對比

 1.2.2場發射電子槍的結構                        

其結構圖如下： 

左圖為熱場發射電子槍結構圖      右圖為冷場發射電子槍結構圖

從上圖可見，電子槍無論是熱場還是冷場，其基本架構都是陰極、第一陽極、第二陽極結構。熱場電子槍結構多了一個柵極保護器，以抑制熱場電子槍為降低功函數，在燈絲上加高溫所發射的熱電子。

1.2.3場發射電子槍的工作過程

1.2.3.1熱場發射電子槍：

氧化鋯∕鎢單晶?1.0.0?所構成的燈絲（陰極）通電後其溫度達到1200K。位於燈絲下方的柵極（電壓低於陰極）保護層將抑制多晶鎢和單晶鎢的熱電子發射。柵極保護層下方第一陽極上加載的電位高於陰極，稱為引出電壓，在該電壓作用下氧化鋯電子被從燈絲尖部拔出，由第二陽極與陰極間的加速電場加速，形成掃描電鏡信息激發源 — 直徑小於50nm的「高能電子束」。

1.2.3.2冷場發射電子槍：

冷場發射電子搶燈絲尖為單晶鎢? 3.1.0 ?面。該晶面逸出功低，可由位於其下方第一陽極上的引出電壓直接拔出。該電子槍不設柵極保護層。拔出的電子由陰極與第二陽極間加速電場加速，形成掃描電鏡信號激發源 — 直徑小於10nm的「高能電子束」。

1.2.4冷、熱場電子槍的優缺點

1.2.4.1冷場電子槍

冷場電子槍陰極採用單晶鎢（3.1.0）面，功函數極低，針尖電子可以被第一陽極直接拔出。在工作中電子槍溫度和環境溫度一致而得名「冷場電子槍」。該電子槍燈絲電子的出射範圍小，溢出角（立體角）也小，溢出電子的能量差也小（色差）。這些結果會使得以該陰極為基礎形成的電子槍本徵亮度大。電子槍本徵亮度大有利於掃描電鏡獲取高分辨的測試結果。

由於電子槍溫度低，鏡筒中氣體分子容易在燈絲表面積累，對拔出電子產生影響。故在工作中發射電流會逐漸下降，需要不斷提升引出電壓（set）或定時加一個瞬時電流（FLASH）來驅趕這些氣體分子，使發射束流滿足測試需求。為了保持束流在測試中儘可能穩定，鏡筒真空要求更高，高真空也是高分辨的基礎條件之一。

由於發射面積較小，因此雖然電子槍的本徵亮度大，但是束流總量不如熱發射以及熱場電子槍來的大。

冷場電子槍可以有更好的圖像分辨，但束流的穩定度以及束流總量略顯不足。不過現在最新的日立REGULUS 8230冷場電鏡在電子槍設計、真空度以及鏡筒質量上的改進使這些缺陷有所彌補。

1.2.4.2熱場電子槍

熱場電子槍問世時間較冷場電子槍來得早。電子槍陰極採用的是單晶鎢（1.0.0）面，其功函數較多晶鎢絲和六硼化鑭單晶要低很多但比冷場槍的單晶鎢（3.1.0）面要大。電子發射雖然也是由第一陽極拔出，但需要採用一系列降低功函數的方法：1.燈絲加一定電流產生1200K的高溫，2.表面塗覆一層氧化鋯，以降低燈絲表面的功函數，提升發射效果。由於電子基本由第一陽極在單晶鎢針尖部拔出，因此其發射面積、立體角及色差都較熱發射小很多，但比冷場要大。故本徵亮度要比熱發射提高很多，但略低於冷場電子槍。

熱場和冷場電子槍對比：本徵亮度低會造成儀器分辨能力不足；氧化鋯的消耗會降低燈絲束流發射效果，氧化鋯有破損，燈絲的高分辨壽命也到頭，因此其高分辨壽命較短。束流大且穩定對微區分析有利，但是隨著分析設備（EDS\EBSD）性能的提升該優勢也在逐步淡化，而分析過程中的空間分辨劣勢也會逐步加深。不過這都有個度，而且和測試需求有關，辯證的關係無處不在。

二、   電磁透鏡

透鏡系統是顯微鏡對樣品信息激發源（光）進行操控的部件。不同激發源（光束、電子束）使用不同的透鏡系統：光學顯微鏡用的是光學透鏡，電子顯微鏡是電磁透鏡和靜電透鏡（靜電透鏡在電鏡中應用面較窄，效果也較差，本文不予探討）。無論光學透鏡還是電磁透鏡都是通過對激發源（可見光、高能電子束）運行方向的改變來對其進行操控。儘管高能電子束在電磁透鏡中的運行軌跡較可見光在光學透鏡中要複雜的多，但結果基本相似，因此在電子顯微鏡教材中對電磁透鏡和電子光路路徑的探討都是以光學顯微鏡為模板。

2.1光學透鏡

2.1.1光的折射現象

直線傳播、反射、折射是光的三種運行（傳播）模式。在同一種均勻介質中光是以直線方式來運行，小孔成像、影子等都是光線直線傳播的反映。光線在兩種介質交界處會發生傳播方向的改變，如果光返回原來介質中這就是反射，反射光光速和入射光相同。光線從一個介質進入另一個介質，會發生傳播方向以及傳播速度的改變，這就是光線的折射現象。初中的物理教科書告訴我們透鏡的成像原理正是基於這種折射現象。

2.1.2光學透鏡的成像原理

透鏡可以看成許多稜鏡按照特別設計的構造所進行的組合。通常情況下光通過透鏡時：凸透鏡會將光線經兩次折射後會聚在透鏡另一側的焦點（平行光）或像平面上，凹透鏡將光線經兩次折射後按照像點和虛像各點連線所形成的角度發散出去。

凸透鏡和凹透鏡的經典成像圖

顯微系統中凸透鏡的作用是對光線進行會聚、成像（實像、虛像、放大、縮小），也可對光路進行調整，是組成顯微系統的主體部件。凹透鏡在顯微系統中主要是用於消除系統像差對解析度的影響。

透鏡的成像規律

2.1.3像差及像差校正

色差和球差是顯微系統中光線經過透鏡時形成的兩個主要像差，對顯微鏡解析度有極大影響。消除像差影響對獲取高分辨像幫助極大。

2.1.3.1色差

任何光都很難保證光束中能量完全一致。不同能量的光線傳播速度不同，通過透鏡時折射程度也存在差別，因此其焦點也不相同。如此就會在焦平面或像平面上形成一個彌散斑，使圖像模糊不清，影響圖像的分辨能力。不同能量的光線對應不同色彩，因此由光的能量差異而引起的像差被稱為「色差」。不同形態（凸透鏡、凹透鏡）、不同材質的透鏡色差通過合理的安排可以相互抵消，以此方式就可以消除整個透鏡系統的色差。

2.1.3.2球差

透鏡中心區與邊緣區對光線折射會有差異，使得軸上某個物點發出的光束最後會聚在光軸上不同位置，在像面上形成一個彌散斑從而影響圖像的分辨力，這種差異被稱為「球差」。利用光闌只讓近光軸光線通過可以減少球差，另外還有兩種方法最常見：配曲以及組合。

2.1.3.2.1配曲

透鏡兩個曲面採用不同曲率半徑，這兩個曲面會對光線的折射產生差異，互相抵消和彌補會減少透鏡球差的數值。

2.1.3.2.2組合

利用凸凹透鏡的組合消除球差。組合方式有膠合和分離。

2.2電磁透鏡

電子顯微鏡使用高能電子束做為光源，若用光學透鏡對電子束進行會聚的結果是損耗大、工藝繁瑣、效果差。因此必須選用另外的方式來對電子束進行操控。

一個軸對稱的均勻彎曲磁場對電子束擁有更好的折射效果，而且操控簡單、效果優異，是對電子束進行會聚的主要方式，類似於光學透鏡對光線的會聚，被稱為「磁透鏡」。該磁場是利用電流通過銅線圈來產生，故而被命名為「電磁透鏡」。

2.2.1電磁透鏡的構造及工作原理

電磁透鏡構造是將一個軸對稱螺旋繞制的銅芯線圈置於一個由軟磁（順磁）性質的材料(純鐵或低碳鋼)製成具有內環間隙的殼子裡。內部插入磁導率更高的錐形環狀極靴。該構造可以使得磁場強度、均勻性、對稱性得到極大提升，從而在較小空間獲得更大的電磁折射率來提升磁透鏡的會聚效果。

電磁透鏡的工作過程如下：當電流通過銅芯線圈時，將產生一個以線圈軸中心對稱分布的閉環磁場。電子束在穿越磁場時因切割磁力線而受洛侖茲力作用發生向心的偏轉折射，該偏轉和電子運行方向疊加後使得電子在磁場中以圓錐螺旋曲線軌跡運行，並使電子束從磁場另一端飛出後被重新會聚。類似於光學透鏡中的光線會聚，電磁場對電子束起到一個透鏡的作用。改變線圈電流的大小，可以改變電磁透鏡對電子束的折射率。電子顯微鏡通過對透鏡電流的調節，來無級變換焦點及放大倍率。任何一級透鏡可以在需要時打開，不用時關閉，因此更易於儀器的調整。

2.2.2電磁透鏡的像差

雖然電子束在電磁透鏡中的電子軌跡比可見光在光學透鏡中的軌跡要複雜得多，但結果基本類似。光學透鏡成像過程中存在的像差，在電磁透鏡的成像過程中也同樣存在，只是程度以及解決方式不一樣。解決像差，對掃描電鏡和透射電鏡成像效果的影響也不一樣。

電子顯微鏡使用高能電子束和電磁透鏡，相對於光學顯微鏡，其所形成的像差要小很多。而解決像差影響也會對測試結果產生負面影響，比如束流密度增大帶來的熱損傷、運用單色器會對信號量形成衰減、會聚角增大在掃描電鏡測試時會增加樣品信號擴散，這些負面影響是否會超過解決像差所帶來的正面效果？這裡存在著一個辨證的關係。

光學顯微鏡顯然是解決像差帶來的正面效果要大，所以大量的消像差組件存在於光路當中。電子顯微鏡呢？目前僅在場發射透射電鏡中加入球差校正器有著極為明顯的作用，掃描電鏡中卻未見使用。這與兩種電子顯微鏡所針對的樣品以及所獲取的樣品信息特性有關。

透射電鏡樣品極薄、樣品中信號擴散基本可以忽略不計。球差的改善會帶來兩個結果：束流密度的增加、會聚角的增加。束流密度增加會使得信息的激發區縮小同時信號量增加，這無疑對提高分辨力有利；電子束會聚角的增加有利於散射電子散射角的擴大，對stem成像有利。因此對於透射電鏡來說，解決球差所帶來結果基本都是正面，這使得球差校正對透射電鏡提高分辨力的影響十分明顯。當然基礎還是電子槍，熱發射電子槍加裝球差校正，結構更複雜而且結果差。

掃描電鏡樣品相對電子束來說無窮厚，電子束擊入樣品所引起的信號擴散較大。採用信號又是溢出樣品表面的二次電子和背散射電子，電子束會聚角的改變對它們溢出範圍影響不可忽略。球差校正結果到底如何？目前還沒看到球差校正在掃描電鏡中被運用。

球差校正器是採用多極子校正裝置產生的磁場對電子束做一個補償散射（如凹透鏡對光線的散射），來消除聚光鏡邊緣所引起的球差。

球差校正器圖解

電子顯微鏡減少色差主要依靠單色器。其原理是將電子束按照能量進行分離，然後選取某個能量段的電子束，由此降低電子束的能量差也就是色差。其缺點是電子束強度同時降低，這就要求樣品能產生充足信號，同時信號接收器的接收效果也要相應提升。目前單色器主要被用在熱場電子槍電鏡。冷場電子槍由於色差很小，束流也較小，單色器對測試結果的正面影響不大，負面影響（束流的衰減）可能會更大，因此冷場電鏡未見使用單色器。

辯證法的規律無處不在，任何條件的改變，部件的設計都不會是完美無缺。任何事、任何物的存在和變化都包含有正、反兩方面的結果。我們必須對事和物做全面的正確了解，根據自己需求選取最大的正面因素，才能使得我們在做事和選物時獲得最好的結果。最後以老祖宗的名言來做結束。那就是被我們常常認為是消極思維，其實卻包含極大哲理的「中庸之道、過猶不及」。

作者簡介：

林中清，87年入職安徽大學現代實驗技術中心從事掃描電鏡管理及測試工作。32年的電鏡知識及操作經驗的積累，漸漸凝結成其對掃描電鏡全新的認識和理論，使其獲得與眾不同的完美測試結果和疑難樣品應對方案，在同行中擁有很高的聲望。2011年在利用PHOTOSHIOP 對掃描電鏡圖片進行偽彩處理方面的突破，其電鏡顯微攝影作品分別被《中國衛生影像》、《科學畫報》、《中國國家地理》等雜誌所收錄、在全國性的顯微攝影大賽中多次獲獎。

參考書籍：

《掃描電鏡與能譜儀分析技術》張大同2009年2月1日

華南理工出版社

《微分析物理及其應用》 丁澤軍等    2009年1月

中科大出版社

《自然辯證法》  恩格斯  于光遠等譯 1984年10月

人民出版社 

《顯微傳》  章效峰 2015年10月

清華大學出版社

日立S-4800冷場發射掃描電鏡操作基礎和應用介紹

北京天美高新科學儀器有限公司  高敞 2013年6月

延伸閱讀：

掃描電鏡加速電壓與分辨力的辯證關係——安徽大學林中清32載經驗談（1）

掃描電鏡放大倍數和解析度背後的陷阱——安徽大學林中清32載經驗談（2）