CN113471052B - 一种光电导型冷阴极平板x射线探测器及其制备方法和应用 - Google Patents
一种光电导型冷阴极平板x射线探测器及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光电导型冷阴极平板X射线探测器及其制备方法和应用，所述X射线探测器包括阳极基板和冷阴极基板，所述阳极基板包括阳极衬底、制备在阳极衬底上的阳极电极、制备在阳极电极上的半导体层；所述冷阴极基板包括冷阴极衬底、制备在冷阴极衬底上的冷阴极电极、制备在冷阴极电极上的光电导体、制备在光电导体上的冷阴极发射体；所述半导体层和所述光电导体通过隔离体相互绝缘地固定在一起，所述阳极基板上的半导体层与所述冷阴极发射体相对。本发明通过在阳极基板上设置半导体层、冷阴极基板上设置光电导体，降低了X射线探测器的暗电流，提高了X射线探测器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及X射线探测器领域，更具体地，涉及一种光电导型冷阴极平板X 射线探测器及其制备方法和应用。
背景技术
X射线探测器在医学诊断、安全检查、工业无损检测和科学研究等领域具有广泛的应用。为了提高X射线成像质量和降低辐射危害，对平板X射线探测器的灵敏度提出了更高的要求。利用光电倍增机制是提高X射线探测灵敏度的重要途径。例如，真空光电倍增管利用外光电效应和二次电子发射实现了光电流的倍增(中国发明专利，授权公布号：CN203084205U)；雪崩光电二极管和硅光电倍增器利用光生载流子在高电场下的雪崩效应实现光电流的倍增(中国发明专利申请，申请公布号：CN101971053A)。但是，真空光电倍增管体积较大，并且难以实现成像器件，而雪崩二极管和硅光电倍增器对温度敏感，并且难以实现大面积器件制作。近年来，研究者利用光电导体和冷阴极发射体发明一种冷阴极平板X射线探测器(中国发明专利申请，申请公布号：CN109346488A)，不仅可以实现大面积成像器件，还可以提高X射线的探测灵敏度，但该冷阴极平板X射线探测器还存在暗电流较大的问题，如在施加电压为800V时，暗电流为6.9×10-9A，且X射线探测灵敏度仍需进一步提高。
发明内容
本发明的首要目的是克服上述现有技术所述探测器暗电流较大，灵敏度较低的问题，提供一种光电导型冷阴极平板X射线探测器，该探测器在施加同等大小电压时，暗电流较小。
本发明的另一目的是提供一种光电导型冷阴极平板X射线探测器的制备方法。
本发明的进一步目的是提供一种光电导型冷阴极平板X射线探测器的应用。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种光电导型冷阴极平板X射线探测器，包括阳极基板和冷阴极基板，所述阳极基板包括阳极衬底、制备在阳极衬底上的阳极电极、制备在阳极电极上的半导体层；
所述冷阴极基板包括冷阴极衬底、制备在冷阴极衬底上的冷阴极电极、制备在冷阴极电极上的光电导体、制备在光电导体上的冷阴极发射体；
所述半导体层和所述光电导体通过隔离体相互绝缘地固定在一起，所述阳极基板上的半导体层与所述冷阴极发射体相对。
与现有技术相比，本发明在阳极基板上设置半导体层、冷阴极基板上设置光电导体，实现了降低探测器的暗电流；当探测器受到X射线的辐照时，冷阴极基板的光电导体在X射线的作用下产生电子空穴对，然后在电场的作用下，电子加速运动成为高能电子，最后阳极基板的半导体层受到高能电子的轰击，发生碰撞电离，从而产生倍增载流子，提高光电流和探测灵敏度。因此，本发明的光电导型冷阴极平板X射线探测器能有效地降低暗电流和提高X射线探测灵敏度。
本发明所述探测器使用时，阳极电极连接电压源，冷阴极电极与电流表相连，电压源输出正向电压。
优选地，所述半导体层的电阻率为106～1015Ω·cm。
本发明所述半导体层采用电阻率为106～1015Ω·cm的半导体，一方面能降低探测器的暗电流，另一方面在冷阴极发射体发射的电子的轰击下，产生大量电子空穴对，半导体电阻率降低，从而实现光电流的倍增，获得高灵敏度的X射线探测。
优选地，所述半导体层为具有P-N结结构的P型半导体和N型半导体组成的双层半导体，所述P-N结结构中，N型半导体制备在所述阳极电极上，P型半导体制备在所述N型半导体上。
所述P-N结结构中，由于阳极电极施加正向电压，P-N结结构承受反向偏压。当探测器受到X射线辐照时，冷阴极基板的光电导体中产生光生电子，光生电子先输运到冷阴极发射体上，再发射到阳极基板的半导体层的P-N结结构中。由于P-N结结构中具有较大的反向偏压，载流子加速运动并获得高能量，载流子与晶格发生碰撞电离，产生雪崩效应，从而实现光电流的倍增，并提高X射线探测器的灵敏度。
本发明所述冷阴极衬底对X射线具有高透过性，所述冷阴极衬底材料选自玻璃、石英或铍中的一种或多种。
本发明所述冷阴极电极对X射线具有高透过性，所述冷阴极电极材料选自ITO、AZO或FTO中的一种或多种。
本发明所述光电导体能在X射线的照射下产生电子空穴对，所述光电导体材料选自a-Se、CdTe、PbO、Ga2O3、HgI2、PbI2和钙钛矿中的一种或多种。
所述光电导体对X射线具有高吸收效率，在X射线的辐照下，光电导体内产生电子空穴对，使得X射线信号转变为电信号，再使用本发明的探测器结构实现电信号的放大，实现X射线的高灵敏度探测。
优选地，所述光电导体可以使用P型半导体，所述冷阴极发射体可以使用N 型半导体发射体。
更优选地，所述P型半导体选自P型的a-Se、CdTe、PbO、Ga2O3、HgI2、 PbI2或钙钛矿中的一种或多种。
更优选地，所述N型半导体发射体选自N型的氧化锌纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、硅纳米线或氮化镓纳米线中的一种或多种。
所述P型光电导体与N型冷阴极发射体形成P-N结结构，在阳极电压的作用下，该P-N结结构产生高反向偏压，使得光生载流子加速运动成为高能载流子，高能载流子与晶格发生碰撞电离，发生雪崩效应，提高X射线的光电流和灵敏度。
本发明所述半导体层和所述光电导体的间距为30～1000μm。
优选地，所述阳极基板和所述冷阴极基板之间保持真空状态，所述真空状态为气压≤10-2Pa。
本发明还提供上述光电导型冷阴极平板X射线探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1.制备阳极基板：使用磁控溅射技术在阳极衬底表面镀上阳极电极，使用电子束蒸发技术在阳极电极上镀上半导体层；
S2.制备冷阴极基板：使用磁控溅射技术在冷阴极衬底表面镀上冷阴极电极，采用电子束蒸发技术在冷阴极电极表面镀上光电导体，采用热氧化方法在光电导体上制备冷阴极发射体；
S3.组装光电导型冷阴极平板X射线探测器：将所述半导体层和所述光电导体通过隔离体相互绝缘地固定在一起。
本发明所述光电导型冷阴极平板X射线探测器用于X射线探测和X射线成像领域中，一方面可以提高X射线成像的清晰度，另一方面可以减少X射线辐射危害。因此，所述光电导型冷阴极平板X射线探测器在X射线探测和X射线成像领域中的应用也应该在本发明的保护范围之内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在阳极基板上设置半导体层、冷阴极基板上设置光电导体，实现了降低探测器的暗电流；同时，光电导体在X射线的作用下产生电子空穴对，在电场的作用下，电子在真空间隙中加速运动成为高能电子，最后阳极基板的半导体层受到高能电子的轰击，发生碰撞电离而产生倍增载流子，从而实现了提高光电流和探测灵敏度。
附图说明
图1为光电导型冷阴极平板X射线探测器结构示意图。
图2为ZnO纳米线冷阴极发射体阵列图。
图3为ZnO纳米线冷阴极发射体形貌。
图4为光电导型冷阴极平板X射线探测器在黑暗环境和X射线照射下的电流电压曲线。
图5为集成P-N结构的半导体层的光电导型冷阴极平板X射线探测器结构示意图。
附图标记说明
阳极衬底1；阳极电极2；半导体层3；冷阴极衬底4；冷阴极电极5；光电导体6；冷阴极发射体7；隔离体8；X射线9；N型半导体31；P型半导体32。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例1
本实施例用具体的例子来详细说明本发明所述的一种光电导型冷阴极平板 X射线探测器的详细制备过程。图1是一种光电导型冷阴极平板X射线探测器的结构示意图。
一种光电导型冷阴极平板X射线探测器，包括阳极基板和冷阴极基板，所述阳极基板包括阳极衬底1，制备在阳极衬底上的阳极电极2和制备在阳极电极上的半导体层3，所述冷阴极基板包括冷阴极衬底4，制备在冷阴极衬底上的冷阴极电极5，制备在冷阴极电极上的光电导体6和制备在光电导体上的冷阴极发射体7，所述半导体层3和所述光电导体6通过隔离体8相互绝缘地固定在一起，所述阳极基板上的半导体层3与所述冷阴极发射体7相对。
上述光电导型冷阴极平板X射线探测器制备步骤如下：
S1.制备阳极基板：准备一块面积为4cm×5cm，厚度为3mm的玻璃作为阳极衬底1，使用磁控溅射技术在阳极衬底1表面镀上ITO电极作为阳极电极2，镀膜速率为14nm/min，ITO电极厚度为500nm；然后使用电子束蒸发技术在阳极电极2上镀上ZnS薄膜作为半导体层3，镀膜速率为0.4nm/s，ZnS薄膜厚度为3μm；
S2.制备冷阴极基板：准备一块面积为4cm×5cm，厚度为1mm的石英作为冷阴极衬底4，使用磁控溅射技术在冷阴极衬底4表面镀上ITO电极作为冷阴极电极5，镀膜速率为14nm/min，ITO电极厚度为500nm，采用电子束蒸发技术在冷阴极电极5表面镀上Ga2O3薄膜作为光电导体6，镀膜速率为0.6nm/s， Ga2O3薄膜厚度为4μm，采用热氧化方法在光电导体6上生长ZnO纳米线阵列作为冷阴极发射体7，冷阴极发射体7的有效面积为0.408cm2；ZnO纳米线阵列的具体制备流程如下：首先通过光刻和电子束蒸发在光电导体上制备Zn点阵，然后将样品放在大气中加热生长ZnO纳米线，温度为470℃，时间为5小时。图2是ZnO纳米线阵列形貌图。图3是ZnO纳米线形貌图。ZnO纳米线的生长密度约为1×108cm-2，高度约为1μm，尖端直径约为20nm；
S3.组装光电导型冷阴极平板X射线探测器：将所述半导体层3和所述光电导体6通过隔离体8相互绝缘地固定在一起，所述阳极基板上的半导体层3与所述冷阴极发射体7相对。隔离体8的材料为陶瓷片，半导体层3和光电导体6的间距为120μm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于步骤S1制备阳极基板的差别，其他步骤与实施例1一致。本实施例的光电导型冷阴极平板X射线探测器的结构示意图如图5所示。
阳极基板的制备流程为：准备一块面积为4cm×5cm，厚度为3mm的玻璃作为阳极衬底1，使用磁控溅射技术在阳极衬底1表面镀上ITO电极作为阳极电极2，镀膜速率为14nm/min，ITO电极厚度为500nm；然后使用电子束蒸发技术在阳极电极2上镀上一层N型ZnS薄膜作为半导体层31，镀膜速率为0.4nm/s， ZnS薄膜厚度为3μm；最后使用磁控溅射技术在半导体层31表面镀上一层P型 NiO薄膜作为半导体层32，镀膜速率为30nm/min，NiO薄膜厚度为300nm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于步骤S2制备冷阴极的差别，其他步骤与实施例1一致。
冷阴极基板的制备流程为：准备一块面积为4cm×5cm，厚度为1mm的石英作为冷阴极衬底4，使用磁控溅射技术在冷阴极衬底4表面镀上ITO电极作为冷阴极电极5，镀膜速率为14nm/min，ITO电极厚度为500nm，采用近距离升华法在冷阴极电极5表面镀上P型CdTe薄膜作为光电导体6，CdTe薄膜厚度为 2.5μm，采用热氧化方法在光电导体6上生长N型ZnO纳米线阵列作为冷阴极发射体7，冷阴极发射体7的有效面积为0.408cm2；ZnO纳米线阵列的具体制备流程如下：首先通过光刻和电子束蒸发在光电导体上制备Zn点阵，然后将样品放在大气中加热生长ZnO纳米线，温度为470℃，时间为5小时，ZnO纳米线的生长密度约为1×108cm-2，高度约为1μm，尖端直径约为20nm。
对比例1
一种冷阴极平板X射线探测器，包括通过隔离体相互绝缘的固定在一起的闪烁体及冷阴极基板；
所述闪烁体上制备有对闪烁体发出的光具有透光性的阳极电极，该阳极电极上制备有将可见光转换成电信号的光电导体；
所述冷阴极基板为可寻址的冷阴极电子源基板，包括衬底、若干制备于衬底上且相互平行排列的阴极电极条、若干与所述阴极电极条交叉垂直排列且上下设置的栅极电极条、制备于所述阴极电极条及栅极电极条之间的绝缘层以及制备于阴极电极条上并形成阵列的冷阴极发射体。
测试
分别将实施例1～3和对比例1所述探测器放置在真空腔中，使阳极基板(对比例1中为闪烁体)和冷阴极基板之间保持真空间隙，真空间隙的气压为10-5Pa，将阳极电极与电压源相连，将冷阴极电极(对比例1中为阴极电极条)与电流表相连，电压源输出正向电压。测试探测器在黑暗环境下和X射线9照射下的电流电压曲线，X射线剂量为19.8mGyair/s。
测试结果如下：
实施例1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器在黑暗环境下和X射线9 照射下的电流电压曲线如图4所示。探测器电压为800V时，测到的暗电流为 5.2×10-11A，而光电流为4.1×10-5A。计算得到探测器的灵敏度为5.1×103μCGyair -1cm-2。该结果说明光电导型冷阴极平板X射线探测器可实现高探测灵敏度。
实施例2所述光电导型冷阴极平板X射线探测器在电压为800V时，测到的暗电流为1.4×10-11A，而光电流为6.8×10-5A。计算得到探测器的灵敏度为 8.4×103μCGyair -1cm-2。该结果说明了阳极基板上的半导体层使用具有P-N结结构的半导体可以利用雪崩效应进一步提高探测器的灵敏度。即当探测器受到X 射线辐照时，冷阴极基板的光电导体中产生光生电子，光生电子先输运到冷阴极发射体上，再发射到阳极基板的半导体层的P-N结结构中。由于P-N结结构中具有较大的反向偏压，载流子加速运动并获得高能量，载流子与晶格发生碰撞电离，产生雪崩效应，从而极大地增加光电流，提高X射线探测器的灵敏度。
实施例3所述光电导型冷阴极平板X射线探测器在电压为800V时，测到的暗电流为2.7×10-11A，而光电流为7.2×10-5A。计算得到探测器的灵敏度为 8.9×103μCGyair -1cm-2。该结果说明了冷阴极基板上的光电导体使用P型半导体，冷阴极发射体使用n型半导体发射体，从而形成P-N结结构，可利用P-N结结构的雪崩效应进一步提高探测器的灵敏度。即当探测器受到X射线辐照时，在高反向偏压作用下，光电导体内产生的光生载流子在P-N结结构中加速运动并获得高能量，载流子与晶格发生碰撞电离，产生雪崩效应，从而极大地增加光电流，提高X射线探测器的灵敏度。
对比例1所述冷阴极平板X射线探测器在电压为800V时，暗电流为6.9×10-9 A，光电流为1.5×10-5A，探测器灵敏度为1.8×103μCGyair -1cm-2。
由上述结果可知，与对比例1所述冷阴极平板X射线探测器相比，本发明所述光电导型冷阴极平板X射线探测器通过在阳极基板上设置半导体层、冷阴极基板上设置光电导体，降低了X射线探测器的暗电流，提高了X射线探测器的灵敏度。
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 (10)
1.一种光电导型冷阴极平板X射线探测器，包括阳极基板和冷阴极基板，其特征在于，所述阳极基板包括阳极衬底、制备在阳极衬底上的阳极电极、制备在阳极电极上的半导体层；
所述冷阴极基板包括冷阴极衬底、制备在冷阴极衬底上的冷阴极电极、制备在冷阴极电极上的光电导体、制备在光电导体上的冷阴极发射体；
所述半导体层和所述光电导体通过隔离体相互绝缘地固定在一起，所述阳极基板上的半导体层与所述冷阴极发射体相对。
2.如权利要求1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述半导体层的电阻率为106～1015Ω·cm。
3.如权利要求1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述半导体层为具有P-N结结构的P型半导体和N型半导体组成的双层半导体，所述P-N结结构中，N型半导体制备在所述阳极电极上，P型半导体制备在所述N型半导体上。
4.如权利要求1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述光电导体为P型半导体，所述冷阴极发射体为N型半导体发射体。
5.如权利要求4所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述P型半导体选自P型的a-Se、CdTe、PbO、Ga2O3、HgI2、PbI2或钙钛矿中的一种或多种。
6.如权利要求4所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述N型半导体发射体选自N型的氧化锌纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、硅纳米线或氮化镓纳米线中的一种或多种。
7.如权利要求1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述半导体层和所述光电导体的间距为30～1000μm。
8.如权利要求1所述光电导型冷阴极平板X射线探测器，其特征在于，所述阳极基板和所述冷阴极基板之间保持真空状态，所述真空状态为气压≤10-2Pa。
9.权利要求1～8任一所述光电导型冷阴极平板X射线探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.制备阳极基板：使用磁控溅射技术在阳极衬底表面镀上阳极电极，使用电子束蒸发技术在阳极电极上镀上半导体层；
S2.制备冷阴极基板：使用磁控溅射技术在冷阴极衬底表面镀上冷阴极电极，采用电子束蒸发技术在冷阴极电极表面镀上光电导体，采用热氧化方法在光电导体上制备冷阴极发射体；
S3.组装光电导型冷阴极平板X射线探测器：将所述半导体层和所述光电导体通过隔离体相互绝缘地固定在一起。
10.权利要求1～8任一所述光电导型冷阴极平板X射线探测器在X射线探测和X射线成像领域中的应用。
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