負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極x射線(xiàn)管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管，其特點(diǎn)是在X射線(xiàn)管中采用真空光電陰極中的負(fù)電子親和勢(shì)陰極，且陰極無(wú)需外加光源即可發(fā)射高能電子。相比傳統(tǒng)場(chǎng)致發(fā)射冷陰極X射線(xiàn)管，本發(fā)明的X射線(xiàn)管具有體積緊湊，X射線(xiàn)均勻、分辨率高等特點(diǎn)。屬于光電發(fā)射材料技術(shù)領(lǐng)域和冷陰極電子槍?xiě)?yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線(xiàn)管在安檢、醫(yī)療等特種設(shè)備領(lǐng)域用途廣泛，其陰極主要采用熱陰極或場(chǎng)致發(fā)射冷陰極?；诂F(xiàn)有陰極，X射線(xiàn)管在小型化及高分辨率上還有很多缺點(diǎn)。熱陰極在實(shí)際應(yīng)用中有較大缺陷:(1)熱陰極一般體積較大，不適用小型化陰極(2)熱電子束方向性差，聚焦困難，限制了 X射線(xiàn)成像的高分辨率?；趫?chǎng)致發(fā)射的冷陰極具有無(wú)須加熱體積小的特點(diǎn)，但場(chǎng)致發(fā)射有著固有缺點(diǎn)。在場(chǎng)發(fā)射中，為了產(chǎn)生有效發(fā)射，發(fā)射體表面電場(chǎng)非常強(qiáng)，發(fā)射電流受空間電荷限制，在空間的均勻性及時(shí)間穩(wěn)定性方面都弱于熱陰極。另外，場(chǎng)發(fā)射一般基于微尖發(fā)射，在高倍圖像下表現(xiàn)為多個(gè)亮度不均的像素點(diǎn)，難以滿(mǎn)足精細(xì)圖像識(shí)別的需求。
[0003]三代真空光電陰極采用負(fù)電子親和勢(shì)陰極，其機(jī)理是半導(dǎo)體材料在真空沉積Cs-O薄膜后表面電子親和勢(shì)降低至低于真空能級(jí)，文獻(xiàn)上一般稱(chēng)有這種效應(yīng)的材料為負(fù)電子親和勢(shì)材料。典型的負(fù)電子親和勢(shì)陰極材料為II1-V材料，包括GaAs陰極、InGaAs陰極、GaN陰極、GaAsP陰極等，其中GaAs負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極是發(fā)展最為成熟、性?xún)r(jià)比最高的三代半導(dǎo)體光電陰極。相比用于傳統(tǒng)X射線(xiàn)管的場(chǎng)致發(fā)射冷陰極，負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極表面電勢(shì)低于真空勢(shì)壘，電壓只要100-200V即可形成有效光電子發(fā)射，遠(yuǎn)低于場(chǎng)致發(fā)射的上千伏電壓。負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極一般為Φ18_-Φ25_的整塊半導(dǎo)體，不像場(chǎng)致發(fā)射陰極由一個(gè)個(gè)微尖組成，其圖像分辨率及均勻性顯著優(yōu)于場(chǎng)致發(fā)射陰極。相比常規(guī)的熱陰極電子槍和場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)谪?fù)電子親和勢(shì)光電陰極的冷陰極電子槍具有室溫工作、強(qiáng)束流、高穩(wěn)定性、高分辨率等特點(diǎn)，且電子源尺寸一般可達(dá)厘米直徑，廣泛應(yīng)用于極化電子束源等領(lǐng)域。
[0004]基于真空光電陰極的優(yōu)點(diǎn)，2010年后已有相關(guān)專(zhuān)利將真空光電陰極應(yīng)用于X射線(xiàn)的產(chǎn)生和發(fā)射裝置，如國(guó)內(nèi)專(zhuān)利CN201210563112 (2012)、CN201210563539 (2012)，美國(guó)專(zhuān)利US8，837，678 B2(2014)等。由于真空光電陰極的基本物理是光電發(fā)射效應(yīng)，其固有缺點(diǎn)是:利用真空光電陰極作為X射線(xiàn)管的冷陰極使用時(shí)，必須要有外來(lái)光源，因而無(wú)論是現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利CN201210563112、CN201210563539和美國(guó)專(zhuān)利US8, 837，678 B2均有復(fù)雜的外置入射光發(fā)生裝置及光線(xiàn)耦合系統(tǒng)。圖1顯示了現(xiàn)有專(zhuān)利基于傳統(tǒng)真空光電陰極的冷陰極X射線(xiàn)發(fā)射源，需要外來(lái)光照射光電陰極產(chǎn)生光電發(fā)射，在外場(chǎng)作用下激發(fā)陽(yáng)極靶材形成X射線(xiàn)發(fā)射。外來(lái)光源的需求限制了真空光電陰極在X射線(xiàn)管的應(yīng)用，如:
1.一些應(yīng)用中需要恒定亮度的X射線(xiàn)，而環(huán)境光強(qiáng)的不確定性直接影響了 GaAs冷陰極光電發(fā)射的束流，進(jìn)而影響了出射X射線(xiàn)光強(qiáng)。
[0005]2.外來(lái)光源和冷陰極為獨(dú)立組件，為了消除環(huán)境光的影響，需要復(fù)雜的光纖耦合系統(tǒng)，難以滿(mǎn)足小型化X射線(xiàn)管的應(yīng)用需求，也增加了產(chǎn)品成本，降低了產(chǎn)品可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出的是一種電發(fā)射的、無(wú)須外加光源的負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件思路是基于三代真空光電陰極為負(fù)電子親和勢(shì)陰極，材料結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)，可以在材料結(jié)構(gòu)上加一層P-N結(jié)，利用P-N結(jié)外置電壓形成的電子注入，將真空光電陰極的光發(fā)射型變成本發(fā)明的電發(fā)射型。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管，其特征在于:冷陰極由電發(fā)射型的負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極構(gòu)成，其中冷陰極材料為含有P-N結(jié)的負(fù)電子親和勢(shì)材料，無(wú)須外加光源，在P-N結(jié)電壓大于結(jié)內(nèi)建電壓時(shí)即可產(chǎn)生陰極電子發(fā)射；X射線(xiàn)管靶材位于管殼陽(yáng)極；冷陰極和陽(yáng)極靶材采用冷銦封接，整管真空度E-8Pa。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
I)結(jié)構(gòu)緊湊，效率高。P-N結(jié)為負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)的一部分，在外加電場(chǎng)下，P-N結(jié)電子直接被Cs-O負(fù)電子親和勢(shì)層轉(zhuǎn)化為真空發(fā)射電子，無(wú)須外加光源耦合機(jī)構(gòu)，因而X射線(xiàn)管效率高、亮度大。另外，陽(yáng)極靶材和冷陰極基于三代像增強(qiáng)管的冷銦封接成熟技術(shù)，整管結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性?xún)?yōu)異。
[0009]2)陰極束流穩(wěn)定性好。P-N結(jié)為負(fù)電子親和勢(shì)材料結(jié)構(gòu)的一部分，一起被封入真空管殼腔體內(nèi)，真空管殼有效隔離了環(huán)境背景光，有效避免了傳統(tǒng)GaAs冷陰極束流不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，遠(yuǎn)優(yōu)于外置光源的真空光電陰極。
[0010]3)陰極束斑強(qiáng)度均勻性佳、分辨率高。相比場(chǎng)致發(fā)射的X射線(xiàn)管，負(fù)電子親和勢(shì)陰極為整塊均勻的半導(dǎo)體外延片，沒(méi)有場(chǎng)致陰極的多個(gè)微尖點(diǎn)，因而X射線(xiàn)分辨率高、均勻性好，將極大拓展X射線(xiàn)管的應(yīng)用范圍。
[0011]4)本發(fā)明適用于所有表面可形成負(fù)電子親和勢(shì)的半導(dǎo)體材料，并不僅僅針對(duì)GaAs,也可根據(jù)需要選擇GaAsP、InGaAs,AlGaN,GaN等多種光電陰極材料，只要結(jié)合P-N結(jié)電發(fā)射結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)電發(fā)射型負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管。
【附圖說(shuō)明】
[0012]附圖1是基于傳統(tǒng)真空光電陰極的冷陰極X射線(xiàn)發(fā)射源示意圖，需要外置光源。
[0013]附圖2是本發(fā)明的電發(fā)射型負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]附圖3左列為傳統(tǒng)的光電發(fā)射型GaAs陰極結(jié)構(gòu)示意圖；右列為本發(fā)明的無(wú)須外加光源的電發(fā)射GaAs冷陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]附圖4是玻璃封接的負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極組件示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]一種負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極X射線(xiàn)管，其結(jié)構(gòu)在于:冷陰極由電發(fā)射型的負(fù)電子親和勢(shì)冷陰極構(gòu)成，其中冷陰極材料為含有P-N結(jié)的負(fù)電子親和勢(shì)材料，無(wú)須外加光源，在P-N結(jié)電壓大于結(jié)內(nèi)建電壓時(shí)即可產(chǎn)生陰極電子發(fā)射；X射線(xiàn)管靶材位于管殼陽(yáng)極；冷陰極和陽(yáng)極靶材采用冷銦封接，整管真空度E-8Pa。
[0017]所述負(fù)電子親和勢(shì)材料包括GaAs、InGaAs、GaN等在Cs-O真空沉積后可形成負(fù)電子親和勢(shì)的半導(dǎo)體材料。
[0018]以GaAs負(fù)電子親和勢(shì)材料舉例，具體結(jié)構(gòu)由N型重?fù)诫sGaAs襯底11、N型重?fù)诫sGaAs層12、P型摻雜GaAs層13、Cs-O薄膜14自下而上依次生長(zhǎng)而成。
[0019]所述N型重?fù)诫sGaAs襯底11需要和沉積ITO的玻璃基底真空加熱加壓封接，并在P型摻雜GaAs層13制備N(xiāo)1-Cr電極環(huán)，形成冷