请问SEM扫描电镜中钨灯丝与场发射的同与异,及各自的优点和缺点.

相同：都是电子枪即发射电子的装置,都有阴极和阳极,阴极都是点源发射,阴极和阳极之间有直流高压电场存在,高压一般可调,用于控制电子的发射速度（能量）,电子枪发射的电流强度很小,微安级别和纳安级别,为防止气体电离造成的大电流击穿高压电源,都需要高真空环境.电子枪阴极都属于耗材系列.

差异和优劣:

1、点源直径不同及优劣：

钨灯丝电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝制成V形（发叉式钨丝阴极）,使用V形的尖端作为点发射源,曲率半径大约为0.1mm；场发射电子枪阴极使用0.1mm直径的钨丝,经过腐蚀制成针状的尖阴极,一般曲率半径在100nm~1μm之间.由于制作工艺上的差异,造价不同,发叉式钨丝阴极便宜,场发射阴极很贵.

2、发射机制不同和优劣

钨灯丝属于热发射,在灯丝电极加直流电压,钨丝发热,使用温度一般在2600K~2800K之间,钨丝有很高的电子发射效率,温度越高电流密度越大,理想情况下的的电子枪亮度越高.由于材料的蒸发速度随温度升高而急剧上升,因此钨灯丝的寿命比较短,一般在50~200小时之间,这个和设定的灯丝温度有关.由于电子发射温度高,发射的电子能量分散度大,一般2ev,电子枪引起的色差会比较大.

场发射电子枪主要的发射机制不是靠加热阴极,而是在尖阴极表面增加强电场,从而降低阴极材料的表面势垒,并且可以使得表面势垒宽度变窄到纳米尺度,从而出现量子隧道效应,在常温甚至在低温下,大量低能电子通过隧道发射到真空中,由于阴极材料温度低,一般材料不会损失,因此寿命很长,可使用上万小时.

3、电子枪控制方式和电子源直径不同和优劣性.

钨灯丝是三极自给偏压控制,具有偏压负反馈电路,因此发射电流稳定度高；由于阴极发射点源面积大,因此电子源尺寸也比较大,50~100μm,发射可达几十~150μA,但电子枪的亮度低,因此当电子束斑聚焦到几个纳米的时候,总的探针电流很小,信噪比太低是限制图像分辨率的根本因素,当前最佳钨灯丝扫描电镜最佳分辨率3.0nm.

场发射电子枪没有偏压负反馈电路,外界电源的稳定度是决定因素,发射电流稳定度相比要低一些；由于尖阴极发射电源面积很小100nm左右,没有明显的电子源,因此使用虚电子源作为电子光学系统设计的初始物而存在,电子虚源直径一般在2~20nm,电子枪亮度相比钨灯丝提高上千倍.当束斑尺寸缩小到1nm以下时依然具有足够强的探针电流来获得足够的成像信号,因此分辨率高,当前最佳的场发射扫描电镜分辨率实现了亚纳米级别.

4、系统真空度不同及优劣

钨灯丝扫描电镜使用一般的高真空,两级真空泵系统获得0.001pa的真空度即可满足,因此造价低.

场发射扫描电镜使用超高真空,需要三级真空泵必须获得0.0000001Pa以上的真空度才可以稳定工作.原因在于电子枪尖阴极不耐较低的真空中被电离的离子轰击,否则枪尖很容易被扫平而失效,这时候的性能还不如钨灯丝,其次电子枪阴极尖端在较低的真空下,吸附的气体分子会急剧加大阴极材料的表面势垒,造成电子枪发射不稳,亮度降低,所以必须使用超高真空一般是10的-8次方.超高真空系统的造价明显比钨灯丝高很多.超高真空的洁净度要好于钨灯丝的一般高真空,因此很长时间,也就是在灯丝寿命内,系统可以免清洗和维护.钨灯丝扫描电镜相对维护周期要短一些.

5、钨灯丝和场发射是具有明显档次差异的,这也从价格上明确反映.钨灯丝扫描电镜十几万,场发射几十万,都是美元.国内目前只能制造最低档次的钨灯丝扫描电镜.

以上定性表达,具体数据还望查阅有关资料

扫描电镜原理：

电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等等。

电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。

电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，SEM)两大类。

电子束通过加速电压打到样品上，称场发射。

光波是由物质中原子、分子和电子的运动而产生的。在高压水银灯中，通过放电产生许多自由电子，电子在电的作用下加速，速度比子弹快得多。当这种电子和水银原子碰撞时，就把能量传送给水银原子，使之受激发，达到不稳定的高能量状态。同样，在自发地从高能量状态“掉”下来，回到低能量状态时，就发出了光。

白天，阳光普照大地夜晚，各种灯光把住房、街道照得通明。灯和太阳一样，给我们带来了光明，是我们工作、学习、生活中不可缺少的东西。

灯在人类学会用火以后就出现了，一直发展到今天的白炽灯和放电灯。人类使用灯的历史是十分悠久的，但是人们弄清楚灯为什么会发光，还是近一二百年的事。

光是一种电磁波。自然界有许多波。向水面扔一块石子，会产生一圈一圈的波纹，这是眼晴可以直接看到的水波拨动一根琴弦，会在空气中产生听得见的声波。空间大量存在的是我们既看不见又听不到的电波。光波(波长7.7×10-5厘米至4×10-5厘米)也是它的成员之一，只是波长很短，波动频率很高罢了。

光波是怎样产生的呢?水波是水被激荡所引起的。声波是物体振动产生的。无线电波是由于电子运动，从高塔顶上的天线发出的。

同样，光波是由物质中原子、分子和电子的运动而产生的。不过这些都是微观世界的特殊运动。

例如，在白炽灯中，通电的钨丝，温度高达2300℃。其中的原子在剧烈地运动着，于是，有一部分原子处于不稳定的高势能状态，就像尖屋顶上的一只球，由于势能很高，很容易掉下来。

这些原子一旦从高能量状态“掉”下来，回到低势能状态时，就放出一份能量，这份能量以光的形式放出来。

在高压水银灯中，通过放电产生许多自由电子，电子在电的作用下加速，速度比子弹快得多。

当这种电子和水银原子碰撞时，就把能量传送给水银原子，使之受激发，达到不稳定的高能量状态。同样，在自发地从高能量状态“掉”下来，回到低能量状态时，就发出了光。

在这种发光过程中，从不同的高能量状态“掉”下来的原子，会发出不同颜色的光。不同原子发出的光，方向也不一样，杂乱无章的。如果选择一定能量的原子、分子和电子运动，使它们按一定的相互关系“有组织”地发出来，就能获得一种奇妙的新光源。1960年，美国科学家造出了这种20世纪的“神灯”，这就是激光器。

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