Vergleich: Wolfram vs. CeB₆

In diesem Artikel vergleichen wir zwei Arten thermischer Elek­tro­­nen­quel­len, die im Desktop-REM verwendet werden: Wolfram und Cer­hexaborid (CeB₆).

Wolframhaarnadelkathoden werden häufig in der Rasterelektronen­mikro­sko­pie ver­­­­we­n­­det. Von allen Metallen in Rein­­form hat Wolfram den höchsten Schmelzpunkt, den geringsten Dampfdruck, die geringste thermi­sche Ausdehnung und eine sehr hohe Zugfestigkeit. Dadurch ist Wolfram ideal als Elektronenquelle geeignet. Im Vergleich mit einer Cer­hexaborid (CeB₆)-Elek­tro­nen­­quelle wird allerdings deutlich, dass Wolfram einige grundlegende Nachteile hat:

1. Helligkeit

Eine Wolfram-Quelle liefert eine Leucht­kraft von 106 A/cm² sr. Die ge­ringere Austrittsarbeit der Elektronen eines CeB₆-Kris­talls dagegen liefert einen größeren Strahlstrom bei geringeren Kathodentemperaturen, also eine größere Leuchtkraft bei allen Beschleunigungsspannungen. Kon­kret bedeutet dies: eine CeB₆-Kathode lie­fert zehnmal mehr Leuchtkraft als Wolf­ram. Dadurch hat eine CeB₆-Quel­le zwei Vorteile gegenüber einer Wolfram-Quelle: Mehr Energie im gleichen gebündelten Spot, d. h. ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis bei gleicher Spotgröße. Bei gleichem Signal/Rausch-Verhält­nis kann der Spot bei CeB₆ kleiner sein, dadurch erzielt man eine bessere Auflösung.

2. Größe der Quelle

Eine Wolfram-Quelle ist ellipsenförmig mit einer Größe zwischen 50 µm und 100 µm – je nach Bauform und Betriebsbedingungen. Verglichen mit einer CeB₆-Quelle, deren Abmessung kleiner 25 µm ist, bedeutet dies, dass eine Wolframquelle eine starke elektronenoptische Verkleinerung benötigt, um eine kleine Elektronenprobe zu erhalten, wie sie für eine gute Auf­lösung im REM benötigt wird.

3. Temperatur der Quelle

Die Bedienungstemperatur einer Wolframkathode liegt bei um die 2800 Kelvin, die einer CeB₆-Quelle dagegen bei ca. 1800 Kelvin. Der Tem­peraturunterschied hat einen direkten Einfluss auf die Quelle.

3a. Verteilung der Energie im Elektronenstrahl

Die höhere Temperatur der Wolfram­quelle sorgt für eine breitere Ener­gieverteilung als die bei einer CeB₆-Quelle. Typischerweise liegt die Tem­peraturverteilung einer Wolframquel­le bei ca. 2,5 eV, wäh­rend sie bei CeB₆ bei ungefähr 1 eV liegt. Dies sorgt für eine bessere Bild­qualität, speziell bei niedrige­ren Beschleunigungsspannungen.

3b. Lebensdauer

Eine Wolframkathode arbeitet bei weiß­glühenden Temperaturen. Das bedeutet, sie verdampft mit der Zeit. Am Ende wird die Wolframkathode dünn und bricht während des Ima­ging-Vorgangs. Das Brechen der Wolf­ramkathode kann den oberen Teil der Elek­tro­nensäule verunreinigen. Des­halb wird häufig empfohlen, auch andere Teile der Quelle, die sich in der Säule befinden, auszutauschen oder zu reinigen, sobald die Wolframkathode ausgewechselt wird.

Der Vorteil einer CeB₆-Quelle ist, dass sich das Ende ihrer Lebensdauer ankündigt, da sie mit der Zeit nur langsam nachlässt. Der Anwender weiß, wann er das CeB₆-Filament wechseln muss  und kann dies einfach zwischen zwei Betriebsphasen tun. Das verhindert, dass man eine laufende Untersuchung wegen eines gebrochenen Filaments abbrechen muss. Außerdem kann es so nicht zu einer Verschmutzung der Säule kommen. Beim Verwenden einer CeB₆-Quelle ist es zudem nicht nötig, andere Quellen-relevante Teile zusammen mit der Quelle auszutauschen.

Die Lebensdauer einer Wolfram-Quelle liegt bei ca. 100 Stunden, je nach Vakuum. Eine CeB₆-Quelle hat üblicherweise eine wesentlich höhere Lebenszeit: 1500+ Stunden.

Unsere Empfehlung

Wegen der vielen Vorteile empfehlen wir eine CeB₆-Quelle – Zeit­spa­rende Bedienung, geringerer War­tungsaufwand und vor allem: Output von höchster Qualität.

All diese Vorteile – präzise vorhersag­bare Lebensdauer, ein besseres Sig­nal/Rausch-Verhältnis, höhere Leuchtkraft und ein gleichmäßiger Output von hochaufgelösten Bildern – schlagen sich auch im Preis nieder.

In der Anschaffung ist CeB₆ kostenintensiver als Wolfram. Langfristig ist CeB₆ jedoch günstiger, da die Lebenszeit deutlich länger ist, und einzelne Teile weniger häufig ausgetauscht werden müssen.
Die Investition in ein Desktop-Ras­ter­elektronenmikroskop mit CeB₆-Quel­le lohnt sich also.

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