CN111081809B - 一种高灵敏度的x射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的X射线探测器，包括X射线探测元器件和冷阴极真空二极管，所述X射线探测元器件包括所述光电导体，制备在所述光电导体两侧的第一阳极电极和第一阴极电极，所述光电导体的厚度为0.1～5000μm，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联。本发明将光电导体设置在X射线探测元器件上，避免冷阴极发射体发射的电子直接轰击光电导体，从而提高X射线探测器的工作电压和灵敏度。

Description

一种高灵敏度的X射线探测器

技术领域

本发明涉及X射线探测器领域，更具体地，涉及一种高灵敏度的X射线探测器。

背景技术

X射线探测器件在医学诊断、安全检查、工业无损检测、核电站、环境放射性检测和科学研究等领域具有广泛的应用。在X射线探测器中，灵敏度随着电压的升高而升高。例如，Pan等人制备了一个钙钛矿X射线探测器，发现在1V偏压下的探测灵敏度为8μCGy_air ^-1cm^-2，而在50V偏压下的灵敏度为105μCGy_air ^-1cm^-2(W.Pan,et al,Nature Photonics,11,726(2017))。但是，随着电压的升高，探测器容易由于发热等效应产生暗电流大、电流不稳定和电流击穿等现象，从而限制了器件的灵敏度的进一步提高。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高灵敏度的X射线探测器，提高探测器的工作电压，以及在高压下提高光电流。

本发明采用以下技术方案来解决现有技术的问题：

一种高灵敏度的X射线探测器，包括X射线探测元器件和冷阴极真空二极管，所述冷阴极真空二极管包括阳极基板和阴极基板；所述阳极基板包括阳极衬底和第二阳极电极，所述第二阳极电极设置于所述阳极衬底上；所述阴极基板包括阴极衬底、第二阴极电极和纳米线冷阴极发射体，所述第二阴极电极设置于所述阴极衬底上、所述纳米线冷阴极发射体设置于所述第二阴极电极上；所述阴极基板和所述阳极基板通过隔离体相互绝缘的固定在一起；所述第二阳极电极与所述纳米线冷阴极发射体相对设置，所述阳极基板和阴极基板之间保持真空间隙，所述X射线探测元器件包括所述光电导体，制备在所述光电导体两侧的第一阳极电极和第一阴极电极，所述光电导体的厚度为0.1～5000μm，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联。

所述光电导体的厚度为0.1～5000μm。光电导体的厚度小于0.1μm，对X射线吸收不够；光电导体的厚度大于5000μm，光信号难以收集，探测灵敏度低。

利用冷阴极真空二极管的真空间隙有效降低X射线探测器的暗电流，提高探测器的工作电压，可以在高压下实现较大的光电流，从而可以实现高灵敏度探测。

通过将冷阴极真空二极管与X射线探测元器件串联在一起，一方面，利用冷阴极真空二极管的真空间隙有效降低X射线探测器的暗电流；另一方面，X射线探测器的光电导体在高压下会发生电流波动和电流击穿，由于冷阴极真空二极管存在真空间隙，其等效电阻大，工作在高压下时，冷阴极真空二极管的等效高电阻能够调节突然升高的电流回到正常值，从而防止X射线探测器的电流波动和电流击穿，达到电流自调节功能，防止探测器在高电流下的损毁。

原理是：使用光电导体将X射线转换成电信号，再通过冷阴极真空二极管将电信号读取出来。将光电导体集成在X射线探测元器件上，避免冷阴极发射体发射的电子直接轰击光电导体，从而对光电导体造成损毁。

进一步地，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联的方式为，所述X射线探测元器件的阳极电极接电压源，所述X射线探测元器件的阴极电极与冷阴极真空二极管的阳极电极相连，冷阴极真空二极管的阴极电极与电流表相连。

进一步地，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联的方式为，冷阴极真空二极管的阳极电极接电压源，冷阴极真空二极管的阴极电极与X射线探测元器件的阳极电极串联，X射线探测元器件的阴极电极与电流表相连。

进一步地，所述光电导体为高原子序数光电导体或宽禁带光电导体或雪崩光电导体。

上述光电导体在X射线照射下产生电子空穴对，电子空穴对产生能低，是良好的探测光电导体。利用冷阴极真空二极管可提高X射线探测器工作电压的特性，电子空穴对在高压下获得较高的能量，与光电导体的晶格发生碰撞电离，产生雪崩效应，从而极大地提高探测器光电流和灵敏度。所述光电导体为a-Se、CdTe、HgI₂、PbI₂、PbO、钙钛矿、Ga₂O₃中的一个或者两个以上的组合。

进一步地，还包括制备在所述光电导体上的P-N结结构。P-N结之间的耗尽层受到X射线的照射时，产生电子空穴对，在高反向电压的作用下，光生载流子获得高能量，光生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，从而获得高灵敏度X射线探测器。

进一步地，所述P-N结结构包括p-Si/n-Ga₂O₃、p-Se/n-CdO、p-CdTe/n-CdS、p-PbO/n-PbO、p-Si/n-Ga₂O₃。P型半导体的费米能级靠近价带顶，N型半导体的费米能级靠近导带低，只要制备工艺成熟，任何两种P型半导体和N型半导体都可以形成PN结。

进一步地，所述P-N结结构中，N型半导体一侧制备所述第一阳极电极，P型半导体一侧制备所述第一阴极电极。PN方向是正偏压，NP方向是反偏压。只有反偏压才能承受较大电压，实现雪崩效应。

进一步地，所述纳米线冷阴极发射体为氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛纳米线或者氧化锡纳米线。纳米线冷阴极可实现大面积制备，上述纳米线是能稳定发射电子的半导体纳米线。

进一步地，所述隔离体的高度为50～1000μm。

进一步地，所述真空间隙的真空度为10^-7～10^-3Pa。

本发明可用于非成像领域，如核电站附近的环境监测，使用探测器探测周边环境是否含有X射线，灵敏度越高越好，能够有效防止X射线对人体的伤害。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在高压下，电压快速降落在冷阴极真空二极管上，本发明将光电导体设置在X射线探测元器件上，避免冷阴极发射体发射的电子直接轰击光电导体。

本发明的一种高灵敏度的X射线探测器，通过将冷阴极真空二极管与X射线探测元器件串联在一起，利用冷阴极真空二极管的真空间隙有效降低X射线探测器的暗电流以及有效防止器件的电流波动和电流击穿，能够在高压下实现较大的光电流，从而提高X射线探测器的工作电压和灵敏度。

另外，冷阴极真空二极管除了能够承受较大的工作电压外，还能够对探测器电流产生自调节作用，当雪崩效应发生时，电压快速降落在冷阴极真空二极管上，避免冷阴极发射体发射的电子直接轰击光电导体，使得器件不受损毁，从而有效地利用高压下的雪崩倍增效应实现高灵敏度探测。

附图说明

图1为X射线探测器结构和电路示意图；

图2为ZnO纳米线冷阴极发射体表面形貌；

图3为HgI₂光电导体在黑暗环境和X射线照射下的电压电流曲线；

图4为HgI₂光电导体与ZnO纳米线冷阴极真空二极管串联的X射线探测器在黑暗环境和X射线照射下的电压电流曲线；

图5为Ga₂O₃光电导体在黑暗环境和X射线照射下的电压电流曲线；

图6为Ga₂O₃光电导体和ZnO纳米线冷阴极真空二极管串联的X射线探测器在黑暗环境和X射线照射下的电压电流曲线。

图7为集成光电导体和冷阴极的X射线探测器结构示意图；

附图标记说明

第一阳极电极1；光电导体2；X射线3；第一阴极电极4；阳极衬底5；第二阳极电极6；隔离体7；纳米线冷阴极发射体8；第二阴极电极9；阴极衬底10；对比例阳极衬底11；对比例阳极电极12；对比例光电导体13；对比例隔离体14；对比例栅极电极条15；对比例绝缘层16；对比例阴极电极条17；对比例阴极衬底18；对比例冷阴极发射体19。

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。

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高灵敏度X射线探测器的详细制备过程。图1是一种高灵敏度X射线探测器的结构和电路示意图，

一种高灵敏度的X射线探测器，包括X射线探测元器件和冷阴极真空二极管，所述X射线探测元器件包括所述光电导体2，制备在所述光电导体两侧的第一阳极电极1和第一阴极电极4，所述光电导体的厚度为0.1μm，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联。

所述冷阴极真空二极管包括阳极基板和阴极基板；所述阳极基板包括阳极衬底5和第二阳极电极6，所述第二阳极电极6设置于所述阳极衬底5上；所述阴极基板包括阴极衬底10、第二阴极电极9和纳米线冷阴极发射体8，所述第二阴极电极9设置于所述阴极衬底5上、所述纳米线冷阴极发射体8设置于所述第二阴极电极9上；所述阴极基板和所述阳极基板通过隔离体7相互绝缘的固定在一起；所述第二阳极电极9与所述纳米线冷阴极发射体8相对设置，所述阳极基板和阴极基板之间保持真空间隙，所述隔离体7的高度为500μm。

所述真空间隙的真空度为10^-5Pa。

其制备流程如下：

(1)制备X射线探测元器件。采用温差法从KI水溶液中制备单晶HgI₂的光电导体2，KI水溶液的浓度为0.1mol/L，溶解区和生长区的温度分别为65℃和60℃。通过切割得到厚度为0.1μm的单晶HgI₂的光电导体2。采用磁控溅射方法在HgI₂的光电导体2两面制备第一阳极电极1和第一阴极电极4，第一阳极电极1和第一阴极电极4的材料为ITO，电极有效面积为3.14mm²，镀膜功率为1.2KW，镀膜速率为14nm/min，厚度为200nm。

(2)制备冷阴极真空二极管的阳极基板。准备一块面积为12.5cm×9.5cm，厚度为3mm的玻璃阳极衬底5。使用磁控溅射技术在玻璃衬底表面镀上ITO电极作为第二阳极电极6，镀膜功率为1.2KW，镀膜速率为14nm/min，ITO电极厚度为500nm。

(3)制备冷阴极真空二极管的阴极基板。准备一块面积为12.5cm×9.5cm，厚度为3mm的阴极衬底10，阴极衬底10的材料为玻璃。使用磁控溅射技术在玻璃衬底表面镀上ITO电极作为第二阴极电极9，镀膜功率为1.2KW，镀膜速率为14nm/min，第二阴极电极9的厚度为500nm。采用热氧化方法在第二阴极电极9上生长ZnO纳米线冷阴极发射体8，冷阴极发射体有效面积为3.672cm²。ZnO纳米线的具体制备流程如下：首先通过光刻和电子束蒸发在阴极电极上制备Zn点阵，然后将Zn点阵在大气中加热生长ZnO纳米线，生长温度为500℃，生长时间为3小时。图2是ZnO纳米线冷阴极形貌图。ZnO纳米线的生长密度约为4×10⁸cm^-2，高度约为2～3μm，尖端直径约为20nm。

(4)制备冷阴极真空二极管。将阳极基板制备有第二阳极电极6的一侧和阴极基板制备有冷阴极发射体8的一侧通过隔离体7相互绝缘的固定在一起。隔离体7的材料为陶瓷片，隔离体高度为500μm。然后，把该器件放置在真空腔中或者进行真空封装，让阳极基板和阴极基板之间保持真空间隙，真空间隙的真空度为10^-5Pa。

(5)将X射线探测元器件与冷阴极真空二极管串联在一起。将第一阴极电极4接出引出线与第二阳极电极6相连。

(6)将第一阳极电极1接出引出线与外部电压源相连，将第二阴极电极9接出引出线与电流表相连。

本实施例中，首先实施步骤(1)，再将第一阳极电极1接出引出线与外部电压源相连，将第一阳极电极1接出引出线与电流表相连。图3显示了该器件在黑暗环境下和X射线3照射下的电流电压曲线，X射线剂量为2.8mGy_air/s。器件获得最大电压为130V，130V电压下的暗电流为1.3×10^-8A，而光电流为2.9×10^-7A。计算得到器件的灵敏度为3.1×10³μCGy_air ^-1cm^-2。

本实施例中，继续实施步骤(1)～(6)，得到器件在黑暗环境下和X射线3照射下的电流电压曲线如图4所示。器件获得最大电压为1200V，1200V电压下的暗电流为6.4×10^-8A，而光电流为6.7×10^-7A。计算得到器件的灵敏度为6.8×10³μCGy_air ^-1cm^-2。该现象说明了在X射线探测元器件串联冷阴极真空二极管时，可提高器件的工作电压，从而提高器件的光电流和探测灵敏度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于步骤(1)制备X射线探测元器件的差别，其他步骤与实施例1一致。X射线探测元器件具体制备流程如下：使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在蓝宝石衬底上制备单晶Ga₂O₃的光电导体2，前驱体为三乙基镓和高纯氧气，输运气体是氩气，生长气压是9.1Torr，生长温度为500℃范围内，Ga₂O₃光电导体有效面积为2英寸，厚度为2500μm。然后使用磁控溅射技术在Ga₂O₃光电导体表面两端制备第一阳极电极1和第一阴极电极4，第一阳极电极1和第一阴极电极4的材料为Au，镀膜速率为30nm/min，Au电极厚度为150nm，两端电极之间的有效面积为2×0.3cm²。

本实施例中，首先实施步骤(1)，再将第一阳极电极1接出引出线与外部电压源相连，将第一阳极电极1接出引出线与电流表相连。图5显示了该器件在黑暗环境下和X射线3照射下的电流电压曲线。器件最大电压为200V，200V电压下的暗电流为4.3×10^-10A，而光电流为7.9×10^-8A。计算得到器件的灵敏度为66μCGy_air ^-1cm^-2。

本实施例中，继续实施步骤(1)～(6)，得到器件在黑暗环境下和X射线3照射下的电流电压曲线如图6所示。器件获得最大电压为2500V，2500V电压下的暗电流为9.3×10^-9A，而光电流为6.6×10^-7A。计算得到器件的灵敏度为8.8×10²μCGy_air ^-1cm^-2。该现象说明了在X射线探测元器件串联冷阴极真空二极管时，可提高器件的工作电压，从而提高器件的光电流和探测灵敏度。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于步骤(1)制备X射线探测元器件的差别，其他步骤与实施例1一致。X射线探测元器件具体制备流程如下：使用电子束蒸发或者磁控溅射等真空镀膜设备在p型硅衬底上制备Ga₂O₃的光电导体2，Ga₂O₃的光电导体2有效面积为1×1cm²，厚度为5000μm，从而获得由p-Si和Ga₂O₃光电导体组成的光电导体2。然后使用磁控溅射技术在Ga₂O₃光电导体表面制备厚度为100nm的Ti/Au第一阳极电极1，使用磁控溅射技术在p型硅衬底背面制备厚度为100nm的Au第一阴极电极4。

本实施例中，继续实施步骤(1)～(6)，得到器件在黑暗环境下和X射线3照射下的电流电压数据。器件获得最大电压为2900V，2900V电压下的暗电流为8.2×10^-11A，而光电流为7.3×10^-6A。计算得到器件的灵敏度为7.6×10³μCGy_air ^-1cm^-2。该现象说明了在光电导体上形成的异质结可以在高压下实现雪崩增益。即p-Si和Ga₂O₃光电导体之间的耗尽层受到X射线的照射时，产生电子空穴对，在高反向电压的作用下，光生载流子获得高能量，光生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。

对比例1

本对比例用具体的例子来详细说明一种集成光电导体和冷阴极发射体的X射线探测器。如图7所示，本对比例的X射线探测器由对比例光电导体13、阳极基板和冷阴极基板组成，器件有效面积为1.28×0.96cm²。

光电导阳极基板由对比例阳极衬底11、对比例阳极电极12和对比例光电导体13组成。对比例阳极衬底11的材料为玻璃。首先采用磁控溅射方法在阳极玻璃衬底上制备对比例阳极电极12，对比例阳极电极12的材料为ITO，厚度为500nm；然后采用物理气相沉积技术在对比例阳极电极12上面制备对比例光电导体13，对比例光电导体13的材料为非晶硒，厚度为1mm。

冷阴极基板为可寻址的Spindt型冷阴极基板，包括对比例阴极衬底18、对比例阴极电极条17、对比例栅极电极条15、对比例冷阴极发射体19及制备于对比例阴极电极条17及对比例栅极电极条15之间的对比例绝缘层16。对比例阴极电极条17直接制备于对比例阴极衬底18上，对比例阴极衬底18的材料为硅片，与对比例栅极电极条15相互交叉垂直分布。对比例冷阴极发射体19为金属钼尖锥，制备于对比例栅极电极条15上面。

上述的光电导阳极基板带对比例光电导体13的一面正对冷阴极基板带对比例冷阴极发射体19的一面，并通过对比例隔离体14相互绝缘的固定在一起。在光电导阳极基板和冷阴极基板之间保持真空间隙状态，真空度保持为1×10^-5Pa。然后在光电导阳极的对比例阳极电极12上和冷阴极基板的对比例栅极电极条15上接出引线与外部电源相连，在冷阴极基板的对比例阴极电极条17上接出引线与地相连。通过冷阴极基板的对比例阴极电极条17和对比例栅极电极条15的行列扫描，本对比例可以实现寻址成像的功能。

在本对比例中，X射线响应过程为：(1)当对比例光电导体13受到X射线的辐照时，对比例光电导体13产生电子空穴对；(2)在高电场作用下，空穴漂移运动，撞击其他原子产生碰撞电离，从而产生雪崩效应，获得倍增的空穴；(3)倍增的空穴被对比例冷阴极发射体19发射的电子束读取并输出。基于该原理，该对比例可利用a-Se光电导体的雪崩效应实现高灵敏度X射线成像器件，雪崩增益可达200。

然而，该对比例仍然存在几个技术缺陷：(1)冷阴极发射体发射的电子会直接轰击光电导体，会对光电导体造成损毁，造成光电导体发生电流击穿；(2)Spindt型冷阴极的制备工艺复杂，限制了该器件的实际应用；(3)非晶硒等传统的光电导体对高能X射线的吸收较低，不适用于高能X射线的探测。

对比例2

本实施例与实施例2的区别在于光电导体的厚度，其他步骤与实施例1一致。X射线探测元器件具体制备流程如下：使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在蓝宝石衬底上制备单晶Ga₂O₃的光电导体2，前驱体为三乙基镓和高纯氧气，输运气体是氩气，生长气压是9.1Torr，生长温度为500℃范围内，Ga₂O₃光电导体有效面积为2英寸，厚度为0.01μm。然后使用磁控溅射技术在Ga₂O₃光电导体表面两端制备第一阳极电极1和第一阴极电极4，第一阳极电极1和第一阴极电极4的材料为Au，镀膜速率为30nm/min，Au电极厚度为150nm，两端电极之间的有效面积为2×0.3cm²。

本实施例中，继续实施步骤(1)～(6)。器件获得最大电压为900V，900V电压下的暗电流为1.1×10^-8A，而光电流为1.4×10^-7A。计算得到器件的灵敏度为4μCGy_air ^-1cm^-2。与实施例2相比，说明了光电导体的厚度小于0.1μm，对X射线吸收不够，导致X射线探测灵敏度较低。

对比例3

本实施例与实施例2的区别在于光电导体的厚度，其他步骤与实施例1一致。X射线探测元器件具体制备流程如下：使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在蓝宝石衬底上制备单晶Ga₂O₃的光电导体2，前驱体为三乙基镓和高纯氧气，输运气体是氩气，生长气压是9.1Torr，生长温度为500℃范围内，Ga₂O₃光电导体有效面积为2英寸，厚度为5500μm。然后使用磁控溅射技术在Ga₂O₃光电导体表面两端制备第一阳极电极1和第一阴极电极4，第一阳极电极1和第一阴极电极4的材料为Au，镀膜速率为30nm/min，Au电极厚度为150nm，两端电极之间的有效面积为2×0.3cm²。

本实施例中，继续实施步骤(1)～(6)。器件获得最大电压为2500V，2500V电压下的暗电流为2.8×10^-9A，而光电流为6.4×10^-9A。计算得到器件的灵敏度为4.8μCGy_air ^-1cm^-2。从原理上讲，X射线探测器能承受的最大电压，与光电导体的厚度以及冷阴极真空二极管有关。但是光电导体的厚度增大，也会导致光信号难以收集，灵敏度低。

与实施例2相比，说明了光电导体的厚度大于5000μm，光信号难以收集，导致探测器灵敏度低。

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)

1.一种高灵敏度的X射线探测器，包括X射线探测元器件和冷阴极真空二极管，其特征在于，

所述冷阴极真空二极管包括阳极基板和阴极基板；所述阳极基板包括阳极衬底和第二阳极电极，所述第二阳极电极设置于所述阳极衬底上；所述阴极基板包括阴极衬底、第二阴极电极和纳米线冷阴极发射体，所述第二阴极电极设置于所述阴极衬底上、所述纳米线冷阴极发射体设置于所述第二阴极电极上；所述阴极基板和所述阳极基板通过隔离体相互绝缘的固定在一起；所述第二阳极电极与所述纳米线冷阴极发射体相对设置，所述阳极基板和阴极基板之间保持真空间隙，

所述X射线探测元器件包括光电导体、制备在所述光电导体两侧的第一阳极电极和第一阴极电极，所述光电导体的厚度为0.1～5000μm，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联的方式为，所述X射线探测元器件的阳极电极接电压源，所述X射线探测元器件的阴极电极与冷阴极真空二极管的阳极电极相连，冷阴极真空二极管的阴极电极与电流表相连。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述X射线探测元器件与所述冷阴极真空二极管串联的方式为，冷阴极真空二极管的阳极电极接电压源，冷阴极真空二极管的阴极电极与X射线探测元器件的阳极电极串联，X射线探测元器件的阴极电极与电流表相连。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述光电导体为宽禁带光电导体或雪崩光电导体。

5.根据权利要求4所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述光电导体上制备有P-N结结构。

6.根据权利要求5所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述P-N结结构包括p-Si/n-Ga₂O₃、p-Se/n-CdO、p-CdTe/n-CdS、p-PbO/n-PbO。

7.根据权利要求5所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述P-N结结构中，N型半导体一侧制备所述第一阳极电极，P型半导体一侧制备所述第一阴极电极。

8.根据权利要求1-7任一所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述纳米线冷阴极发射体为氧化锌纳米线、氧化铜纳米线、氧化钨纳米线、氧化钼纳米线、氧化铁纳米线、氧化钛纳米线或者氧化锡纳米线。

9.根据权利要求1所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述隔离体的高度为50～1000μm。

10.根据权利要求1所述的高灵敏度的X射线探测器，其特征在于，所述真空间隙的真空度为10^-7～10^-3Pa。

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