电子枪的工作原理

电子枪（电子源）是X射线管、扫描电子显镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能量分散谱仪（EDS）等分析仪器的核心部件，具有十分重要的应用价值。

从阴极类型和工作模式来分，电子枪可分为热发射阴极和场发射阴极。电子枪主要由阴极（灯丝）、栅极、聚焦极和阳极四部分组成。

（1）阴极（Cathode）是电子的来源。

1. 热阴极一般选择熔点高金属，通过对金属材料进行加热，高温使得电子的动能增大到足以克服材料的表面功函数时，电子就能逃离金属表面成为电子源。热发射阴极具有发射电流大的优点，但大部分能量都以热辐射的形式散失掉，只有极少数能量能被利用，且需要更长的稳定时间，电子发散聚焦难度大。
2. 场发射阴极通过外加电场降低材料表面的势垒，让电子遂穿从而离开材料表面成为电子源。场发射阴极不需要加热所以不会产生热辐射对电子枪的其它结构产生影响，发射电子速度快，电子束斑小，但阴极材料容易被离子回轰击而损坏。

（2）栅极（Grid）与阴极间存在电势差，产生的电场是将电子从阴极抽取出来的外力，可控制发射电流的大小，也可以影响电子束束斑的尺寸。

（3）聚焦极（Focus）是将从阴极发出穿过栅极的电子束进行聚焦的部件，有静电场聚焦、磁场聚焦、电磁场聚焦几种形式。静电场聚焦结构简单，通过电场对电子进行偏转而实现电子束的聚焦；磁场聚焦是运动的电子对磁力线切割产生螺旋运动，从而实现聚焦，磁场可以为永磁场或电磁场。

（4）阳极（Anode）是电子获得动能的部件，阳阴与阴极间存在电势差形成加速电场，电子向阳阴运动过程中被加速，从而获得动能。

深圳海创德科技有限公司代理的美国Kimball Phyiscs Inc. 的电子枪为热发射阴极电子枪，灯丝材料有钽（Ta）、（氧化钡）BaO、氧化钇（Y2O3）、六硼化镧（LaB6）。

（1）Ta是最通用的阴极材料，同时也是四种材料中最便宜的，可工作在1E-5 Torr的真空环境中，在中等加热电流的情况下拥有数百小时的寿命。

（2）Y2O3阴极材料具有在低真空环境下工作的的优点，因铱加热电极和圆盘（表面涂有Y2O3）不活跃，故可工作在1E-4 Torr的真空环境中，与Ta相比，它在较低的温度下也能提供更大的电子束流，寿命与Ta相近。

（3）BaO阴极材料的功函数非常低，因此可以在较低的温度下以较低的光亮度工作。它对水蒸汽敏感，所以要在1E-7 Torr或更高真空度的环境中激活和工作。在中等加热电流下，其使用寿命可以达到数千小时。

（4）LaB6不同于其它难熔金属的阴极，而是由碳和单晶LaB6制成的更复杂的结构。它的发射面积比圆盘型阴极小，因此具有光斑尺寸更小的优势。LaB6阴极需工作在1E-7torr或更高真空度的环境中，并且是四种阴极中最贵的。在中等加热电流下，其使用寿命长达数千小时。

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