CN1019247B

CN1019247B - 光阴极及其制造方法

Info

Publication number: CN1019247B
Application number: CN88101430A
Authority: CN
Inventors: 荒枚成光
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1992-11-25
Also published as: KR880011880A; EP0283020B1; US4950952A; EP0283020A3; DE3863097D1; KR910001868B1; CN88101430A; EP0283020A2

Abstract

本发明提供一种形成于基底(15)上的光阴极(13)，基底(15)包括表面具有大量狭窄空隙或微孔的一个或多个部件，所述光阴极主要由一种半金属。锰或银以及一种或多种碱金属所组成，其特征在于：光阴极(13)形成于已形成在基底上的碱金属氧化物(14)之上，而半金属。锰或银以及一种或多种碱金属的成分比是化学计量或近于化学计量的。本发明的光阴极具有高灵敏度，且能在长时期内稳定地维持此灵敏度。

Description

本发明涉及一种光阴极及其制造方法，该光阴极形成于一个具有细隙或细孔的部件上，且在长时期内保持着高灵敏度。

一个有着光阴极的电子管的例子是X射线图象增强器。如图1中所示，这种X射线图象增强器有柱形部件1以及光阴极2，柱形部件1由，例如，一种碱金属卤化物组成，以作为基底来吸收X射线3和发射光，光阴极（光电子转换层）2形成于该基底上并由一种半金属和一种碱金属组成。参考数号4、5、6、7和8分别代表电子束、聚焦电极、电子透镜、输出荧光屏以及X射线图象增强器。基底1将入射的X射线3转换成可见光，而由可见光引起的光电效应使光阴极2发射光电子。透镜6加速这些光电子，并将它们在屏幕7上聚焦成电子图象。屏幕7将电子图象转换成可见图象。

这种X射线图象增强器主要用于医疗诊断。所以，为了降低受检物体的X射线照射量，对X射线图象增强器的光阴极提出的要求是：光阴极的灵敏度要高且能在长时期内稳定地维持此灵敏度。

为了增加光阴极的灵敏度，如同许多著作中所述那样，光阴极的成分比必须是由组成元素的原子价决定的化学计量成分比或与之接近的成分比。例如，在由半金属Sb（三价的）和一些碱金属（一价的）Cs、Na和K组成的多碱光阴极中，Sb和碱金属总和的化学计量成分比理论上为1∶3。如果光阴极的成分比不是上述的成分比，或者成分比随时间而改变，则灵敏度要下降。

由发光的多晶材料，诸如，CsI/Na、Cd₂O₂S/Tb、CsI/Tl等组成的基底是用物理沉积法（诸如真空蒸发或溅射）或化学沉积法（例如化学汽相淀积（CVD））来形成的。因此，和在有着非晶玻璃或金属板基底的其它电子管的光阴极中不同，在这种基底中，会不可避免地产生大量晶粒边界、狭窄的空隙、晶格缺陷或微孔。举例来说，如图2中所示，当采用CsI/Na时，基底1是这样形成的，即光线在几微米厚的CsI/Na，柱形多晶体的纵轴方向行进，并到达光阴极2。用这种结构，能减少在基底中光的散射，且大量的光能被吸收和入射于光阴极上。

由一种诸如Sb、Bi、Te等半金属和一种碱金属组成的光阴极是通过，比如在基底上沉积的半金属和加于其上的碱金属之间的化学反应来形成的。然而，如果如上所述在基底中产生狭窄的空隙或晶粒边界，则碱金属会进入此狭窄的空隙、晶粒边界乃至晶体本身，从而改变了光阴极的化学计量成分比。

为此，通常在基底和光阴极之间置入一层由真空蒸发形成的Al₂O₃、In₂O₃或诸如此类的中间层。但是，在中间层内仍然会产生微孔和晶粒边界（尽管它们并不像在基底中的微孔和晶粒边界那样大），从而降低了灵敏度。

图3示出了一种光阴极的俄歇（Auger）分析结果，这种光阴极是由通过Al₂O₃中间层而在钠激活碘化铯（CsI/Na）的柱形多晶体上形成的半金属和多种碱金属（Na、K和Cs）构成的。沿横坐标示出的稀有气体的溅射时间代表光阴极的厚度。根据图3，Sb和碱金属总和的成分比为1∶35至1∶40，即明显不同于上述化学计量成分比。而且，铯浓度显著地高。这是因为，在使用多晶部件的基底时，光阴极的灵敏度随时间的推移而大大地下降。所以，为了补偿这种下降，以牺牲使用初期的灵敏度为代价，使成分比大大偏离化学计量成分比。

本发明已考虑到上述情况，其目的在于提供一种光阴极，该光阴极形成于由一个或多个表面具有大量狭窄空隙或微孔的部件组成的基底上，并主要由半金属、锰或银以及一种或多种碱金属所组成，其特征在于：光阴极形成于已形成在基底上的碱金属氧化层上，而半金属、锰或银与一种或多种碱金属的成分比是化学计量的或接近于化学计量的。

本发明的另一目的是要提供一种形成光阴极的方法，该光阴极主要由一种在基底上的半金属、锰或银以及一或多种碱金属所组成，而该基底由一或多个表面具有大量狭窄空隙或微孔的部件所组成，其特征在于，形成光阴极的方法包括如下步骤：在基底上形成碱金属氧化层：和在该碱金属氧化层上形成光阴极，该光阴极中半金属、锰或银和一种或多种碱金属的成分比是化学计量的或近于化学计量的。

下面结合附图详细叙述本发明。

图1是X射线图象增强器的剖面概图;

图2是一种通常的光阴极和基底的放大剖面概图;

图3是通常光阴极的俄歇分析图;

图4是根据本发明的一种实施方案的放大剖面概图;

图5和图6是根据本发明的一种实施方案的光阴极的俄歇分析图;

图7是根据本发明的其它实施方案的光阴极的放大剖面概图。

根据本发明，在微孔基底和光阴极之间置入一层由碱金属氧化物组成的致密的中间层。因此，能减少作为光阴极组分的碱金属的迁移或扩散或者在基底材料和碱金属之间的化学反应，从而阻止光阴极成分比的改变。

碱金属氧化物层透射过波长能被形成于其上且包含碱金属的光阴极所吸收的光。这是因为一种碱金属的氧化物比同样类型的碱金属和一种半金属的化合物有着较宽的能带隙，因而此碱金属氧化物在整个宽波长范围内是透明的。因为这个原因，当在透射式发射阴极中置入一碱金属氧化物的中间层时，对光透射效率几乎没有不利的影响。

碱金属具有高的蒸汽压。所以碱金属能从一碱金属撒布器那里汽化，均匀地分布在电子管泡的空间，并附着在置于此管泡中的基底的整个表面上。因为碱金属有着高的迁移率，所以附着在基底表面的碱金属会运动或扩散入晶粒边界或狭窄的空隙内。随后通入氧气，以形成一碱金属氧化物层。在这种情况下，因为导入的氧也是气态的，所以它能均匀地分布在基底所处空间，并与事先附着在基底上的碱金属的整个表面相接触。碱金属具有强的活性并从而立即与氧一起形成碱金属的氧化物。结果，在基底的整个表面上分布有一致密的碱金属氧化物层。此外，因为碱金属氧化物的化学性能稳定，所以它在光阴极形成的过程中不会分解，从而可稳定地用作光阴极对基底的有效阻挡层。

虽然光阴极的厚度取决于光阴极的成分，但最好为1000 或再薄一些。这是因为如果厚度超过1000 ，光电子的转换效率就会下降。碱金属氧化物层的厚度只要它能阻止碱金属扩散或穿透入基底，或与基底起反应，就以薄为宜。

实例：

以图2中参考数号1标出的、由柱形CsI/Na多晶体组成的基底被封在X射线图象增强器的管泡内。将管泡加热到50℃至350℃的温度，并抽空。然后，基底被维持在50℃至300℃下，并从被加热的撒布器内引入碱金属钾。钾以由其原子量和温度的函数所代表的速度撞击基底，并被部分吸收。在此场合下，不仅在基底的表面上，而且在晶粒边界或狭窄的空隙内都吸收有钾。钾不被吸收入多晶体内大量的晶格缺陷中。此外，钾因热扩散有时被吸收入晶体内。钾是否完全沉积可从光电流的饱和情况来检验。

接着，在电子管管泡内导入足够量的氧气。以氧化覆盖在基底上的钾。结果，覆盖在基底上的钾被导入的氧所氧化，而如图4中所示，基底的整个表面覆盖有钾的氧化物14。为了使碱金属的氧化物完全覆盖基底，碱金属的引入和氧化可以重复几次。

此后，将上面形成有钾的氧化物层的基底温度保持在50℃至200℃之间，并在其上形成光阴极。形成光阴极的工艺过程基本上和其它文献中披露的相同。将锑沉积在钾氧化层上，然后将钾和铯施加于沉积了的锑上。在光电流达到峰值后，交替地沉积锑和铯，从而形成包括锑、钾和铯的光阴极。

图4是上述基底、钾氧化层和按上述方法形成的光阴极的放大剖面概图。由CsI/Na柱形多晶体10构成的基底15的表面有着许多柱形多晶体10的凸起物，所以，有着大的面积。大量向着表面延伸的晶粒边界11和狭窄的空隙12出现在那些柱形多晶体10之间。钾的氧化层14进入晶粒边界11和狭窄的空隙12，以覆盖基底15的整个表面。层14足够致密，能按几乎一个原子的尺寸将基底15和光阴极13完善地分开。当交替重复地导入气态的碱金属和氧气时，可以形成更为致密的碱金属氧化物层。

图5示出了所得光阴极按厚度方向的俄歇分析结果。图5明白地示出，这种光阴极的半金属锑对碱金属总和的成分比为所希光阴极的化学计量成分比的1/5至5/3，这些值不同于图3中例示的常用成分比。除铯外每一碱金属的成分比不超出化学计量成分比的1/10至10倍的范围。因为俄歇分析必须在制成的材料被取出进入大气后才能完成，所以有氧混入。

图6是一曲线图，其中图5的纵坐标换用对数坐标。由图6可更为明显看出，与通常的形成在多晶体部件上的光阴极相比。所得光阴极的成分比更接近化学计量成分比。已发现，在光阴极形成过程中，由于热扩散引起Na从CsI/Na基底中迁移出来。此外，由图可清楚地看到，在光阴极13的输出荧光屏一侧，即图中横坐标上开始溅射的那点附近，碱金属（Na、K）的原子数比铯的要多，即，溅射时间轴的O分（开始时）表示光阴极表面，该表面上的碱金属浓度被表示为纵轴。例如，Cs原子浓度示出为2原子%。其它碱金属浓度为：K约8原子%、Na约18原子%。很明显，光阴极表面处的Cs浓度比碱金属浓度低。

俄歇分析结果表明，在本发明的光阴极中没有发现碳。例如光阴极中有碳存在，则涉及光发射的逸出功会增加。所以，需要用所不希望的强X射线。然而，如果光阴极是根据本发明的方法形成的，则碱金属氧化物层阻止作为杂质在基底表面上出现的碳混入光阴极中，从而增加了光阴极的灵敏度。

在上面的实施方案中，碱金属氧化物层是直接形成于多晶体部件基底上的，而光阴极形成在碱金属氧化物层上。光阴极厚度为1000A或更小。此外，作为光阴极组分之一并首先沉积在基底上的半金属是在垂直于厚度方向的方向上沉积在基底上的。因此，如果多晶体部件的狭窄空隙比光阴极的厚度更深，就会在垂直于厚度方向的方向上破坏光阴极的连续性。

在这种情况下，如图7中所示，可以在碱金属氧化物层14和基底15之间设置一用通常方法形成的中间层35，中间层35用沉积等方法来形成，它是由一多孔或多晶层构成的。中间层35覆盖了多晶体部件之间的狭窄空隙12，以弥补它的横向不连续性，并实质上用作形成的多晶体部件上的光阴极的基底。

此外，Sb、Mn或Ag可以在光阴极形成过程中被氧化，以形成一种光谱灵敏度红移的光阴极。

Claims

1、一种光阴极，它形成于由一个或多个多晶材料部件组成的基底15上，所述部件的表面具有大量狭窄空隙或微孔；所述光阴极主要由半金属、锰或银以及一种或多种碱金属构成，其特征在于：所述光阴极13形成于碱金属氧化物层14之上，而所述碱金属氧化物层14形成于所述基底15之上；所述半金属、锰或银以及所述一种或多种碱金属的成分比是化学计量的。

2、一种根据权利要求1的光阴极，其特征在于：所述光阴极13在输出荧光屏的一部分包含的碱金属原子数量比铯原子要多。

3、一种如权利要求1的光阴极，其特征在于所述碱金属氧化层和所述基底之间插入一中间层。

4、一种根据权利要求3的光阴极，其特征在于所述中间层为多孔质层。

5、一种根据权利要求3的光阴极，其特征在于所述中间层为多晶层。

6、一种权利要求1所述光阴极的制造方法，所述光阴极主要由在基底上的一种半金属、锰或银以及一种或多种碱金属所组成，所述基底由一个或多个发光的多晶材料部件组成，所述多晶材料部件的表面具有大量狭窄空隙或微孔，其特征在于：所述形成光阴极13的方法包括如下步骤：在所述基底15上形成一碱金属氧化物层14;在所述碱金属氧化物层14上形成所述光阴极13，在所述光阴极13中，所述半金属、锰或银以及一种或多种所述碱金属的成分比是化学计量的。

7、一种根据权利要求6的光阴极制造方法，其特征在于，所述半金属、锰或银被氧化。

8、一种根据权利要求1的光阴极，其特征在于：所述基底由柱形多晶体构成。

9、一种根据权利要求1的光阴极，其特征在于：所述半金属是锑。

10、一种根据权利8的光阴极，其特征在于：所述柱形多晶体由钠激活碘化铯形成。