一种X射线源及其水平场致发射结构制造技术

本发明专利技术公开了一种X射线源及其水平场致发射结构，该水平场致发射结构包括基体、阴极和栅极；所述阴极和栅极布置在所述基体的同一表面，形成阴极

【技术实现步骤摘要】
一种X射线源及其水平场致发射结构


[0001]本专利技术属于X射线源
，具体涉及一种X射线源及其水平场致发射结构。

技术介绍

[0002]X射线源在工业检测、科学仪器、医疗影像及治疗等领域具有的广泛应用。在X射线源中，需要使用电子枪来产生电子。电子枪中发射电子的零件称为阴极，阴极按照工作方式，可以分为热阴极、场致阴极、光阴极、等离子体阴极和二次电子阴极等。目前X射线源中广泛使用的阴极主要是热阴极，热阴极结构简单，工作稳定，发射电流大。但是热阴极存在一些局限性，比如：在正常工作发射电子之前，热阴极必须先加热到合适的工作温度，这个过程通常需要数秒到数十秒，不利于器件的快速启动和短脉冲式工作；热阴极在预热及工作间歇期间的持续加热导致器件温度较高，热功耗比较显著，对于小型器件而言难以承受；对于小型器件，同时为了降低功耗，热阴极通常非常小，导致制备工艺复杂，产品可靠性不高。
[0003]为了解决这些问题，在一些对电流要求不太高的X射线管中，采用场致发射阴极来产生电子。这些X射线管一般用在半导体和电池等精密无损检测等场景中。目前X射线管中所采用的场致发射阴极，都是采用竖直引出的结构设计，即在垂直于阴极基体平面上布置阴极发射阵列，采用轴向发射方式产生电子，如图1
‑
2所示。
[0004]在这些场致发射阴极及X射线源中，通常采用竖直排列的碳纳米管阵列、石墨烯阵列或者金属尖锥，在上述场致发射阴极和栅控电极之间施加电场，阴极表面会发射出电子，并被栅控电极引出。
[0005]这种场致发射电子产生方法存在一些问题，例如：采用独立的栅极时，栅极和发射体是两个独立的零件，难以实现精密的装配。对于采用半导体工艺制备的半导体或者金属尖锥阵列，需要逐步制备微型的绝缘和栅控结构，其制备工艺比较复杂；而且，尖锥在发射的过程中由于离子反向轰击非常容易出现钝化，引起尖锥和栅控环的距离增加，导致尖锥表面电场下降，发射密度降低。

技术实现思路

[0006]为了解决现有场致发射电子技术制备工艺复杂，且阴极尖锥容易出现钝化导致尖锥表面电场下降，发射密度低等问题，本专利技术提供了一种一种X射线源及其水平场致发射结构。本专利技术采用水平布置阴
‑
栅电极对的场致电子发射结构，工艺简单，可以一次性实现空间密度可控的理想发射结构制备，同时由于阴极尖锥是水平布置的，因此反轰的粒子不会显著腐蚀尖锥。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]一种X射线源及其水平场致发射结构，包括基体、阴极和栅极；所述阴极和栅极布置在所述基体的同一表面，形成阴极
‑
栅极对；
[0009]所述栅极用于将所述阴极发射来的电子转换为二次电子。
[0010]相较于现有的垂直场致发射结构，本专利技术采用阴极
‑
栅极对水平布置和二次电子效应，可以获得制备工艺简单，耐受离子轰击的场致发射阴极。
[0011]作为优选实施方式，本专利技术的基体的同一表面设置有阴极
‑
栅极对阵列。本专利技术通过阵列设置的方式，实现了较大面积的水平场致发射阴极组件。
[0012]作为优选实施方式，本专利技术的基体的同一表面设置有多层嵌套的阴极
‑
栅极对阵列。本专利技术通过多层嵌套设置的方式，进一步提高了电子功率。
[0013]作为优选实施方式，本专利技术的阴极和栅极之间的间距为100nm
‑
5μm。
[0014]作为优选实施方式，本专利技术的阴极相对栅极为负电位，所述阴极和栅极之间的电压差为10V
‑
1000V。
[0015]作为优选实施方式，本专利技术的阴极和栅极采用的材料为硅，钼，钨或铜。
[0016]作为优选实施方式，本专利技术的阴极和栅极表面覆盖低逸出功薄膜。
[0017]作为优选实施方式，本专利技术的阴极和栅极表面覆盖类金刚石薄膜。
[0018]作为优选实施方式，本专利技术的栅极面积大于阴极面积。由于栅极上会沉积散热，因此采用栅极面积大于阴极面积的设置，以促进栅极的散热。
[0019]第二方面，本专利技术提出了一种X射线源，包括本专利技术所述的水平场致发射结构、引出极和阳极；
[0020]其中，所述阴极用于发射电子，其中一部分被基体和引出极之间的电场直接引出，另一部分轰击在所述栅极上产生二次电子，二次电子被基体和引出极之间的电场引出；
[0021]引出的电子在引出极和阳极之间的加速电场作用下加速并轰击阳极靶面，产生X射线。
[0022]本专利技术具有如下的优点和有益效果：
[0023]本专利技术提供的阴
‑
栅电极对水平布置的场致电子发射结构，相对于垂直场致发射结构，可以在基底层材料平面上通过依次工艺同步制备完成，工艺简单可靠，由于阴极尖锥是水平布置的，因此反轰的离子不会显著腐蚀尖端，因此水平场致发射阴极结构可以耐离子轰击。
[0024]本专利技术提供的X射线源采用阴
‑
栅电极对水平布置的场致电子发射结构，具备耐离子轰击性能好，发射密度可控、散热良好等优点。
附图说明
[0025]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0026]图1为现有的垂直场致发射结构示意图。
[0027]图2为采用图1所示的垂直场致发射结构的X射线源工作原理示意图。
[0028]图3为现有的垂直场致发射结构与本专利技术的水平场致发射结构原理对比示意图。其中，左图为现有的垂直场致发射结构，右图为本专利技术的水平场致发射结构。
[0029]图4为本专利技术第一实施例的水平场致发射结构示意图。
[0030]图5为本专利技术第二实施例的水平场致发射结构示意图。
[0031]图6为采用本专利技术实施例的水平场致发射结构的X射线源结构示意图。
[0032]附图中标记及对应的零部件名称：
[0033]1‑
基体，2
‑
阴极，3
‑
栅极，4
‑
引出极，5
‑
阳极，61
‑
一次电子，62
‑
二次电子，7
‑
电子束，8
‑
X射线。
具体实施方式
[0034]在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所专利技术的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本专利技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0035]在本专利技术的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水平场致发射结构，包括基体(1)、阴极(2)和栅极(3)；其特征在于，所述阴极(2)和栅极(3)布置在所述基体(1)的同一表面，形成阴极
‑
栅极对；所述栅极(3)用于将所述阴极(2)发射来的电子转换为二次电子。2.根据权利要求1所述的一种水平场致发射结构，其特征在于，所述基体(1)的同一表面设置有阴极
‑
栅极对阵列。3.根据权利要求1所述的一种水平场致发射结构，其特征在于，所述基体(1)的同一表面设置有多层嵌套的阴极
‑
栅极对阵列。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种水平场致发射结构，其特征在于，所述阴极(2)和栅极(3)之间的间距为100nm
‑
5μm。5.根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种水平场致发射结构，其特征在于，所述阴极(2)相对栅极(3)为负电位，所述阴极(2)和栅极(3)之间的电压差为10V
‑
1000V。6.根据权利要求1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，李建北，秦臻，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：