用于使用电子倍增的真空管的电子倍增结构以及具有该电子倍增结构的使用电子倍增的真空管

摘要

本发明涉及用于使用电子倍增的真空管中的电子倍增结构以及具有该电子倍增结构的使用电子倍增的真空管。根据本发明，提出了用于使用电子倍增的真空管的电子倍增结构，所述电子倍增结构包括旨在取向为与真空管的进入窗成面向关系的输入面，旨在取向为与真空管的探测面成面向关系的输出面，其中所述电子倍增结构至少包括邻近于探测窗的半导体材料层。

说明书

技术领域

本发明涉及使用电子倍增的真空管的电子倍增结构。

本发明还涉及具有该电子倍增结构的使用电子倍增的真空管。

请注意本申请中使用电子倍增的真空管结构包括－除其他之外－图像增强管设备、敞面电子倍增器、通道倍增器、微通道板、以及象图像增强器的封装设备和合并元件或象分立倍增器电极的子组件的光电倍增管、使用如增益机制的二次发射现象的微通道板。这样的真空管在业界已公知。它们包括阴极，该阴极在诸如可见光或X射线的入射辐射影响之下发射所谓的光电子，这些光电子在电场的影响下向着阳极移动。打到阳极的电子构成了信息信号，该信号由合适的处理装置做进一步处理。 

背景技术

在现代图像增强管中，电子倍增结构，主要是微通道板或MCP，位于阴极和阳极之间以增加图形强化。在电子倍增结构构建为通道板的情况下，该通道板包括一叠中空管，即延伸于输入面和输出面之间的中空玻璃纤维。在通道板的输入面和输出面之间施加（电压）势差，使得在输入面进入通道的电子朝着输出面的方向移动，在该位移中，次级发射效应增加了电子的数目。从通道板的输出面离开后，这些电子（初级电子和次级电子）朝着阳极的方向以通常的方式得到加速。

就结构尺寸、使用高电压电位用于向阳极引导初级和次级电子的功耗以及图像质量而言，使用微通道板具有一些缺点。

诸如US 2005/0104527 A1公开结构的现有电子倍增结构使用包含用于次级电子发射的金刚石的层，其中该金刚石包含层向探测窗发射电子进入真空。用于次级电子发射的这样的金刚石包含层具有相对低的次级发射率，该次级发射率是每个入射粒子发射的次级电子的数量。 

发明内容

本发明的目的是提供一种新型电子倍增原理，其具有就结构尺寸而言提高的性能、更简单的结构、电源装置显著更低鲁棒的结构、对磁场更低的敏感性、以及改进的S/N特性。

本发明的另一具体目的是提供一种具有增加的次级发射率的新型电子倍增原理。

根据本发明，提出了使用电子倍增的用于真空管的电子倍增结构。该电子倍增结构包括旨在取向为与真空管的进入窗成面向关系的输入面。其还包括旨在取向为与真空管的探测面成面向关系的输出面。该电子倍增结构至少由与真空管探测面邻近的半导体材料层组成。

当由半导体材料层组成的这样的电子倍增结构与有足够能量的粒子（例如电子或其他诸如离子的粒子）碰撞时，该粒子将形成电子空穴对，以致于该半导体材料层在等于电子空穴对的寿命的时间中变成局部导电。

通过这个机制，在该导电期间内通过半导体材料层“输运”电子是可能的。该“电子导电增益”等于每个入射带电粒子通过材料层可输运电子的数目。半导体材料层上的每个感应粒子可形成允许通过半导体层的许多电子的输运的电子空穴对。可实现强大的增益，并且象传统晶体管一样，该感应粒子可与晶体管的漏极电流比拟，由此从集电极流到发射极的电流被漏极的电流放大。半导体层上的单个感应粒子在本发明最简单的实施例中激发若干个电子通过半导体层的输运。对于每个入射粒子，从半导体层发射大量次级电子，因此可实现高的次级发射率。

优选地，该半导体材料层具有至少2eV的带隙，其中在另一个优选实施例中，所述半导体材料层包括至少一个化学元素周期表中的III-V族或II-VI族化合物。合适的化合物为氮化铝、氮化镓或氮化硼。碳化硅也是合适的化合物以用于根据本发明的电子倍增结构。

在又一个有利的实施例中，所述半导体材料层是金刚石状材料层，该金刚石状材料层可实现为单晶金刚石膜、多晶金刚石膜、纳米金刚石膜，或纳米颗粒金刚石、金刚石状碳或石墨烯的涂层。

当半导体材料层现正与具有足够能量的初级带电粒子碰撞以形成一个或多个电子空穴对时，该材料变成在等于载流子寿命时间的期间内导电。结果在电极之间电流将流过。当材料选择正确时，导电电流将比带电粒子的碰撞初级电流大很多。该“电子导电增益”等于每个入射带电粒子通过半导体材料层输运的电子的数目。

为了从该效应中获益，电子倍增结构包括用于产生越过该半导体材料层的电场的电场产生装置。当没有碰撞带电粒子时，该施加的电压将仅产生很小的漏电流。

但是，对于每一个入射粒子，通过半导体材料层输运若干个电子，这甚至可导致每个入射粒子的数百个电子的增益。越过半导体材料层施加的电场将进一步增强该半导体层晶体管状的功能。更强的电场可导致更高的增益。

当越过半导体材料层以及探测面施加电场时，仍可从该效应中受益。在这样的实施例中，存在电子到探测面中的增强输运。

在第一实施例中，半导体材料层具备分布于电子倍增结构输入面的电极样式，其中该电极样式彼此相邻分布。

又一个实施例中，每个电极具备在相应电极腿之间延伸的至少两个电极腿。

在又一个实施例中，所述电极样式分布于电子倍增结构的输入面和输出面上。

在改进实施例中，该电子倍增结构包括有机发光二极管层，在该有机发光二极管层之上分布材料层。有机发光二极管层的功能作为一个非常高效率的光发射器，进一步限制设备的功耗。

在再一个实施例中该电子倍增结构包括阳极层，在该阳极层上分布有机发光二极管层，这样可实现根据本发明设备的简单生产。该构架不仅提供结构尺寸的进一步削减，而且简化了适合于大规模生产的生产工艺步骤。

在一个实施例中，该阳极层可构造为铟-锡-氧化物层。

优选地，在半导体材料层和有机发光二极管层之间分布金属像素结构，其金属像素结构的像素尺寸为1x1 μm到20x20 μm。

为了提高电子倍增结构的MTF特性，金属像素结构的像素间隙用具有光不透特性的填充材料来填充。

此外，半导体材料层具有50nm和100μm之间的厚度。

为了进一步减少真空管的结构尺寸，在优选实施例中，电子倍增结构安装在真空管的探测面上。

附图说明

将在以下参考附图中更详细描述本发明，这些附图是：

图1是根据现有技术具有电子倍增结构的真空管；

图2是根据本发明具有电子倍增结构的使用电子倍增的真空管的第一实施例；

图3a-3c是图2真空管的更详细实施例；

图4是根据本发明具有电子倍增结构的使用电子倍增的真空管的另一实施例；

图5是图4真空管的更详细实施例；

图6示出描述根据现有技术和本发明具有电子倍增结构的真空管的MTF特性的示意图；

为了下面具体实施方式的清楚，所有类似的部件以相同的参考标号标注。

具体实施方式

图1以横断面原理性地示出诸如图像增强器的真空管的示例。该图像增强管包括具有入口或阴极窗2（entrance or cathode window）以及探测或阳极窗3（detection or anode window）的管状外壳1（tubular housing）。该外壳可如同阴极窗和阳极窗一样由玻璃制成。而探测窗3（detection window）还常为光纤板或构造为闪烁屏或闪烁屏或像素化的元素数组（诸如半导体有源像素阵列）。如果阴极和可能是阳极在外壳中例如通过使用分离的载流子以绝缘的方式布置，该外壳也可由金属制成。

如果该图像增强器设计用于接收X射线，阴极窗可由薄金属制成。但阳极窗可为透光的。阴极4（cathode）还可在通道板6（channel plate）的输入面7（input face）上直接提供。所有这些变量本身已公知，所以没有更详细示出。

在显示的示例中，实际阴极4在入口窗2的内侧并在入射光或X射线（在图1－5中标以“h.v”）的影响下发射电子。该发射的电子在电场（图未示）的影响下向着分布在探测窗3内侧的阳极5（anode）的方向以公知的方式推进。

本实施例中构造为延伸大约平行于阴极4和阳极5的微通道板6（micro channel plate）（MCP）的电子倍增结构位于阴极和阳极之间。可具有如4-12μm直径的大量管状通道延伸于面向入口窗2（阴极4）的通道板的输入面7和面向探测面3（阳极5）通道板的输出面8（output face）之间。

如在已知图像增强器导言部分所述，使用微通道板和附加的荧光层实现电子增益。次级发射效应增加了电子数目，并且使用施加于通道板输入面和输出面之间的附加电压势差在微通道板内加速初级电子和次级电子。在输出面离开通道板后，这些电子（初级电子和次级电子）向着阳极/荧光层加速，在阳极/荧光层，电子电流转换成光子图像信号以进一步处理。

如上述规定，使用微通道板引起关于图像质量、生产复杂性以及额外需求电子的诸多缺点，诸如用于越过通道板的输入面和输出面施加高电压势差的装置，以导致电子的有效加速，并因此通过使用微通道板材料中的发射效应增加次级电子的产生。

在已知增强真空管设备中，增益以三个分离的阶段获得。首先，有冲击光子在光阴极层2产生初级电子的机制。这些自由电子向着发生二次倍增现象的微通道板6加速：来自于光阴极的初级电子冲击微通道板材料并产生次级电子。初级和次级电子向着阳极3加速，该阳极3具有荧光层，其中电子电流转换为光子信号，读取该光信号用于进一步处理。

根据本发明，提出了一种新型电子倍增原理，其具有－当合并到设备中－就尺寸而言非常紧凑的结构，就施加的电压势差而言需要更少复杂电子的改进的S/N率，以及其适合于在非常洁净的工业洁净室处理步骤下的大规模生产。

图2中公开了这样的电子倍增结构的实施例。

图2中用参考数字70表示了该新型电子倍增结构，并且根据本发明该电子倍增结构70（electron multiplying structure）至少由实现为薄单晶或多晶金刚石膜或邻近的纳米金刚石粒子涂层并直接贴在探测窗的半导体材料层71 （semi-conductor layer）组成。该半导体层71以这样的方式贴在探测窗3上以致于能从半导体层71向探测窗3输运电子。通过倍增结构70上的冲击粒子，如电子，从半导体层71向上直到探测窗3形成电子空穴对。从这些电子空穴对，许多电子，甚至于到成百个，通过半导体层71输运到探测窗3。这样在现有技术的电子倍增结构中实现更高的二次电子产率。

更具体地，该电子倍增结构由具有至少2eV带隙的材料层组成。

在根据本发明的电子倍增结构70中，新增益机制发生在半导体材料层。由于单个光子冲击阴极而在光阴极形成的单个电子空穴对可导致数百个次级电子的产生，特别当半导体材料中的电子空穴对的再结合寿命与常规多通道板中例如硅相比非常长时。

在图3a-3c中多个实施例公开了根据本发明的新型电子倍增原理。在这些图中，参考数字71表示可实现为薄单晶或多晶金刚石膜或纳米金刚石粒子涂层的半导体材料层71。

在图3a的实施例中，两个线状电极76-78 （electrodes）连接到适合的电压源75 （voltage supply）。该线状电极76-78可容纳在半导体材料层71的一个面上。如在图2实施例中，由于光子冲击到结构70所形成的电子空穴对在半导体材料层71中产生了新增益机制。所形成的电子空穴对将使得半导体材料71在等于所形成的载流子寿命的时间内局部导电。在这个导电期间，在两个电极76-78之间通过半导体材料71输运电子是可能的。

根据该新型电子倍增原理，该电子导电增益等于每个入射粒子可通过半导体材料输运的电子的数目。至此，在半导体材料层71上如参考数字76和78所示安装了导电电极。

当没有冲击粒子进入电子倍增结构70的输入面，通过电压源75施加的电压将在两个电极76-78之间仅产生很小的漏电流。

如果具有充足能量以形成一个或多个电子空穴对的初级粒子碰撞两个电极76-78之间的半导体材料，该半导体材料71在等于所形成的载流子寿命的期间变成可导电的。电流将在电极76-78之间流动，并且取决于选择的正确材料，该导电电流可大大高于碰撞初级粒子。该电子导电增益等于电极76-78之间通过该材料输运的电子数目，并且其还依赖于两个电极之间的距离。

一种合适的半导体材料71看来是金刚石，其可用于不同的实施方式，诸如单晶、多晶、纳米粒子金刚石、金刚石状碳、或石墨烯的涂层形式的纳米晶。还可使用象氮化铝、氮化镓或氮化硼的其他III-V族或II-IV晶体结构。

在图3a和3b中公开了操作为导电增益放大器的电子倍增结构70的两个实施例，展示了所谓的两维结构。在图3a和3b的实施例中，电极76-78位于半导体材料层71的同一面上。

在图3a中，两个线状或方块状电极76-78在两个电极之间的区域分布在彼此旁边。在图3b中公布了合并更高灵敏面积的改进实施例，该图中电极76-78为所谓交织在一起的电极，其中每个电极76-78分别具有多个腿76a-76b-76c和78a-78b，它们交织在一起。

图3c中公开了一个改进实施例，其中公开了所谓三维电子倍增结构。在该实施例中，电子电流通过半导体层从阴极面（电极76位于其上）向电极78位于其上的阳极面传导。在该实施例中，对于正确的操作，半导体层71的厚度是重要的，其厚度典型为50nm和100μm之间。

虽然在图3c中，电子倍增结构70阴极面之上的电极76构造为薄板状电极，其他配置诸如砂或薄金属层、薄半导体层或为了阻止对冲击电子倍增结构70的输入面的初级粒子的任何阻碍而向半导体材料71中施加的掺杂。

阳极电极78接收通过半导体材料71的电子增益电流并流出设备外用于进一步处理。

还在这个实施例中，阳极电极78可制造为导体或半导体材料的连续层，或形状为砂或像素大小层或具有负电子亲和力，从半导体材料71回向真空环境内再发射电子。为了实现后者的实施例，阳极层78可由碱金属组成，优选地包含铯。

图4中公开了电子倍增结构实现为真空管的另一个实施例。

图4中用参考数字70显示了该新型电子倍增应用结构，并根据本发明该电子倍增结构70至少由半导体材料层71组成，该半导体材料层可实现为单晶或多晶金刚石膜。

此外，该电子倍增结构70包括有机发光二极管层72，在该有机发光二极管层72上分布半导体材料层。该有机发光二极管层72将离开半导体层71的对应于放大电子电流的电信号变换为可见光。该可见光信号通过有机发光设备层72向阳极5传递。

当半导体材料层71和有机发光二极管层72安装到真空管的阳极3时，由此可获得就生产工艺步骤而言具有有限结构尺寸以及导致更简单构造的简化结构。优选地，该阳极层3可构造为铟－锡－氧化物层。

如图5中所清楚描述，电子倍增机构70包括电场产生装置75-76-77（electric field generating means）以用于在电子倍增结构70的输入面和输出面之间产生电场。

在半导体材料层71上分布小传输电极76（small transmission electrodes）的一个样式，该小传输电极76的样式与电压势源75节点连接，而阳极3与该电压势源75的其他节点连接。在半导体层71和有机发光二极管层72之间分布一金属像素结构77（metal pixel structure），其与孔结构样式的小传输电极76一致，该小传输电极76分布在电子倍增结构/半导体材料层71的输入面上。为了不会反向影响MTF，该金属像素结构77的像素大小应尽可能小。优选地，该像素大小是2x2微米。像素77之间的间隙78（gap）应使用不透间隙填充物填充以避免从有机发光二极管层72向光阴极2的光反馈。

使用电压势源75（voltage potential supply）施加在传输电极76和阳极3之间的电压用作增益控制机制。与使用于传统真空管中的高势电压源相反，该电压势源75是一个有限结构并且能仅提供中等电压势（500-2000伏）和/或地电压势（10-100伏）。这不会反向影响半导体材料层中的电子增益机制，而进一步减少了设备结构尺寸和其价格。当GaAs用作光阴极材料时，可获得改进的S/N比率，其可与公知的EBCMOS设备相比拟。

根据本发明使用电子倍增结构使得真空管结构具有很小的外壳以及几个毫伏的很低功耗。

由于没有如业界设备中的普通微通道板，根据本发明的电子倍增结构70具有如图6所示的有效改进MTF。

清楚的是，通过该新型电子倍增结构可获得改进增益原理，其可实现为诸如电子轰击CMOS发射器、光电倍增管等。