CN111524771A - 一种可快速响应的冷阴极平板脉冲x射线源及制备方法 - Google Patents

一种可快速响应的冷阴极平板脉冲x射线源及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，包括金属阳极基板和冷阴极电子源基板，所述金属阳极基板和冷阴极电子源基板之间保持真空间隙，所述冷阴极电子源基板中，包括绝缘衬底、底部条状阴极电极、在绝缘衬底上刻蚀的刻蚀通孔、顶部阴极电极、顶部环状栅极电极以及纳米冷阴极。同时公开了一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源的制备方法，本发明的冷阴极平板脉冲X射线源制备工艺简单，具备快速响应能力。

Description

一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源及制备方法
技术领域
本发明涉及真空微纳电子技术领域，更具体地，涉及一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源及制备方法。
背景技术
可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源在X射线成像、通信等有应用前景。利用栅极结构纳米线冷阴极电子源和透射阳极靶可实现大面积快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源。
已有的栅极结构纳米冷阴极电子源一般在衬底上制作，器件结构均位于衬底上方。例如，名称为自对准聚焦结构的纳米线冷阴极电子源阵列及其制作方法的专利中(中国专利ZL201610542509.8)，在衬底及绝缘层上方用薄膜沉积技术制备顶部阴极电极和顶部环状栅极电极薄膜，在衬底上方绝缘层下方用薄膜沉积技术制备底部阴极电极条和底部栅极电极条，通过刻蚀通孔实现上下电极的连接。
当将上述栅极结构纳米冷阴极电子源应用于大面积快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其大面积同时发射时的响应时间通常到微秒数量级，最高工作频率较低，无法满足高响应的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构优化的，可以实现快速响应能力的冷阴极平板脉冲X射线源。
本发明采用了以下技术方案解决现有的技术问题：
一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，包括金属阳极基板和冷阴极电子源基板，所述金属阳极基板和冷阴极电子源基板之间保持真空间隙，所述冷阴极电子源基板包括：
a)绝缘衬底；b)制作在所述绝缘衬底下方的底部条状阴极电极；c)所述绝缘衬底上刻蚀有使所述底部条状阴极电极局部裸露的若干刻蚀通孔；d)制作在所述绝缘衬底上的顶部阴极电极，所述顶部阴极电极通过所述刻蚀通孔与所述底部条状阴极电极相连；e)制作在所述绝缘衬底上、环绕在所述顶部阴极电极外侧且与所述顶部阴极电极不相互连接的顶部环状栅极电极；f)制作在所述顶部阴极电极上的纳米冷阴极。
在冷阴极电子源基板中，底部条状阴极电极制备在绝缘衬底的下方，顶部阴极通过贯穿绝缘衬底的刻蚀通孔与底部条状阴极电极连接，绝缘衬底作为顶部环状栅极电极与底部条状阴极电极之间的绝缘介质，其较大的厚度可使栅极与阴极之间的电容大幅降低，因而器件具备远远优于传统结构的快速响应能力。
优选地，所述金属阳极基板和冷阴极电子源基板通过隔离体相互绝缘固定，所述冷阴极电子源基板和金属阳极基板之间的距离为1mm～20mm。
优选地，所述顶部阴极电极的形状为圆形或环形，且所述顶部阴极电极的直径不大于所述底部条状阴极电极宽度的1/3，所述顶部环状栅极电极在所述顶部阴极电极周边区域为同轴环状分布，所述顶部环状栅极电极的内环直径不小于所述底部条状阴极电极宽度的1/3，所述顶部环状栅极电极的外环直径不大于所述底部条状阴极电极宽度的5/9。
处于上述宽度尺寸范围内的顶部环状栅极电极可在拥有良好栅控效果的同时，减小其与所述底部阴极在相交区域绝缘层的接触面积，进而可减小栅极与阴极间的电容大小，使器件响应速度得到优化。
优选地，所述金属阳极基板包括金属靶材，所述金属靶材包括缓冲层薄膜、靶层薄膜、保护层薄膜，所述缓冲层薄膜设置在所述靶层薄膜的下方，所述保护层薄膜设置在所述靶层薄膜的上方。
优选地，所述金属靶材为Al-W-Al复合薄膜或Al-Mo-Al复合薄膜。
W或Mo膜用于产生X射线。W或Mo膜下设置Al膜，充当缓冲层薄膜，提高W或Mo膜在衬底上的附着能力；W或Mo膜上设置Al膜，充当保护层薄膜，可避免W或Mo膜被氧化。
更进一步地，所述金属阳极基板主要由绝缘衬底及金属靶材构成，所述金属靶材上接有与外部电源连接的引出线，所述外部电源用于向金属阳极基板施加电压，所施加的电压范围是30kV～180kV。
优选地，所述底部条状阴极电极与所述顶部环状栅极电极的宽度保持一致，所述宽度为1μm～500μm。
更进一步地，所述冷阴极电子源基板中底部条状阴极电极、顶部阴极电极及顶部环状栅极电极由具备低电阻率且兼容微加工工艺的材料制成，包括Cr、Al、Ti、Ag、Cu、ITO、IZO或AZO。
更进一步地，所述冷阴极电子源基板中的纳米冷阴极由一维纳米材料ZnO、一维纳米材料CuO、一维纳米材料WOx、一维纳米材料CNTs、二维纳米冷阴极薄膜材料石墨烯或二维纳米冷阴极薄膜材料金刚石薄膜中的一种或几种。
更进一步地，所述冷阴极预生长薄膜的材料可以为钨、锌、铜、铁、钼、铬或可氧化的金属材料中的一种或多种，并通过热氧化的方式获得一维金属氧化物纳米冷阴极。
优选地，所述顶部环状栅极电极上接有与外部电源连接的引出线，所述外部电源用于向所述顶部环状栅极电极施加电压，所述电压的波形为直流叠加脉冲波形，所述叠加的直流幅值不超过所述冷阴极电子源基板的开启电压的95％，波形峰值电压范围是10V～300V。
其中所述叠加直流波形可通过波形中的直流偏置使顶部环状栅极电极的初始电位落在器件开启电压附近，从而降低了栅极电压在后续上升至脉冲峰值过程中所需的电压增幅，可进一步提高器件的响应速度。
优选地，所述冷阴极电子源阵列中的绝缘衬底由绝缘性能优异的材料制成，包括玻璃、陶瓷或其他绝缘材料，该绝缘衬底厚度为1mm～20mm。
本发明还公开一种制备可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源的方法，包括以下步骤：
金属阳极基板制备：在上述绝缘衬底上定域沉积金属靶材薄膜，沉积顺序依次为缓冲层薄膜、靶层薄膜、保护层薄膜；
冷阴极电子源基板制备：
a)在绝缘衬底下方制作底部条状阴极电极；b)在所述绝缘衬底上刻蚀若干刻蚀通孔，所述刻蚀通孔位于所述底部条状阴极电极的上方以使所述底部条状阴极电极局部裸露；c)在所述绝缘衬底上制作通过所述刻蚀通孔与所述底部条状阴极电极相连的顶部阴极电极以及顶部环状栅极电极，所述顶部环状栅极电极环绕在所述顶部阴极电极外侧；d)在所述顶部阴极电极上制作冷阴极预生长薄膜；e)在所述冷阴极预生长薄膜上反应生长获得纳米冷阴极；
金属阳极基板与冷阴极电子源基板组装：
a)使用隔离体使金属阳极基板部分与冷阴极电子源基板部分相互绝缘固定；b)使用真空封装工艺使金属阳极基板和冷阴极电子源基板之间保持真空。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的冷阴极平板脉冲X射线源工作时，对阳极基板施加高压电压，同时对相应的顶部环状栅极电极和底部条状阴极电极之间加脉冲驱动电压。相应的纳米冷阴极会在栅极电压的驱动作用下实现电子的发射和调控。通过选择性的对顶部环状栅极电极和底部条状阴极电极施加电压，可以实现行列寻址的脉冲X射线发射。
本发明的冷阴极平板脉冲X射线源中，通过将底部条状阴极电极放在衬底之下，增大了顶部环状栅极电极和底部条状阴极电极的距离，使顶部环状栅极电极和底部条状阴极之间电容减小从而提高器件快速响应能力，通过调整所使用衬底的厚度及顶部环状栅极电极的尺寸大小，器件将具备ns～ps量级的快速响应能力，最高工作频率可达GHz量级。
通过优化脉冲电压波形，即使用叠加直流脉冲波形驱动可进一步提升器件的工作频率。
本发明的冷阴极平板脉冲X射线源制备工艺简单，有较好的可寻址快速脉冲X射线发射能力，作为平板X射线脉冲源在X射线成像和深空X射线通信等领域有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源结构示意图；
图2是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板的左视结构剖示图；
图3是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板的正视结构剖示图；
图4是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板的俯视结构示意图；
图5是本发明所述可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中金属阳极基板的制作流程图；
图6是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板的制作流程图；
图7是本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板中单个点阵区域的阻容等效电路；
图8是阴极位于衬底上方的传统结构的冷阴极电子源基板的结构剖示图；
图9是本发明所述叠加直流脉冲驱动方式与普通脉冲驱动方式的波形对比示意图；
附图标记说明
底部条状阴极电极1、阴极绝缘衬底2、刻蚀通孔3、顶部环状栅极电极4、顶部阴极电极5、生长源薄膜6、反应后的生长源薄膜7、纳米线冷阴极8、隔离体9、氧化保护层薄膜10、靶层薄膜11、缓冲层薄膜12、阳极绝缘衬底13、绝缘层薄膜14。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例1
图1给出了本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源结构示意图；图2、图3、图4分别给出了上述可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板的左视结构剖示图、正视结构剖示图和俯视结构示意图。
如图1所示，该冷阴极平板脉冲X射线源的基本结构，包括金属阳极基板、冷阴极电子源基板以及隔离体。
如图2所示，该冷阴极电子源基板的基本结构，包括底部条状阴极电极1、阴极绝缘衬底2、刻蚀通孔3、顶部环状栅极电极4、顶部阴极电极5、反应后的生长源薄膜7以及纳米线冷阴极8。
如图2～图4所示，在绝缘衬底2的下方制备底部条状阴极电极1，顶部环状栅极电极4与底部条状阴极电极1垂直相交排列，且它们通过阴极绝缘衬底2相互隔离。在底部条状阴极电极1上方刻蚀有若干贯穿阴极绝缘衬底2的刻蚀通孔3，使底部条状阴极电极局部裸露。在绝缘衬底2上制作顶部环状栅极电极4和顶部阴极电极5，其中顶部阴极电极5通过刻蚀通孔3与底部条状阴极电极1连通。顶部阴极电极上制作有纳米线冷阴极8。
结构上相互垂直的底部条状阴极电极1和顶部环状栅极电极4可以实现器件的行列寻址驱动。本实施例中，顶部阴极电极5为圆形，顶部环状栅极电极4为与顶部阴极电极5同心的圆环。
以下是一种制备可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源的方法，包括以下步骤：本实施例给出了阳极及阴极绝缘衬底采用玻璃衬底，阳极靶层采用钼金属，冷阴极材料采用氧化锌纳米线的冷阴极平板脉冲X射线源的制作过程，并通过仿真计算给出了本实例中采用的器件的响应速度。
阳极基板具体的制作工艺步骤请参见附图5。
首先将退火后的玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗25分钟，并用氮气吹干。接着在玻璃衬底上，采用金属遮罩及直流磁控溅射真空镀膜技术依次定域制备阳极三层金属薄膜，金属薄膜溅射的顺序为：100nm的Al膜，1μm的Mo膜，100nm的Al膜。
冷阴极电子源基板具体的制作工艺步骤请参见附图6。
首先将退火后的玻璃衬底用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗25分钟，并用氮气吹干，玻璃衬底的厚度为20mm。在玻璃衬底的下方(即背面)，采用光刻、直流磁控溅射真空镀膜技术以及剥离工艺制备底部条状阴极电极条。该底部条状阴极电极1的材料为ITO，其厚度约为500nm，宽度为180μm。然后采用刻蚀技术刻蚀特定区域的玻璃衬底，得到用于连接顶部阴极电极5和底部条状阴极电极1的刻蚀通孔阵列。接着在上述绝缘衬底上方，采用光刻、镀膜技术以及剥离工艺同时制备顶部环状栅极电极4以及顶部阴极电极5。在镀膜过程中，上述薄膜也会沉积在刻蚀通孔的开口边沿、内壁以及暴露在刻蚀通孔底部的局部底部条状阴极电极1表面，从而使顶部阴极电极5很好的与底部条状阴极电极1连接。顶部阴极电极5及顶部环形栅极电极4的材料为ITO，厚度约为500nm，其中顶部阴极电极5的直径为60μm，顶部环形栅极电极4的宽度为180μm，顶部环形栅极电极4的内环直径为80μm，顶部环形栅极电极4的外环直径为100μm。接着在顶部阴极电极上光刻定位纳米冷阴极生长区域，然后采用电子束蒸发真空镀膜技术镀生长源薄膜，该生长源薄膜为锌膜，采用剥离方法得到生长源锌薄膜阵列。最后将制作有上述薄膜结构的玻璃衬底放入管式炉中进行氧化得到氧化锌纳米线冷阴极电子源基板。热氧化过程如下：管式炉从室温开始升温，并设置其在经190分钟后升高至470℃，然后在470℃下保温3小时，最后自然冷却，上述整个氧化过程在空气下进行。
随后将制备好的阳极基板与冷阴极电子源基板使用高度为20mm的隔离体隔离并进行真空封装，便可得到本发明的所述的可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源。进一步我们对该器件的响应速度进行了模拟仿真，模拟仿真所用电路模型参见附图7。
图7给出了本发明所述一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源中冷阴极电子源基板中单个点阵区域的阻容等效电路。如图7所示，电路模型中将顶部环状栅极电极4的及底部条状阴极电极1等效为电阻，将绝缘衬底2等效为电容。其中顶部环状栅极电极4的圆环由上半圆环与下半圆环并联组成，因此在等效电路中对应的电阻、电容亦以并联形式连接。
图9给出了模拟仿真可用的脉冲波形，其中图9中的(a)为普通方波、三角波、锯齿波脉冲驱动波形；图9中的(b)为本发明所述经叠加直流后的方波、三角波、锯齿波脉冲驱动波形。根据模拟仿真结果，当所加波形为图9中的(a)所示的方波脉冲(Vmax为100V)时，该器件的时间常数约为81.4ps，对应最高工作频率约为1.2GHz；设器件的开启电压为95V，当所加波形为图9中的(b)所示的叠加直流方波脉冲(脉冲幅度Vmax＝100V，VDC＝90V)时，根据模拟仿真结果，器件的最高工作频率进一步提升至2.3GHz，相比使用普通方波驱动响应速度提升了约2倍。
对比例1
该对比例所制备的冷阴极平板脉冲X射线源器件的结构与实施例1的结构基本相似，不同之处在于，是底部条状阴极电极设置在绝缘衬底的上方。
本实施例给出了传统结构平板器件的响应速度测试，并使用叠加直流的脉冲波形对其响应速度进行优化，给出了相应的提升程度。
传统结构平板器件的冷阴极电子源基板的截面结构图请参见附图8。使用类似图7所的阻容等效电路图进行仿真(传统结构中将绝缘层薄膜14等效为电容)。当所加波形为图9中的(a)所示的方波脉冲(Vmax为100V)时，根据模拟仿真结果，该器件的时间常数约为0.9μs，对应最高工作频率约为110KHz；设器件的开启电压为95V,当所加波形为图9中的(b)所示的叠加直流方波脉冲(脉冲幅度Vmax＝100V，VDC＝90V)时，根据模拟仿真结果，器件的最高工作频率进一步提升至210KHz,约为普通脉冲响应速度的2倍。
综上，当阴极电极置于衬底下方时，其最高工作频率将由对比例1的110KHz提高至1.2GHz，提高了约10909倍。同时，使用叠加直流方波脉冲的驱动方式可进一步提升器件的响应速度，约为普通方波脉冲驱动的2倍。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，包括金属阳极基板和冷阴极电子源基板，所述金属阳极基板和冷阴极电子源基板之间保持真空间隙，所述冷阴极电子源基板包括：
a)绝缘衬底；
b)制作在所述绝缘衬底下方的底部条状阴极电极；
c)所述绝缘衬底上刻蚀有使所述底部条状阴极电极局部裸露的若干刻蚀通孔；
d)制作在所述绝缘衬底上的顶部阴极电极，所述顶部阴极电极通过所述刻蚀通孔与所述底部条状阴极电极相连；
e)制作在所述绝缘衬底上、环绕在所述顶部阴极电极外侧且与所述顶部阴极电极不相互连接的顶部环状栅极电极；
f)制作在所述顶部阴极电极上的纳米冷阴极。
2.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述金属阳极基板和冷阴极电子源基板通过隔离体相互绝缘固定，所述冷阴极电子源基板和金属阳极基板之间的距离为1mm～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述顶部阴极电极的形状为圆形或环形，且所述顶部阴极电极的直径不大于所述底部条状阴极电极宽度的1/3，所述顶部环状栅极电极在所述顶部阴极电极周边区域为同轴环状分布，所述顶部环状栅极电极的内环直径不小于所述底部条状阴极电极宽度的1/3，所述顶部环状栅极电极的外环直径不大于所述底部条状阴极电极宽度的5/9。
4.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述金属阳极基板包括金属靶材，所述金属靶材包括缓冲层薄膜、靶层薄膜、保护层薄膜，所述缓冲层薄膜设置在所述靶层薄膜的下方，所述保护层薄膜设置在所述靶层薄膜的上方。
5.根据权利要求4所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述金属靶材为Al-W-Al复合薄膜或Al-Mo-Al复合薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述底部条状阴极电极与所述顶部环状栅极电极的宽度保持一致，所述宽度为1μm～500μm。
7.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于，所述顶部环状栅极电极上接有与外部电源连接的引出线，所述外部电源用于向所述顶部环状栅极电极施加电压，所述电压的波形为直流叠加脉冲波形，所述叠加的直流幅值不超过所述冷阴极电子源基板的开启电压的95％，波形峰值电压范围是10V～300V。
8.根据权利要求1所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源，其特征在于：所述冷阴极电子源阵列中的绝缘衬底由绝缘性能优异的材料制成，包括玻璃、陶瓷或其他绝缘材料，该绝缘衬底厚度为1mm～20mm。
9.一种制备权利要求1～8之一所述的一种可快速响应的冷阴极平板脉冲X射线源的方法，其特征在于，包括以下步骤：
金属阳极基板制备：
在上述绝缘衬底上定域沉积金属靶材薄膜，沉积顺序依次为缓冲层薄膜、靶层薄膜、保护层薄膜；
冷阴极电子源基板制备：
a)在绝缘衬底下方制作底部条状阴极电极；
b)在所述绝缘衬底上刻蚀若干刻蚀通孔，所述刻蚀通孔位于所述底部条状阴极电极的上方以使所述底部条状阴极电极局部裸露；
c)在所述绝缘衬底上制作通过所述刻蚀通孔与所述底部条状阴极电极相连的顶部阴极电极以及顶部环状栅极电极，所述顶部环状栅极电极环绕在所述顶部阴极电极外侧；
d)在所述顶部阴极电极上制作冷阴极预生长薄膜；
e)在所述冷阴极预生长薄膜上反应生长获得纳米冷阴极；
金属阳极基板与冷阴极电子源基板组装：
a)使用隔离体使金属阳极基板部分与冷阴极电子源基板部分相互绝缘固定；
b)使用真空封装工艺使金属阳极基板和冷阴极电子源基板之间保持真空。
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CN113690120A (zh) * 2021-07-05 2021-11-23 中山大学 一种图案化透射阳极平板x射线源器件及其制备方法

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