负电子亲和势冷阴极X射线管制造技术

本发明专利技术为一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征在于：冷阴极由电发射型的负电子亲和势冷阴极构成，其中冷阴极材料含有P-N结，无须外加光源即可产生真空电子发射；X射线管靶材位于管壳阳极；冷阴极和阳极靶材采用冷铟封接，整管真空度E-8Pa。优点：解决了传统光电阴极X射线源需要外置光源的缺点，X射线管结构紧凑，使用方便，束流稳定。相比场致发射阴极X射线管，本发明专利技术的X射线管冷阴极为大面积半导体外延片，没有场致阴极的多个微尖，因而X射线分辨率高、均匀性好。本发明专利技术适用于所有表面可形成负电子亲和势的半导体材料，并不仅仅针对GaAs，也适用于GaAsP、InGaAs、AlGaN、GaN等多种光电阴极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特点是在X射线管中采用真空光电阴极中的负电子亲和势阴极，且阴极无需外加光源即可发射高能电子。相比传统场致发射冷阴极X射线管，本专利技术的X射线管具有体积紧凑，X射线均匀、分辨率高等特点。属于光电发射材料
和冷阴极电子枪应用领域。
技术介绍
X射线管在安检、医疗等特种设备领域用途广泛，其阴极主要采用热阴极或场致发射冷阴极。基于现有阴极，X射线管在小型化及高分辨率上还有很多缺点。热阴极在实际应用中有较大缺陷：（1）热阴极一般体积较大，不适用小型化阴极 （2）热电子束方向性差，聚焦困难，限制了X射线成像的高分辨率。基于场致发射的冷阴极具有无须加热体积小的特点，但场致发射有着固有缺点。在场发射中，为了产生有效发射，发射体表面电场非常强，发射电流受空间电荷限制，在空间的均匀性及时间稳定性方面都弱于热阴极。另外，场发射一般基于微尖发射，在高倍图像下表现为多个亮度不均的像素点，难以满足精细图像识别的需求。三代真空光电阴极采用负电子亲和势阴极，其机理是半导体材料在真空沉积Cs-O薄膜后表面电子亲和势降低至低于真空能级，文献上一般称有这种效应的材料为负电子亲和势材料。典型的负电子亲和势阴极材料为III-V材料，包括GaAs阴极、InGaAs阴极、GaN阴极、GaAsP阴极等，其中GaAs负电子亲和势光电阴极是发展最为成熟、性价比最高的三代半导体光电阴极。相比用于传统X射线管的场致发射冷阴极，负电子亲和势光电阴极表面电势低于真空势垒，电压只要100-200V即可形成有效光电子发射，远低于场致发射的上千伏电压。负电子亲和势光电阴极一般为Φ18mm-Φ25mm的整块半导体，不像场致发射阴极由一个个微尖组成，其图像分辨率及均匀性显著优于场致发射阴极。相比常规的热阴极电子枪和场发射电子枪，基于负电子亲和势光电阴极的冷阴极电子枪具有室温工作、强束流、高稳定性、高分辨率等特点，且电子源尺寸一般可达厘米直径，广泛应用于极化电子束源等领域。基于真空光电阴极的优点，2010年后已有相关专利将真空光电阴极应用于X射线的产生和发射装置，如国内专利CN201210563112（2012）、CN201210563539（2012），美国专利US8,837,678 B2（2014）等。由于真空光电阴极的基本物理是光电发射效应，其固有缺点是：利用真空光电阴极作为X射线管的冷阴极使用时，必须要有外来光源，因而无论是现有的国内专利CN201210563112、CN201210563539和美国专利US8,837,678 B2均有复杂的外置入射光发生装置及光线耦合系统。图1显示了现有专利基于传统真空光电阴极的冷阴极X射线发射源，需要外来光照射光电阴极产生光电发射，在外场作用下激发阳极靶材形成X射线发射。外来光源的需求限制了真空光电阴极在X射线管的应用，如：1.  一些应用中需要恒定亮度的X射线，而环境光强的不确定性直接影响了GaAs冷阴极光电发射的束流，进而影响了出射X射线光强。2.  外来光源和冷阴极为独立组件，为了消除环境光的影响，需要复杂的光纤耦合系统，难以满足小型化X射线管的应用需求，也增加了产品成本，降低了产品可靠性。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种电发射的、无须外加光源的负电子亲和势冷阴极X射线管，器件结构如图2所示。器件思路是基于三代真空光电阴极为负电子亲和势阴极，材料结构为半导体材料结构，可以在材料结构上加一层P-N结，利用P-N结外置电压形成的电子注入，将真空光电阴极的光发射型变成本专利技术的电发射型。本专利技术的技术解决方案：一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征在于：冷阴极由电发射型的负电子亲和势冷阴极构成，其中冷阴极材料为含有P-N结的负电子亲和势材料，无须外加光源，在P-N结电压大于结内建电压时即可产生阴极电子发射；X射线管靶材位于管壳阳极；冷阴极和阳极靶材采用冷铟封接，整管真空度E-8Pa。本专利技术的优点：1）结构紧凑，效率高。P-N结为负电子亲和势材料结构的一部分，在外加电场下，P-N结电子直接被Cs-O负电子亲和势层转化为真空发射电子，无须外加光源耦合机构，因而X射线管效率高、亮度大。另外，阳极靶材和冷阴极基于三代像增强管的冷铟封接成熟技术，整管结构紧凑，可靠性优异。2）阴极束流稳定性好。P-N结为负电子亲和势材料结构的一部分，一起被封入真空管壳腔体内，真空管壳有效隔离了环境背景光，有效避免了传统GaAs冷阴极束流不稳定的缺点，远优于外置光源的真空光电阴极。3）阴极束斑强度均匀性佳、分辨率高。相比场致发射的X射线管，负电子亲和势阴极为整块均匀的半导体外延片，没有场致阴极的多个微尖点，因而X射线分辨率高、均匀性好，将极大拓展X射线管的应用范围。4）本专利技术适用于所有表面可形成负电子亲和势的半导体材料，并不仅仅针对GaAs，也可根据需要选择GaAsP、InGaAs、AlGaN、GaN等多种光电阴极材料，只要结合P-N结电发射结构即可实现电发射型负电子亲和势冷阴极X射线管。附图说明附图1是基于传统真空光电阴极的冷阴极X射线发射源示意图，需要外置光源。附图2是本专利技术的电发射型负电子亲和势冷阴极X射线管结构示意图。附图3左列为传统的光电发射型GaAs阴极结构示意图；右列为本专利技术的无须外加光源的电发射GaAs冷阴极结构示意图。附图4是玻璃封接的负电子亲和势冷阴极组件示意图。具体实施方式一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其结构在于：冷阴极由电发射型的负电子亲和势冷阴极构成，其中冷阴极材料为含有P-N结的负电子亲和势材料，无须外加光源，在P-N结电压大于结内建电压时即可产生阴极电子发射；X射线管靶材位于管壳阳极；冷阴极和阳极靶材采用冷铟封接，整管真空度E-8Pa。所述负电子亲和势材料包括GaAs、InGaAs、GaN等在Cs-O真空沉积后可形成负电子亲和势的半导体材料。以GaAs负电子亲和势材料举例，具体结构由N型重掺杂GaAs衬底11、N型重掺杂GaAs层12、P型掺杂GaAs层13、Cs-O薄膜14自下而上依次生长而成。所述N型重掺杂GaAs衬底11需要和沉积ITO的玻璃基底真空加热加压封接，并在P型掺杂GaAs层13制备Ni-Cr电极环，形成冷阴极组件；冷阴极组件在E-8 Pa真空中沉积Cs-O薄膜14，再和阳极靶材冷铟封接，完成X射线管制作。实施例对照附图3右列，仅以GaAs阴极举例，进一步阐述本专利技术。GaAs负电子亲和势冷阴极X射线管的制备方法，材料采用MOCVD生长，采用GaAs（100）衬底；包括如下工艺步骤：（1）在N型重掺杂GaAs衬底 11上，利用MOCVD生长N型重掺杂GaAs层12，其中GaAs厚度 100 nm，6E18 cm-3硅掺杂；（2）接着生长P型掺杂GaAs层13，其中GaAs厚度50 nm，1E18 cm-3 锌掺杂；（3）材料生长完成后，制备负电子亲和势冷阴极组件的方法，包括如下工艺步骤：1）在玻璃基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征在于：冷阴极由电发射型的负电子亲和势冷阴极构成，其中冷阴极材料为含有P‑N结的负电子亲和势材料，无须外加光源，在P‑N结电压大于结内建电压时即可产生阴极电子发射；X射线管靶材位于管壳阳极；冷阴极和阳极靶材采用冷铟封接，整管真空度E‑8Pa。

【技术特征摘要】
1.一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征在于：冷阴极由电发射型的负电子亲和势冷阴极构成，其中冷阴极材料为含有P-N结的负电子亲和势材料，无须外加光源，在P-N结电压大于结内建电压时即可产生阴极电子发射；X射线管靶材位于管壳阳极；冷阴极和阳极靶材采用冷铟封接，整管真空度E-8Pa。
2.根据权利要求1所述的一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征是所述冷阴极材料采用GaAs负电子亲和势材料；GaAs冷阴极为电发射型，具体结构由N型重掺杂GaAs衬底、N型重掺杂GaAs层、P型掺杂GaAs层、Cs-O薄膜自下而上依次生长而成。
3.根据权利要求2所述的一种负电子亲和势冷阴极X射线管，其特征在于，所述N型重掺杂GaAs衬底需要和沉积ITO的玻璃基底真空加热加压封接，并在P型掺杂GaAs层制备Ni-Cr电极环，形成冷阴极组件；冷阴极组件在E-8 Pa真空中沉积Cs-O薄膜后形成GaAs负电子亲和势材料，再和阳极靶材冷铟封接，完成X射线管制作。
4. 如权利要求1的一种负电子亲和势冷阴极X射线管的制备方法，其特征是包括如下工艺步骤：
（1）在N型重掺杂GaAs（100）衬底上，利用MOCVD生长N型重掺杂GaAs层，其中GaAs厚度 100 nm，6E18 cm-3硅掺杂；
（2）接着生长P型掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旺平，马建一，申屠军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32