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1、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 ）口电子枪 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
2、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。灯丝加热电源图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。A钨灯丝有效长度约12mm； B钨灯丝有效
3、长度观察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15； B钨灯丝外形呈较钝的“V” 形，夹角约45。A、B两种钨灯丝直径都为 125凹。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
4、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为:i二AT2exp（-b/T）oo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 o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
5、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/2pl2上式中：U为钨灯丝加热端电压；r钨灯丝半径；p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，贝U 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
6、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
7、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。|lm!s.I 1 宀 一；一-卜cc.V Spot MagnDet WD Exp I20.0 kV 4 1 750xSE 10.1 0B图4、钨灯丝表面原始形貌图5、钨灯丝表面皱痕图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
8、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15； B钨灯丝外形呈较钝的“V”形， 夹角约45。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 125pm。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，贝UA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.
