发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜
阅读说明：本技术 发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜 (Emission needle structure, thermal field emission electron source and electron microscope ) 是由 郝占海 蔡素枝 陆梁 于 2021-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜,涉及电子显微镜技术领域,解决了氧化锆等低逸出功材料团易从发射针上脱落,影响电子源寿命的技术问题。该发射针结构位于电子源中发射电子,其包括针本体和低逸出功材料团,针本体的周壁上设置有容纳部,低逸出功材料团在烧结过程中形成有嵌入容纳部内的结合部位,且结合部位与容纳部的配合结构将低逸出功材料团夹固于针本体上。本发明的发射针结构能够将低逸出功材料团更为牢固的固定在针本体上,既能够增加储备氧化锆的数量,也能够增强低逸出功材料团与针本体结合的强度,防止低逸出功材料团脱落,延长了热场发射电子源的使用寿命。(The invention provides an emission needle structure, a thermal field emission electron source and an electron microscope, relates to the technical field of electron microscopes, and solves the technical problem that the service life of the electron source is influenced because low work function material clusters such as zirconia are easy to fall off from the emission needle. The emitting needle structure is positioned in an electron source to emit electrons and comprises a needle body and a low work function material mass, wherein an accommodating part is arranged on the peripheral wall of the needle body, a combining part embedded into the accommodating part is formed in the low work function material mass in the sintering process, and the low work function material mass is clamped on the needle body through a matching structure of the combining part and the accommodating part. The transmitting needle structure can firmly fix the low work function material group on the needle body, not only can increase the quantity of the stored zirconia, but also can enhance the bonding strength of the low work function material group and the needle body, prevent the low work function material group from falling off and prolong the service life of the thermal field emission electron source.)
技术领域
本发明涉及电子显微镜技术领域，尤其是涉及一种发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜。
背景技术
电子显微镜是当代重要的科学研究、工程观察和量测仪器，在物理、材料、化学、生命等科研领域，半导体先进制程、工程材料检测等工业领域发挥着巨大的作用。
电子源是其关键零部件之一，电子源的特性往往决定了电子显微镜的主要性能。以扫描电子显微镜为例：低端扫描电镜均使用发叉式热阴极(钨丝、六硼化镧)作为电子源，中高端电镜使用冷场发射单晶钨以及热场发射氧化锆-单晶钨电子源。热场发射电子源具有亮度高、束流大、寿命长、束流稳定等特点，应用最为广泛。
热场发射电子源尖端的氧化锆附着在发射针表面目的是为了降低电子的逸出功，利于电子发射；发射针上的氧化锆随着高温蒸发/升华会逐渐减少，因此，通常在发射针上设置氧化锆层当作储备的氧化锆源。在高温的作用下，存储的氧化锆逐步迁移到尖端位置，以补充流失的氧化锆，电子发射因此可以持续8000小时以上。当存储的氧化锆耗尽或脱落时，电子源寿命终止。
本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：热场发射电子源尖端为针状结构，氧化锆包覆在呈针状结构的发射针上；氧化锆与发射针的结合牢固性较低，在使用过程中氧化锆易从发射针上脱落，而当氧化锆脱落时，电子源寿命终止，因此大大降低了电子源的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜，以解决现有技术中存在的氧化锆等低逸出功材料团易从发射针上脱落，影响电子源寿命的技术问题；本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的发射针结构，位于电子源中发射电子，其包括针本体和低逸出功材料团，其中：
所述针本体的周壁上设置有容纳部，所述低逸出功材料团在烧结过程中形成有嵌入所述容纳部内的结合部位，且所述结合部位与所述容纳部的配合结构将所述低逸出功材料团夹固于所述针本体上。
优选的，所述容纳部为槽或孔，所述结合部位充满于所述槽或所述孔内。
优选的，所述容纳部为由所述针本体的周壁向其轴线方向凹陷的沟槽。
优选的，每个所述沟槽均环绕于所述针本体的周壁上。
优选的，所述容纳部的数量为两个以上，且所有所述容纳部沿所述针本体的长度方向间隔布置。
优选的，所述低逸出功材料团为椭球状，所述逸出功材料团的延伸长度大于所有所述结合部位在所述针本体上的分布长度，且所述逸出功材料团的上端完全包裹位于所述针本体上最上方的所述结合部位，所述逸出功材料团的下端完全包裹位于所述针本体上最下方的所述结合部位。
优选的，所述低逸出功材料团为氧化锆团，所述氧化锆团设置于所述针本体的中部，并位于所述针本体的针尖上方，以使所述氧化锆在高温作用下迁移至所述针本体的针尖位置。
本发明还提供了一种热场发射电子源，包括上述发射针结构。
优选的，所述热场发射电子源还包括绝缘座、抑制极、接线柱、加热发叉和具有光阑的吸出极，其中：
所述抑制极为肖特基抑制极，所述抑制极罩设于所述绝缘座外；所有所述接线柱均穿过所述绝缘座，且其一端延伸出所述绝缘座，另一端与所述加热发叉固定，所述针本体固定于所述加热发叉的下端，并延伸出所述抑制极设置，所述针本体的中心对准所述光阑的中心位置。
本发明还提供了一种电子显微镜，包括上述热场发射电子源。
本发明提供的发射针结构、热场发射电子源及电子显微镜，与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明的发射针结构，在热场发射电子源的针本体的周壁上设置有容纳部，将低逸出功材料团烧结于针本体上时能形成嵌入上述容纳部位内的结合部位；上述结合部位与容纳部的配合结构将低逸出功材料团夹固于针本体上；相较于低逸出功材料团直接包覆于针本体上的结构，本发明的发射针结构能够将低逸出功材料团更为牢固的固定在针本体上，既能够增加储备氧化锆的数量，也能够增强低逸出功材料团与针本体结合的强度，防止低逸出功材料团脱落，延长了热场发射电子源的使用寿命。
本发明的热场发射电子源，由于具有上述发射针结构，故能够延长其使用寿命；本发明的电子显微镜同样具有延长使用寿命的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明发射针结构的整体示意图；
图2是发射针结构的剖面结构示意图；
图3是针本体的立体结构示意图；
图4是针本体的正视图；
图5是本发明热场发射电子源的结构示意图。
图中1、针本体；11、沟槽；2、氧化锆团；21、结合部位；3、加热发叉；4、绝缘座；5、肖特基抑制极；6、吸出极；61、光阑；7、接线柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种能够增强低氧化锆等低逸出功材料与针本体结合强度，防止氧化锆等低逸出功材料脱落、影响电子源使用寿命的发射针结构。
下面结合图1-图5对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
实施例1
如图1-图5所示，本实施例提供了一种发射针结构，位于电子源中发射电子，其包括针本体1和低逸出功材料团，其中：
针本体1的周壁上设置有容纳部，低逸出功材料团在烧结过程中形成有嵌入容纳部内的结合部位21，且结合部位21与容纳部的配合结构将低逸出功材料团夹固于针本体1上。
其中，上述低逸出功材料团通常采用氧化锆团2，下面均以氧化锆为例进行说明。位于针本体1上的氧化锆团2能在加热时迁移至针本体1尖端位置，且随着不断加热，氧化锆团2不断迁移至尖端以持续补充流失的氧化锆，降低电子逸出功。
热电子发射是把物体加热至足够高的温度，物体内部电子的能量随着温度的升高而增大，其中一部分电子的能量达到足以克服它们逸出的障碍，即逸出功，而由物体内进入真空。本实施例中在针本体1的表面包裹有上述氧化锆团2等低逸出功材料，能够使热发射电子源开始发射电子的初始温度降低，提高热发射电子源的热发射效率。上述针本体1通常采用单晶钨制成。
本发明的发射针结构，作为低逸出功材料的氧化锆呈团状，且氧化锆团2在烧结过程中形成的结合部位21与容纳部配合，使氧化锆团2夹固于针本体1上；相较于氧化锆团2直接包覆于针本体1上的结构，本发明的发射针结构能够将低逸出功材料团更为牢固的固定在针本体1上。
由于氧化锆团2上存在一部分(该部分为上述结合部位21)嵌合于容纳部内，相较于同样大小的氧化锆团2，该结构能够增加储备氧化锆的数量，相较于氧化锆团2直接包覆于针本体1上，氧化锆多出了嵌入容纳部内的数量。同时也能够增强低逸出功材料团与针本体1结合的强度，防止低逸出功材料团脱落，延长了热场发射电子源的使用寿命。
为了进一步增加氧化锆的储存数量、提高氧化锆团2与针本体1的结合强度，作为可选地实施方式，上述容纳部为槽或孔，氧化锆团2上的结合部位21充满于槽或孔内。
当氧化锆烧结于针本体1上时，氧化锆团2形成嵌入槽内或孔内的结合部位21，且结合部位21充满于上述槽或孔时，针本体1上能够储存更多的氧化锆数量，进一步提高氧化锆团2与针本体1的结合强度。
作为可选地实施方式，参见图2-图4所示，容纳部为由针本体1的周壁向其轴线方向凹陷的沟槽11。
由于氧化锆是烧结在针本体1上容纳部位置处，当其形成氧化锆团2时，在横向上氧化锆紧紧包裹针本体1上的部分，在竖向上，沟槽11对氧化锆团2的结合部位21形成有夹持力，防止氧化锆由于重力或者与针本体1贴附的部分先迁移至针尖而造成氧化锆团2脱落。且上述沟槽11的结构能够更好的将氧化锆团2夹固在针本体1上。
作为可选地实施方式，参见图2-图4所示，每个沟槽11均环绕于针本体1的周壁上，即，上述沟槽11为环状沟槽11，能够在氧化锆烧结时，使氧化锆内圈均形成结合部位21，增大氧化锆团2与沟槽11的接触面积，实现对氧化锆团2的360°紧固的效果。
参见图2所述，氧化锆团2上的结合部位21形状与沟槽11的形状适配，是在氧化锆烧结时成型于沟槽11中的。
作为可选地实施方式，参见图2-图4所示，本实施例中的容纳部的数量为两个以上，且所有容纳部沿针本体1的长度方向间隔布置。
两个以上的容纳部与其内形成的结合部位21相配合，能对氧化锆团2的多个部位进行紧固，在进一步增加氧化锆数量的基础上，提高氧化锆团2与针本体1的结合强度。
参见图2-图4所示，上述沟槽11的横截面为圆弧形，延伸至沟槽11内的氧化锆将整个氧化锆团2更为稳定的固定在针本体1上，且随着针本体1温度的升高，位于沟槽11中的氧化锆，即结合部位21易于流出并迁移至针本体1的尖端位置，在外加电场的作用下降低电子发射逸出功，提高电子发射效率。
作为可选地实施方式，作为低逸出功材料团的氧化锆团2为椭球状，能够储存较为足量的氧化锆，且椭球状的氧化锆团2能够包裹在针本体1上，提高结合强度；逸出功材料团的延伸长度大于所有结合部位21在针本体1上的分布长度，且逸出功材料团的上端完全包裹位于针本体1上最上方的结合部位21，逸出功材料团的下端完全包裹位于针本体1上最下方的结合部位21；该结构能够充分利用针本体1上的沟槽11，尽可能使氧化锆团2在烧结过程中延伸至每个沟槽11内；同时，位于最上方和最下方的沟槽11不外露，如图2所示，能够进一步防止氧化锆团2的脱落。
作为可选地实施方式，上述低逸出功材料团为氧化锆团2，氧化锆团2设置于针本体1的中部，并位于针本体1的针尖上方，不影响针本体1尖端位置电子的发射，以使氧化锆在高温作用下迁移至针本体1的针尖位置，且能不断补充针本体1尖端位置流失的氧化锆。
实施例2
参见图5所示，本实施例提供了一种热场发射电子源，包括上述发射针结构。
本发明的热场发射电子源，由于具有上述发射针结构，故能够延长其使用寿命。
作为可选地实施方式，参见图5，热场发射电子源还包括绝缘座4、抑制极、接线柱7、加热发叉3和具有光阑61的吸出极6，其中：抑制极为肖特基抑制极5，抑制极罩设于绝缘座4外；所有接线柱7均穿过绝缘座4，且其一端延伸出绝缘座4，另一端与加热发叉3固定，针本体1固定于加热发叉3的下端，并延伸出抑制极设置，针本体1的中心对准光阑61的中心位置。
加热电流从接线柱7引入，加热发叉3被加热，再加热针本体1。电子在吸出极6电场的作用下逃离针本体1尖端的束缚，形成连续的发射电流。
具体的，参见图5，上述接线柱7用于上电，通过2～3A电流；上述绝缘座4可为陶瓷座，其焊接接线柱7，支撑发射针并绝缘；上述肖特基抑制极5，施加-300～-1000V电压，抑制过多的大角度杂散电子；上述加热发叉3为钨发叉，其焊接于接线柱7上，通电后发热，将针本体1尖端热到1700～1800K；上述针本体1为单晶钨针，其在加热至高温时并外加电场的作用下发射电子；针本体1的中部位置表面烧结有氧化锆团2，氧化锆团2能够在加热后迁移扩散至针本体1尖端表面，降低电子逸出功。上述吸出极6，可施加3000～8000V电压，在发射针处形成强电场，吸引电子发射，仅选择小角度电子通过光阑61，用于照明。
实施例3
本实施例提供了一种电子显微镜，包括上述热场发射电子源。
本发明的电子显微镜，由于具有上述电子显微镜，故能够延长其使用寿命。
在本说明书的描述，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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