Filamentos de Tungsteno tipo horquilla Marca SPI
y Fuentes de Electrones
Comentarios sencillos acerca las fuentes de tungsteno tipo horquilla vs. fuentes LaB6 para microscopios electrónicos
En esta sección no buscamos dar una descripción exhaustiva de cómo opera una fuente de electrones
en un microscopio, sino que pretendemos destacar los detalles más importantes.
Descripciones detalladas abundan en la literatura especializada y en varios libros de
microscopía electrónica (ver por ejemplo: Reimer - Scanning Electron Microscopy - Springer-
Verlag 1985)
Lo primero que es importante aclarar es que el voltaje de aceleración del microscopio (HV) no tiene
mucho que ver con la emisión de electrones per se.
Hay una interacción del filamento, sis fuentes de poder y la fuente de poder del HV (alto voltaje).
Esto se debe al hecoh de que el filamento y su fuente de poder deben residir dentro del tanque de alto
voltaje y operar mientras hay una flotación eléctrica al final de la terminal de alto voltaje. Es también
relevante diseñar la electrónica para simplificar la operación y por tanto hay algunas interconexiones
entre el HV y las desviaciones de voltaje.
El punto importante para mantener en mente es que la función primaria del HV es acelerar los electrones
hacia la columna óptica electrónica. El HV como tal no es la fuente del haz de electrones. Esta es la
función específica del filamento.
Existen tres tipos comunes de fuentes de electrones, que actualmente se emplean:
a)Emisión termoiónica, b)Emisores de Campo Parcial y c)Emisores de Campo Puro.
En el caso de un emisor térmico, los electrones se emiten a partir de un material incandescente,
de acuerdo a la ecuación de Richardson de la emisión (termoiónica). La función de la corriente
incandescente del filamente es dar a los electrones en la fuente suficiente energía térmica para
sobrepasar la barrera energética que evita que los electrones sean liberados. Todos los metales
liberan electrones cuando se calientan a la temperatura adecuada, y cuanta mayor temperatura se
aplica, mayor cantidad de electrones se emiten. Sin embargo, la mayoría de los materiales no
sobreviven largo tiempo a las temperaturas requeridas para que sometidos a estos procesos, liberen
una cantidad significativa de electrones.
El Tungsteno (W) tiene una tempoeratura de fusión suficientemente alta (3650 Kelvin), lo que permite
que el material soporte temperaturas elevadas por mayor tiempo ( ~ 2600- 3000K ) y por tanto, es
el material elegido para un emisor termoiónico típico.
Otra manera de obtener emisión es reducir la "barrera energética de trabajo", la cual limita la
emisión. Materiales con bajas funciones de trabajo emiten a menores temperaturas
(LaB6 por ejemplo). Estos materiales suelen referirse frecuentemente
como emisores de campo parcial, ya que se explota el concepto de que su baja función de trabajo permite
la operación a menores temperaturas que el tungsteno (~1400-2000 K). El uso del término "emisor
de campo parcial" no es rigurosamente cierta, ya que el mecanismo primario de excitación sigue siendo
activación térmica.
Finalmente las fuentes de emisión de campo operan mediante una reducción de la barrera
de energía por un campo aplilcado que permite la formacion de túneles cuánticos de electrones
a través de la barrera reducida hacia el vacío. Este es un proceso distinto a la emisión
termoiónica y es gobernada por las relaciones de Fowler-NOrdheim. Existen dos tipos de emisores
de campo: los asistidos térmicamente (también denominados Schttky) y los Emisores de campo frío.
como lo implican sus nombres, los emisores asistidos térmicamente requieren calor, mietras que los
de campo frío no. pero ambos requieren la aplicación de una campo externo para extraer el haz
de electrones de una punta o extremo muy pequeño.
Los electrones que se emiten del filamento independientemente del tipo de emisor son "reemplazados"
por el hecho de que hay una conexión a tierra y que el reservorio de electrones en los metales es un
contínuo, por tanto el filamento se mantiene en general, neutro. Si esta conexión a tierra no estuviera
presente, el material podría cargarse localmente y la emisión de electrones podría empezar a
declinar y eventualmente, detenerse (la barrera energética local entonces incrementaría de forma continua).
Para el caso de los cañones Termoiónicos y LaB6, se forma un sistema de
triodo con el filamento, cubierta Wehnelt y ánodo. Mediante el diseño concienzudo de la fuente de poder el
Wehnelt es ligeramente negativo con el filamento, y resulta un campo electrostático que funge como un
pequeño lente produciendo un enfoque de los electrones que some emitidos solamente desde una región
limitada de punta caliente de la fuente de Tungsteno. Esta diferencia de voltajes es normalmente conocida como
voltaje "desviado" del cañón. En los emisores de campo un sistema múltiple de ánodos es utilizado en lugar
de la configuración de triodo. En este caso se aplica un voltaje de extracción. Los voltajes de desviación
son generalmente unos cientos de volts, mientras que en el voltaje de extracción ene un FEG se comprende
generalmente en el rango de 3-5 kV.
El filamento y el Wehnelt (o último ánodo para un FEG) se conectan también a la terminal negativa de la
fuente de alto voltaje. Por tanto, el haz de electornes que abandona el Wehnelt se acelera por el alto
voltaje hacia el ánodo aterrizado más cerano, que se comoca en la base del cañon. Esta aceleración
proporciona a los electrones su velocidad axial (Z).
Algunos de estos electrones logran pasar por una pequeña apertura en el ánodo aterrizado que es la
entrada a la columna de electrones. Una vez que se pasa el electrodo del cañón (con potencial de tierra)
la aceleración Z de los electrones es esencialmente cero y viajan a velocidad constante (determinado por
el alto voltaje) hasta que golpean la muestra.
La función de los lentes remanentes y los deflectores en el cuerpo de un microscopio sirven para
hacer la defexión y enfoque posterior del haz hacia el especimen, de la forma en que el analista
lo requiera.
Finalmente, puede notar que los electrones son emitidos a partir de un filamento termoiónico
de una manera muy similar a como ocurre en un foco. En el caso del foco, la falla del filamento
se debe a la transferencia de masa y a la fusión. Esto involura el movimiento de átomos metálicos
alejándose del punto de la falla (aun cuendo se esté abajo del punto de fusión). El sobrecalentamiento
de los filamentos generan que este fenómeno se de con mayor rapidez, reduciendo por tanto,
la vida del filamento.
life.
La información anterior fue tomada de los comentarios del
Dr. Nestor Zaluzec y hemos reproducido los mismos con una mínima edición para mayor claridad.
Queremos agradecer al Dr. Zaluzec y a Argonne National Laboratories por permitirnos utilizar esta
pequeña descripción entre las diferencias de desempeño de las diferentes fuentes de electrones.
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Sunday March 14, 2010
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