Thermo Fisher Scientific | Fuente de electrones de tungsteno vs. CeB6: Elección del SEM de sobremesa adecuado

¿Está pensando en adquirir un microscopio electrónico de barrido de sobremesa (SEM)? Si es así, es importante determinar qué tipo de fuente de electrones se ajusta a sus necesidades, ya que tiene un efecto directo en la calidad de los resultados. En este post compararemos las diferencias entre una fuente de electrones de tungsteno y una fuente de electrones de hexaboruro de cerio (CeB6). Siga leyendo para descubrir qué fuente de electrones es la más adecuada para un SEM de sobremesa.

La fuente de electrones -también llamado cátodo, filamento o cañón de electrones- es uno de los módulos más importantes de un SEM de sobremesa. Su objetivo es proporcionar un haz estable de electrones. Hay dos grupos de fuentes de electrones principales utilizados en un SEM, que se diferencian en la corriente que producen en un haz de pequeño tamaño (spot), la estabilidad del haz producido y su vida útil.

En este post, le informamos sobre un tipo concreto de fuente de electrones usadas en los SEM de sobremesa: la fuente de electrones termoiónica. Más concretamente, nos centramos en las diferencias de dos tipos de fuentes de electrones termoiónicas: las de tungsteno y las de hexaboruro de cerio (CeB6).

¿Qué es una fuente de electrones termoiónica?

Cuando se calienta cualquier material sólido, se emiten electrones por emisión termoiónica. La emisión se vuelve significativa cuando la energía térmica de los electrones es suficiente para superar la función de trabajo del material. El cátodo está hecho de un material de alto punto de fusión con una función de trabajo relativamente baja para poder emitir muchos electrones.

El haz que se proyecta sobre la muestra se crea mediante la aceleración de los electrones emitidos desde el potencial negativo de la fuente (alto voltaje) hasta el potencial de tierra en el ánodo dentro de la columna de electrones. Por supuesto, este proceso sólo puede producirse dentro de las condiciones de alto vacío de una columna de electrones y utilizando lentes electromagnéticas para controlar el haz.

 

Antes de analizar y comparar las fuentes de tungsteno y las de CeB6, es importante saber qué propiedades son clave a la hora de determinar su rendimiento. Nos centramos en las más importantes:

 

  1. Brillancia de la fuente de electrones

La brillancia se define como la corriente de haz por unidad de superficie por ángulo sólido. Cuanta más corriente/electrones tenga disponible en un tamaño de área pequeña, mejor podrá conseguir imágenes de alta resolución (calidad) con grandes magnificaciones.

La brillancia aumenta linealmente con la tensión de aceleración. Por ejemplo, toda fuente de electrones es diez veces más brillante a 10kV que a 1kV.

El tamaño del área final del haz de electrones puede hacerse más pequeño para mejorar la resolución, pero la limitación final es la relación señal-ruido necesaria para obtener una imagen de buena calidad.

  1. Tamaño de la fuente

Como ya se ha mencionado, un tamaño de spot pequeño contribuye a una buena resolución de imagen y, por tanto, a obtener las mismas con alta calidad. Las lentes (principalmente la lente de condensador) del interior de la columna de electrones son las encargadas de la demagnificación del diámetro del haz (o tamaño de spot). Un menor tamaño físico de la fuente implica una demagnificación menos compleja.

  1. Temperatura de la fuente

La temperatura de la fuente es la temperatura operativa para la cual se supera la función de trabajo y se produce la emisión de electrones. La temperatura operativa de las fuentes termoiónicas se sitúa entre 1800 y 2800 Kelvin.

3a. Dispersión energética del haz de electrones

La dispersión energética del haz de electrones es la dispersión de las energías de los electrones que salen de la fuente. La aberración cromática se convierte en la aberración dominante a baja tensión de aceleración cuando la dispersión de energía de la fuente es grande. La aberración cromática es un efecto que provoca un haz menos enfocado debido a que los electrones que salen de la fuente tienen energías ligeramente diferentes.

3b. Vida útil

La vida útil representa la duración de una fuente de electrones antes de que se rompa o tenga que ser sustituida. Lo preferible es tener una fuente que tenga una larga vida útil, y para la que se pueda predecir con exactitud el momento de su sustitución.

Comparación del SEM de sobremesa: Fuente de electrones de tungsteno vs. CeB6

Con todas estas consideraciones y conceptos en mente, ahora podemos empezar a comparar las fuentes de tungsteno y de CeB6 basándonos en las propiedades más importantes de una fuente de electrones.

Los filamentos de tungsteno se utilizan ampliamente en la microscopía electrónica de barrido. De todos los elementos metálicos, el tungsteno tiene el punto de fusión más alto, la presión de vapor más baja, la expansión térmica más baja y una resistencia a la tracción muy alta, propiedades ideales para fabricar una fuente de electrones.

Sin embargo, como podrá comprobar en esta comparación, las fuentes de tungsteno tienen desventajas fundamentales en comparación con las de hexaboruro de cerio (CeB6):

  1. Brillancia

Si nos fijamos en la brillancia, una fuente de tungsteno proporciona 106 A/cm² sr. La menor función de trabajo de un filamento de CeB6 da lugar a corrientes de haz más elevadas a temperaturas de cátodo más bajas que las de tungsteno, lo que se traduce en una mayor luminosidad para todas las tensiones de aceleración. En concreto: una fuente de CeB6 proporciona una luminosidad diez veces superior a la del Tungsteno: 107 A/cm² sr. Esto da a la fuente CeB6 dos ventajas fundamentales sobre una fuente de Tungsteno:

Más corriente disponible en el mismo spot enfocado, lo que implica una mejor relación señal/ruido con el mismo tamaño de spot.

Con la misma relación señal/ruido, el spot de una fuente de CeB6 puede hacerse más pequeño, lo que implica una mayor resolución.

  1. Tamaño de la fuente

El tamaño de la fuente de tungsteno tiene forma elíptica, y con unas dimensiones que oscilan entre los 50µm y los 100µm, dependiendo de las configuraciones de la fuente y de sus condiciones de funcionamiento. Comparada con una fuente de CeB6, que tiene una dimensión de <25µm, esto implica que se requiere una considerable demagnificación óptica de electrones para que una fuente de Tungsteno logre un tamaño final de haz adecuado para una resolución buena en un SEM.

  1. Temperatura de la fuente de electrones

La temperatura de funcionamiento del filamento de tungsteno se sitúa en torno a los 2800 Kelvin, mientras que la fuente de CeB6 tiene una temperatura de funcionamiento de 1800 Kelvin. Esta diferencia de temperatura tiene un efecto directo en la fuente.

  • Dispersión de la energía del haz de electrones

La mayor temperatura de la fuente de tungsteno provoca una mayor dispersión energética de los electrones emitidos que la que podemos obtener en una fuente de CeB6. Normalmente, la dispersión de energía de una fuente de tungsteno es de unos 2,5 eV, mientras que la de CeB6 es de unos 1 eV, lo que da lugar a una mejor calidad de imagen, especialmente con voltajes de aceleración bajos.

  • Vida útil de la fuente de electrones

Un filamento de tungsteno funciona a temperaturas muy altas, lo que significa que se evapora gradualmente con el tiempo. Con el tiempo, el hilo de tungsteno se vuelve fino y se rompe, lo que siempre ocurre durante la obtención de imágenes. La rotura del hilo de tungsteno provoca la liberación de residuos y partículas, las cuales pueden contaminar la parte superior de la columna de electrones. Por este motivo, cuando se sustituye el filamento de tungsteno, se aconseja sustituir o limpiar también otras piezas relacionadas con la fuente dentro de la columna.

La ventaja de una fuente CeB6 es que es posible predecir el final de su vida útil, ya que se degrada lentamente con el tiempo. Sabrá cuándo es el momento de sustituir su filamento CeB6, y podrá hacerlo entre sesiones de funcionamiento o en un momento con menor carga de trabajo. La situación en la que un análisis deba de ser interrumpido debido a un filamento roto no existe, y lo que es más importante: no tendrá que preocuparse por la contaminación de la columna debido a los residuos dejados por la rotura de una fuente de tungsteno. El uso de una fuente CeB6 también minimiza la necesidad de sustituir otras piezas relacionadas con la fuente junto con ésta.

Comparando la vida útil de las fuentes de tungsteno y de CeB6: la vida media de una de tungsteno es de unas 100 horas, dependiendo del vacío. Una fuente de CeB6 suele ofrecer una vida útil más de quince veces superior: más de 1500 horas.

Fuente de electrones SEM: nuestra recomendación

En resumen, recomendamos firmemente las fuentes de CeB6 por todas las ventajas que hemos visto en este post: funcionamiento sin preocupaciones y ahorro de tiempo, menos mantenimiento y, lo más importante, resultados de alta calidad.

Frente a todos los pros -un final de vida útil predecible, una mejor relación señal/ruido, mayor brillo y una producción de imágenes de alta resolución- sólo parece haber un contra: que las fuentes de CeB6 son más caras que las de tungsteno. Pero las fuentes de CeB6 son en realidad menos caras a largo plazo: duran más, y minimizan la necesidad de sustituir otras piezas relacionadas con la fuente. Esto hace que la inversión en una fuente de electrones CeB6 -y en un SEM de sobremesa- esté totalmente justificada.

 

Fonte: Thermo Fisher Scientific

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