CN114975045A - 一种x射线源及其水平场致发射结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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‑栅极对；所述栅极用于将所述阴极发射来的电子转换为二次电子。相较于现有的垂直场致发射结构，本发明采用阴极‑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。

Description

一种X射线源及其水平场致发射结构

技术领域

本发明属于X射线源技术领域，具体涉及一种X射线源及其水平场致发射结构。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

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，本发明提供了一种一种X射线源及其水平场致发射结构。本发明采用水平布置阴-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。

本发明通过下述技术方案实现：

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；

所述栅极用于将所述阴极发射来的电子转换为二次电子。

相较于现有的垂直场致发射结构，本发明采用阴极-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。

作为优选实施方式，本发明的基体的同一表面设置有阴极-栅极对阵列。本发明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。

作为优选实施方式，本发明的基体的同一表面设置有多层嵌套的阴极-栅极对阵列。本发明通过多层嵌套设置的方式，进一步提高了电子功率。

作为优选实施方式，本发明的阴极和栅极之间的间距为100nm-5μm。

作为优选实施方式，本发明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。

作为优选实施方式，本发明的阴极和栅极采用的材料为硅，钼，钨或铜。

作为优选实施方式，本发明的阴极和栅极表面覆盖低逸出功薄膜。

作为优选实施方式，本发明的阴极和栅极表面覆盖类金刚石薄膜。

作为优选实施方式，本发明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。

第二方面，本发明提出了一种X射线源，包括本发明所述的水平场致发射结构、引出极和阳极；

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；

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。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的阴-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。

本发明提供的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

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有的垂直场致发射结构示意图。

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。

图3为现有的垂直场致发射结构与本发明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，右图为本发明的水平场致发射结构。

图4为本发明第一实施例的水平场致发射结构示意图。

图5为本发明第二实施例的水平场致发射结构示意图。

图6为采用本发明实施例的水平场致发射结构的X射线源结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

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

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、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，如在本发明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。

在本发明的各种实施例中，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组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

现有垂直场致发射结构，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，其制备工艺复杂，且发射尖端耐离子轰击性能差。基于此，本实施例提供了一种水平场致发射结构，相对于垂直场致发射结构，本实施例的水平场致发射结构可以在基底层材料平面上通过一次工艺同步制备完成，工艺简单可靠，如图3所示。

本实施例以单个阴极-栅极对为例对水平场致发射结构进行说明，如图4所示，本实施例的水平场致发射结构包括阴极2和栅极3，且阴极和栅极布置在同一基体1表面，本实施例具体可通过光刻与腐蚀工艺，一次性在基体1上制备出阴极2和栅极3。

本实施例的阴极相对栅极为负电位，阴极和栅极之间的间距为100nm-5μm，电压差为10V-1000V。

本实施例的阴极和栅极所采用的材料采用但不限于硅，钼，钨或铜。

本实施例的阴极和栅极表面覆盖低逸出功薄膜，采用但不限于类金刚石薄膜。

由于单个阴极发射的电流有限，在另一优先实施例中，可采用半导体工艺制备阴极-栅极对阵列，实现较大面积的水平场致发射阴极组件，如图5所示，该水平场致发射结构包括在同一基体1表面形成阴极-栅极对阵列，由于栅极上会沉积热量，因此栅极的面积显著大于阴极的面积，以促进栅极的散热。

在另外的优选实施例中，还可以在同一基体1上形成多层嵌套的阴极-栅极对阵列，用于产生更大电流强度的电子束。

本实施例还提出了一种基于上述水平场致发射结构的X射线源，包括水平场致发射结构、引出(聚焦)极4、阳极组件和绝缘组件。

其中，水平场致发射结构用于产生电子，引出极(聚焦电极)用于对水平场致发射结构产生的电子进行引出并使其轰击阳极组件的阳极靶面，从而产生X射线。绝缘组件用于提供X射线源的结构支撑以及绝缘作用，其采用现有的绝缘组件结构，此处不再赘述。

具体如图6所示，该X射线源的具体工作过程为：

对当阴极2和栅极3两端施加一定电压时，阴极上相对为负电势，阴极尖端发射电子，一部分电子(即一次电子61)被基体1和引出极4之间的电场直接引出，大部分电子会轰击在栅极3上，产生二次电子62，被基体1和引出极4之间的电场引出。

引出的电子束7在引出极4和阳极5之间的加速电场作用下加速并轰击阳极靶面，产生X射线8。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

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1-3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)采用的材料为硅，钼，钨或铜。

7.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)表面覆盖低逸出功薄膜。

8.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)表面覆盖类金刚石薄膜。

9.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，所述栅极(3)面积大于阴极(2)面积。

10.一种X射线源，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的水平场致发射结构、引出极(4)和阳极(5)；

其中，所述阴极(2)用于发射电子，其中一部分被基体(1)和引出极(4)之间的电场直接引出，另一部分轰击在所述栅极(3)上产生二次电子，二次电子被基体(1)和引出极(4)之间的电场引出；

引出的电子在引出极(4)和阳极(5)之间的加速电场作用下加速并轰击阳极靶面，产生X射线。

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