熱電子銃

thermionic-emission gun

[目次：装置]

熱電子放出を利用した電子銃。
陰極として、タングステンフィラメントが広く使われている。ホウ化ランタン（LaB₆）の単結晶を使ったものもある。1μA程度の大きなプローブ電流量が得られること、電流量が安定なこと、超高真空を必要としないこと、価格が安いことなどの点で優れており、汎用型SEMに使われている。寿命は、100時間程度である。ただし、熱電子放出電子銃は、電界放出電子銃やショットキー電子銃に比べて、光源サイズが大きく輝度は低い（10⁵ A/cm²sr）。この電子銃を搭載した汎用SEMの分解能は3nm程度までで、それ以上高い分解能は得られない。
図は、熱電子放出電子銃の基本的な構造を示す。陰極（直径約0.1mmのヘアピン形状をしたタングステンフィラメント）を、10^-3Pa程度の真空中で約2800Kに通電加熱することで、熱電子を放出させる。放出された電子は、陽極に印加された高電圧によって所定のエネルギーに加速される。電流量はウェーネルト電極に印加されたバイアス電圧によって制御される。陰極、ウェーネルト電極、陽極の3つの電極によるレンズ作用によって、実質的な光源の大きさとなるクロスオーバーが形成される。クロスオーバーの大きさは直径約20μmである。

熱電子放出電子銃の基本構造⇒図

An electron gun that utilizes thermionic emission.
A tungsten (W) filament is widely used as the cathode. A single crystal of lanthanum hexaboride (LaB₆) is also used as the cathode. The advantage of the thermionic-emission gun is to produce a stable electric current as large as 1 μA, to require no ultra-high vacuum and is inexpensive. The gun is widely used in SEM. The lifetime of the gun is about 100 hours. However compared to the field-emission electron gun and the Schottky electron gun, its electron-source size is large and brightness is low (10⁵ A/cm²sr). Thus, the resolution of a SEM instrument equipped with this gun is up to about 3 nm, and no higher resolution can be obtained.
Figure shows the basic structure of the gun. The cathode of a hairpin W filament with a diameter of about 0.1 mm is electrically heated to 2800K in a vacuum of 10^-3 Pa, so as to emit thermoelectrons. The emitted electrons are accelerated by a high voltage applied to the anode up to a designated energy. The electric current is controlled by a bias voltage applied to the Wehnelt electrode. The combined action of the three electrodes (cathode, Wehnelt and anode) forms the crossover or the real electron source. The crossover is about 20 μm in diameter.