專利名稱：用于使用電子倍增的真空管的電子倍增結構以及具有該電子倍增結構的使用電子倍增的 ...的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用電子倍增的真空管的電子倍增結構。
本發(fā)明還涉及具有該電子倍增結構的使用電子倍增的真空管。
請注意本申請中使用電子倍增的真空管結構包括一除其他之外一圖像增強管設備、敞面電子倍增器、通道倍增器、微通道板、以及象圖像增強器的封裝設備和合并元件或象分立倍增器電極的子組件的光電倍增管、使用如增益機制的二次發(fā)射現(xiàn)象的微通道板。 這樣的真空管在業(yè)界已公知。它們包括陰極，該陰極在諸如可見光或X射線的入射輻射影響之下發(fā)射所謂的光電子，這些光電子在電場的影響下向著陽極移動。打到陽極的電子構成了信息信號，該信號由合適的處理裝置做進一步處理。
背景技術：
在現(xiàn)代圖像增強管中，電子倍增結構，主要是微通道板或MCP，位于陰極和陽極之間以增加圖形強化。在電子倍增結構構建為通道板的情況下，該通道板包括一疊中空管，即延伸于輸入面和輸出面之間的中空玻璃纖維。在通道板的輸入面和輸出面之間施加(電壓) 勢差，使得在輸入面進入通道的電子朝著輸出面的方向移動，在該位移中，次級發(fā)射效應增加了電子的數(shù)目。從通道板的輸出面離開后，這些電子(初級電子和次級電子)朝著陽極的方向以通常的方式得到加速。
就結構尺寸、使用高電壓電位用于向陽極引導初級和次級電子的功耗以及圖像質量而言，使用微通道板具有一些缺點。
諸如US 2005/0104527 Al公開結構的現(xiàn)有電子倍增結構使用包含用于次級電子發(fā)射的金剛石的層，其中 該金剛石包含層向探測窗發(fā)射電子進入真空。用于次級電子發(fā)射的這樣的金剛石包含層具有相對低的次級發(fā)射率，該次級發(fā)射率是每個入射粒子發(fā)射的次級電子的數(shù)量。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種新型電子倍增原理，其具有就結構尺寸而言提高的性能、更簡單的結構、電源裝置顯著更低魯棒的結構、對磁場更低的敏感性、以及改進的S/N 特性。
本發(fā)明的另一具體目的是提供一種具有增加的次級發(fā)射率的新型電子倍增原理。
根據(jù)本發(fā)明，提出了使用電子倍增的用于真空管的電子倍增結構。該電子倍增結構包括旨在取向為與真空管的進入窗成面向關系的輸入面。其還包括旨在取向為與真空管的探測面成面向關系的輸出面。該電子倍增結構至少由與真空管探測面鄰近的半導體材料層組成。
當由半導體材料層組成的這樣的電子倍增結構與有足夠能量的粒子(例如電子或其他諸如離子的粒子)碰撞時，該粒子將形成電子空穴對，以致于該半導體材料層在等于電子空穴對的壽命的時間中變成局部導電。
通過這個機制，在該導電期間內通過半導體材料層“輸運”電子是可能的。該“電子導電增益”等于每個入射帶電粒子通過材料層可輸運電子的數(shù)目。半導體材料層上的每個感應粒子可形成允許通過半導體層的許多電子的輸運的電子空穴對?？蓪崿F(xiàn)強大的增益，并且象傳統(tǒng)晶體管一樣，該感應粒子可與晶體管的漏極電流比擬，由此從集電極流到發(fā)射極的電流被漏極的電流放大。半導體層上的單個感應粒子在本發(fā)明最簡單的實施例中激發(fā)若干個電子通過半導體層的輸運。對于每個入射粒子，從半導體層發(fā)射大量次級電子，因此可實現(xiàn)高的次級發(fā)射率。
優(yōu)選地，該半導體材料層具有至少2eV的帶隙，其中在另一個優(yōu)選實施例中，所述半導體材料層包括至少一個化學元素周期表中的II1-V族或I1-VI族化合物。合適的化合物為氮化鋁、氮化鎵或氮化硼。碳化硅也是合適的化合物以用于根據(jù)本發(fā)明的電子倍增結構。
在又一個有利的實施例中，所述半導體材料層是金剛石狀材料層，該金剛石狀材料層可實現(xiàn)為單晶金剛石膜、多晶金剛石膜、納米金剛石膜，或納米顆粒金剛石、金剛石狀碳或石墨烯的涂層。
當半導體材料層現(xiàn)正與具有足夠能量的初級帶電粒子碰撞以形成一個或多個電子空穴對時，該材料變成在等于載流子壽命時間的期間內導電。結果在電極之間電流將流過。當材料選擇正確時，導電電流將比帶電粒子的碰撞初級電流大很多。該“電子導電增益”等于每個入射帶電粒子通過半導體材料層輸運的電子的數(shù)目。
為了從該效應中獲益，電子倍增結構包括用 于產生越過該半導體材料層的電場的電場產生裝置。當沒有碰撞帶電粒子時，該施加的電壓將僅產生很小的漏電流。
但是，對于每一個入射粒子，通過半導體材料層輸運若干個電子，這甚至可導致每個入射粒子的數(shù)百個電子的增益。越過半導體材料層施加的電場將進一步增強該半導體層晶體管狀的功能。更強的電場可導致更高的增益。
當越過半導體材料層以及探測面施加電場時，仍可從該效應中受益。在這樣的實施例中，存在電子到探測面中的增強輸運。
在第一實施例中，半導體材料層具備分布于電子倍增結構輸入面的電極樣式，其中該電極樣式彼此相鄰分布。
又一個實施例中，每個電極具備在相應電極腿之間延伸的至少兩個電極腿。
在又一個實施例中，所述電極樣式分布于電子倍增結構的輸入面和輸出面上。
在改進實施例中，該電子倍增結構包括有機發(fā)光二極管層，在該有機發(fā)光二極管層之上分布材料層。有機發(fā)光二極管層的功能作為一個非常高效率的光發(fā)射器，進一步限制設備的功耗。
在再一個實施例中該電子倍增結構包括陽極層，在該陽極層上分布有機發(fā)光二極管層，這樣可實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明設備的簡單生產。該構架不僅提供結構尺寸的進一步削減，而且簡化了適合于大規(guī)模生產的生產工藝步驟。
在一個實施例中，該陽極層可構造為銦-錫-氧化物層。
優(yōu)選地，在半導體材料層和有機發(fā)光二極管層之間分布金屬像素結構，其金屬像素結構的像素尺寸為Ixl μ m到20x20 μ m。
為了提高電子倍增結構的MTF特性，金屬像素結構的像素間隙用具有光不透特性的填充材料來填充。
此外,半導體材料層具有50nm和100 μ m之間的厚度。
為了進一步減少真空管的結構尺寸，在優(yōu)選實施例中，電子倍增結構安裝在真空管的探測面上。


將在以下參考附圖中更詳細描述本發(fā)明，這些附圖是圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術具有電子倍增結構的真空管；圖2是根據(jù)本發(fā)明具有電子倍增結構的使用電子倍增的真空管的第一實施例；圖3a-3c是圖2真空管的更詳細實施例；圖4是根據(jù)本發(fā)明具有電子倍增結構的使用電子倍增的真空管的另一實施例；圖5是圖4真空管的更詳細實施例；圖6示出描述根據(jù)現(xiàn)有技術和本發(fā)明具有電子倍增結構的真空管的MTF特性的示意圖；為了下面具體實施方式
的清楚，所有類似的部件以相同的參考標號標注。
具體實施方式
圖1以橫斷面原理性地示出諸如圖像增強器的真空管的示例。該圖像增強管包括具有入口或陰極窗2 (entrance or cathode window)以及探測或陽極窗3 (detection or anode window)的管狀外殼I (tubular housing)。該外殼可如同陰極窗和陽極窗一樣由玻璃制成。而探測窗3 (detection window)還常為光纖板或構造為閃爍屏或閃爍屏或像素化的元素數(shù)組(諸如半導體有源像素陣列)。如果陰極和可能是陽極在外殼中例如通過使用分離的載流子以絕緣的方式布置，該外殼也可由金屬制成。
如果該圖像增強器設計用于接收X射線，陰極窗可由薄金屬制成。但陽極窗可為透光的。陰極4 (cathode)還可在通道板6 (channel plate)的輸入面7 (input face) 上直接提供。所有這些變量本身已公知，所以沒有更詳細示出。
在顯示的示例中，實際陰極4在入口窗2的內側并在入射光或X射線(在圖1 一 5 中標以“h. V”)的影響下發(fā)射電子。該發(fā)射的電子在電場(圖未示)的影響下向著分布在探測窗3內側的陽極5 (anode)的方向以公知的方式推進。
本實施例中構造為延伸大約平行于陰極4和陽極5的微通道板6(micro channel plate) (MCP)的電子倍增結構位于陰極和陽極之間?？删哂腥?_12 μ m直徑的大量管狀通道延伸于面向入口窗2 (陰極4)的通道板的輸入面7和面向探測面3 (陽極5)通道板的輸出面 8 (output face)之間。
如在已知圖像增強器導言部分所述，使用微通道板和附加的熒光層實現(xiàn)電子增益。次級發(fā)射效應增加了電子數(shù)目，并且使用施加于通道板輸入面和輸出面之間的附加電壓勢差在微通道板內加速初級電子和次級電子。在輸出面離開通道板后，這些電子(初級電子和次級電子)向著陽極/熒光層加速，在陽極/熒光層，電子電流轉換成光子圖像信號以進一步處理。
如上述規(guī)定，使用微通道板引起關于圖像質量、生產復雜性以及額外需求電子的諸多缺點，諸如用于越過通道板的輸入面和輸出面施加高電壓勢差的裝置，以導致電子的有效加速，并因此通過使用微通道板材料中的發(fā)射效應增加次級電子的產生。
在已知增強真空管設備中，增益以三個分離的階段獲得。首先，有沖擊光子在光陰極層2產生初級電子的機制。這些自由電子向著發(fā)生二次倍增現(xiàn)象的微通道板6加速來自于光陰極的初級電子沖擊微通道板材料并產生次級電子。初級和次級電子向著陽極3加速，該陽極3具有熒光層，其中電子電流轉換為光子信號，讀取該光信號用于進一步處理。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種新型電子倍增原理，其具有一當合并到設備中一就尺寸而言非常緊湊的結構，就施加的電壓勢差而言需要更少復雜電子的改進的S/N率，以及其適合于在非常潔凈的工業(yè)潔凈室處理步驟下的大規(guī)模生產。
圖2中公開了這樣的電子倍增結構的實施例。
圖2中用參考數(shù)字70表示了該新型電子倍增結構，并且根據(jù)本發(fā)明該電子倍增結構70 (electron multiplying structure)至少由實現(xiàn)為薄單晶或多晶金剛石膜或鄰近的納米金剛石粒子涂層并直接貼在探測窗的半導體材料層71 (sem1-conductor layer)組成。該半導體層71以這樣的方式貼在探測窗3上以致于能從半導體層71向探測窗3輸運電子。通過倍增結構70上的沖擊粒子，如電子， 從半導體層71向上直到探測窗3形成電子空穴對。從這些電子空穴對，許多電子，甚至于到成百個，通過半導體層71輸運到探測窗3。 這樣在現(xiàn)有技術的電子倍增結構中實現(xiàn)更高的二次電子產率。
更具體地，該電子倍增結構由具有至少2eV帶隙的材料層組成。
在根據(jù)本發(fā)明的電子倍增結構70中，新增益機制發(fā)生在半導體材料層。由于單個光子沖擊陰極而在光陰極形成的單個電子空穴對可導致數(shù)百個次級電子的產生，特別當半導體材料中的電子空穴對的再結合壽命與常規(guī)多通道板中例如硅相比非常長時。
在圖3a_3c中多個實施例公開了根據(jù)本發(fā)明的新型電子倍增原理。在這些圖中， 參考數(shù)字71表示可實現(xiàn)為薄單晶或多晶金剛石膜或納米金剛石粒子涂層的半導體材料層 71。
在圖3a的實施例中，兩個線狀電極76-78 (electrodes)連接到適合的電壓源75 (voltage supply)。該線狀電極76_78可容納在半導體材料層71的一個面上。如在圖2實施例中，由于光子沖擊到結構70所形成的電子空穴對在半導體材料層71中產生了新增益機制。所形成的電子空穴對將使得半導體材料71在等于所形成的載流子壽命的時間內局部導電。在這個導電期間，在兩個電極76-78之間通過半導體材料71輸運電子是可能的。
根據(jù)該新型電子倍增原理，該電子導電增益等于每個入射粒子可通過半導體材料輸運的電子的數(shù)目。至此，在半導體材料層71上如參考數(shù)字76和78所示安裝了導電電極。
當沒有沖擊粒子進入電子倍增結構70的輸入面，通過電壓源75施加的電壓將在兩個電極76-78之間僅產生很小的漏電流。
如果具有充足能量以形成一個或多個電子空穴對的初級粒子碰撞兩個電極76-78 之間的半導體材料，該半導體材料71在等于所形成的載流子壽命的期間變成可導電的。電流將在電極76-78之間流動，并且取決于選擇的正確材料，該導電電流可大大高于碰撞初級粒子。該電子導電增益等于電極76-78之間通過該材料輸運的電子數(shù)目，并且其還依賴于兩個電極之間的距離。
—種合適的半導體材料71看來是金剛石，其可用于不同的實施方式，諸如單晶、 多晶、納米粒子金剛石、金剛石狀碳、或石墨烯的涂層形式的納米晶。還可使用象氮化鋁、氮化鎵或氮化硼的其他II1-V族或I1-1V晶體結構。
在圖3a和3b中公開了操作為導電增益放大器的電子倍增結構70的兩個實施例， 展示了所謂的兩維結構。在圖3a和3b的實施例中，電極76-78位于半導體材料層71的同一面上。
在圖3a中，兩個線狀或方塊狀電極76-78在兩個電極之間的區(qū)域分布在彼此旁邊。在圖3b中公布了合并更高靈敏面積的改進實施例，該圖中電極76-78為所謂交織在一起的電極，其中每個電極76-78分別具有多個腿76a-76b-76c和78a_78b，它們交織在一起。
圖3c中公開了一個改進實施例，其中公開了所謂三維電子倍增結構。在該實施例中，電子電流通過半導體層從陰極面(電極76位于其上)向電極78位于其上的陽極面?zhèn)鲗?。在該實施例中，對于正確的操作，半導體層71的厚度是重要的，其厚度典型為50nm和 100 μ m之間。
雖然在圖3c中，電子倍增結構70陰極面之上的電極76構造為薄板狀電極，其他配置諸如砂或薄金屬層、薄半導體層或為了阻止對沖擊電子倍增結構70的輸入面的初級粒子的任何阻礙而向半導體材料71中施加的摻雜。
陽極電極78接收通過半導體材料71的電子增益電流并流出設備外用于進一步處理。
還在這個實施例中，陽極電極78可制造為導體或半導體材料的連續(xù)層，或形狀為砂或像素大小層或具有負電子親和力，從半導體材料71回向真空環(huán)境內再發(fā)射電子。為了實現(xiàn)后者的實施例，陽極層78可由堿金屬組成，優(yōu)選地包含銫。
圖4中公開了電子倍增結構實現(xiàn)為真空管的另一個實施例。
圖4中用參考數(shù)字70顯示了該新型電子倍增應用結構，并根據(jù)本發(fā)明該電子倍增結構70至少由半導體材料層71組成，該半導體材料層可實現(xiàn)為單晶或多晶金剛石膜。
此外，該電子倍增結構70包括有機發(fā)光二極管層72，在該有機發(fā)光二極管層72上分布半導體材料層。該有機發(fā)光二極管層72將離開半導體層71的對應于放大電子電流的電信號變換為可見光。該可見光信號通過有機發(fā)光設備層72向陽極5傳遞。
當半導體材料層71和有機發(fā)光二極管層72安裝到真空管的陽極3時，由此可獲得就生產工藝步驟而言具有有限結構尺寸以及導致更簡單構造的簡化結構。優(yōu)選地，該陽極層3可構造為銦一錫一氧化物層。
如圖5中所清楚描述，電子倍增機構70包括電場產生裝置75-76-77 (electric field generating means)以用于在電子倍增結構70的輸入面和輸出面之間產生電場。
在半導體材料層71上分布小傳輸電極76 (small transmission electrodes)的一個樣式，該小傳輸電極76的樣式與電壓勢源75節(jié)點連接，而陽極3與該電壓勢源75的其他節(jié)點連接。在半導體層71和有機發(fā)光二極管層72之間分布一金屬像素結構77 (metal pixel structure),其與孔結構樣式的小傳輸電極76 —致,該小傳輸電極76分布在電子倍增結構/半導體材料層71的輸入面上。為了不會反向影響MTF，該金屬像素結構77的像素大小應盡可能小。優(yōu)選地,該像素大小是2x2微米。像素77之間的間隙78 (gap)應使用不透間隙填充物填充以避免從有機發(fā)光二極管層72向光陰極2的光反饋。
使用電壓勢源75 (voltage potential supply)施加在傳輸電極76和陽極3之間的電壓用作增益控制機制。與使用于傳統(tǒng)真空管中的高勢電壓源相反，該電壓勢源75是一個有限結構并且能僅提供中等電壓勢(500-2000伏)和/或地電壓勢(10-100伏)。這不會反向影響半導體材料層中的電子增益機制，而進一步減少了設備結構尺寸和其價格。當 GaAs用作光陰極材料時，可獲得改進的S/N比率，其可與公知的EBCMOS設備相比擬。
根據(jù)本發(fā)明使用電子倍增結構使得真空管結構具有很小的外殼以及幾個毫伏的很低功耗。
由于沒有如業(yè)界設備中的普通微通道板，根據(jù)本發(fā)明的電子倍增結構70具有如圖6所示的有效改進MTF。
清楚的是，通過該新型電子倍增結構可獲得改進增益原理，其可實現(xiàn)為諸如電子轟擊CMOS發(fā)射器、光電倍增管等。
權利要求
1.用于使用電子倍增的真空管的電子倍增結構(70)，所述電子倍增結構(70)包括旨在取向為與真空管的進入窗成面向關系的輸入面，旨在取向為與真空管的探測面成面向關系的輸出面，其中所述電子倍增結構至少包括半導體材料層，其特征在于，所述半導體層鄰近于真空管的所述探測面。
2.如權利要求1所述的電子倍增結構，其特征在于，所述半導體材料層具有至少2eV的帶隙。
3.如權利要求1或2所述的電子倍增結構，其特征在于，所述半導體材料層包括至少一個取自于化學元素周期表II1-V族或I1-VI族的化合物。
4.如權利要求1或2所述的電子倍增結構，其特征在于，所述半導體材料層包括金剛石狀材料層、單晶金剛石膜、多晶金剛石膜和納米金剛石膜組中的任意一種。
5.如權利要求4所述的電子倍增結構，其特征在于，所述金剛石狀材料層實現(xiàn)為納米粒子金剛石、金剛石狀碳或石墨烯的涂層。
6.如前述權利要求中任一項所述的電子倍增結構，其特征在于，所述電子倍增結構包括電致發(fā)光材料，在所述電致發(fā)光材料上分布有所述半導體材料層。
7.如權利要求6所述的電子倍增結構，其特征在于，所述電致發(fā)光結構為有機發(fā)光層。
8.如權利要求6或7所述的電子倍增結構，其特征在于，所述電子倍增結構包括陽極層，在所述陽極層上分布有所述有機發(fā)光層。
9.如權利要求8所述的電子倍增結構，其特征在于，所述陽極層構造為銦-錫-氧化物層。
10.如前述權利要求中任一項所述的電子倍增結構，其特征在于，所述電子倍增結構包括電場產生裝置，用于產生越過所述半導體材料層的電場。
11.如權利要求1至9任一項所述的電子倍增結構，其特征在于，所述電子倍增結構包括電場產生裝置，用于產生越過所述半導體材料層和探測面的電場。
12.如權利要求10或11所述的電子倍增結構，其特征在于，所述半導體材料層具有分布于所述電子倍增結構的輸入面上的電極樣式。
13.如權利要求10至12任一項所述的電子倍增結構，其特征在于，在所述半導體材料層和所述有機發(fā)光層之間分布有金屬像素結構。
14.如權利要求8所述的電子倍增結構，其特征在于，所述金屬像素結構的像素之間用具有光不透特性填充材料填充。
15.一種用作電子倍增器的真空管，其特征在于，至少具有根據(jù)前述任一項權利要求所述的電子倍增結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于使用電子倍增的真空管中的電子倍增結構以及具有該電子倍增結構的使用電子倍增的真空管。根據(jù)本發(fā)明，提出了用于使用電子倍增的真空管的電子倍增結構，所述電子倍增結構包括旨在取向為與真空管的進入窗成面向關系的輸入面，旨在取向為與真空管的探測面成面向關系的輸出面，其中所述電子倍增結構至少包括鄰近于探測窗的半導體材料層。
文檔編號H01J31/50GK103026449SQ201180026584
公開日2013年4月3日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者格特·努特則, 帕斯卡爾·拉烏特, 理查德·杰克曼 申請人:福托尼斯法國公司