CN101814413A - 光电倍增管 - Google Patents

Abstract

一种光电倍增管，以防止电子向倍增极之间的绝缘部分入射从而改善耐受电压为课题。该光电倍增管具备：具有形成有由绝缘材料构成的主面的玻璃基板的箱体、从主面上的一端侧向另一端侧依次间隔地排列的第1级～第N级(N为2以上的整数)倍增极、从第1级倍增极向一端侧偏离而设置并释放光电子的光电面、以及从第N级倍增极向另一端侧偏离而设置并将被倍增了的电子作为信号取出的阳极部。在玻璃基板的主面上，在邻接的2个倍增极之间，形成有表面由绝缘材料构成的沟槽部，第1级～第N级倍增极被固定在与玻璃基板的沟槽部邻接的凸部上。

Description

光电倍增管

技术领域

本发明涉及检测来自外部的入射光的光电倍增管。

背景技术

一直以来，利用了微细加工技术的小型光电倍增管的开发不断取得进展。已知的有，例如在透光性的绝缘基板上配置有光电面、倍增极以及阳极的平面型光电倍增管(参照下述专利文献1)。利用这样的结构，可以高可靠性地检测出微弱光，并且可以实现装置的小型化。

然而，在如上所述的现有的光电倍增管中，存在被倍增了的电子容易入射到被夹持在各级倍增极之间的绝缘基板的表面的趋势。因此，存在绝缘基板带电而导致耐受电压(withstand voltage)降低的情况。

专利文献1：美国专利第5264693号的说明书

发明内容

因此，本发明正是鉴于上述问题，其目的在于提供一种光电倍增管，可以防止电子向倍增极之间的绝缘部分入射，从而改善耐受电压。

为了解决上述问题，本发明的光电倍增管的特征在于，具备：具有形成有由绝缘材料构成的平面的基板的箱体；第1级～第N级(N为2以上的整数)电子倍增部，从基板的平面上的一端侧向另一端侧依次间隔地排列；光电面，该光电面被配置于一端侧且与电子倍增部相间隔，将来自外部的入射光变换为光电子并释放光电子；以及阳极部，该阳极部被配置于另一端侧且与电子倍增部相间隔，将被电子倍增部倍增的电子作为信号取出，在基板的平面上，在邻接的2个电子倍增部之间，形成有表面由绝缘材料构成的沟槽部，第1级～第N级电子倍增部被固定在与基板的沟槽部邻接的凸部上。

根据这样的光电倍增管，入射光入射于光电面而被变换为光电子，该光电子入射于基板上的多级电子倍增部从而被倍增，被倍增了的电子作为电信号而从阳极部被取出。此时，由于在邻接的电子倍增部之间的基板的表面上形成有绝缘性的沟槽部，因此，能够防止通过邻接的电子倍增部之间的电子向基板表面入射。由此，能够防止由基板表面的带电所导致的耐受电压的降低。

优选沟槽部被形成为横跨从第K-1级电子倍增部的另一端侧的边缘部到第K级电子倍增部的一端侧的边缘部所夹持的范围，其中K为2以上N以下的整数。在这种情况下，由于能够可靠地使邻接的电子倍增部之间的电子轨道从基板的表面分离，因此能够有效地防止电子向基板表面入射。

此外，优选沟槽部被形成为：相比第K级电子倍增部的一端侧的边缘部，更向另一端侧扩展。采用这样的结构，减少了通过邻接的电子倍增部之间的电子向沟槽部的另一端侧入射，因此能够进一步防止电子向基板表面入射。

此外，还优选沟槽部被形成为：相比第K-1级电子倍增部的另一端侧的边缘部，更向一端侧扩展。采用这样的结构，减少了通过邻接的电子倍增部之间的电子向沟槽部的一端侧入射，因此能够进一步防止电子向基板表面入射。

此外，还优选在基板的所述平面上，在凸部的端部还形成有连通邻接的沟槽部之间的沟槽部。这样，使得凸部上的电子倍增部从基板分离，并可以进一步改善耐受电压。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施方式所涉及的光电倍增管的立体图。

图2为图1的光电倍增管的分解立体图。

图3为表示图1的光电倍增管的内部结构的部分截断立体图。

图4为图3的电子倍增部以及沿着下侧框架的IV-IV线的部分放大截面图。

图5为表示图3的电子倍增部中的电子轨道的侧面图。

图6为用于说明图3的电子倍增部的加工方法的截面图。

图7为表示图3的电子倍增部以及下侧框架的变形例的部分放大截面图。

图8为表示图3的电子倍增部以及下侧框架的变形例的部分放大截面图。

图9为表示图3的电子倍增部以及下侧框架的变形例的部分放大截面图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明所涉及的光电倍增管的优选实施方式。其中，在附图的说明中，对相同或者相当的部分赋予同一符号并省略重复的说明。

图1为本发明的一个优选实施方式所涉及的光电倍增管1的立体图，图2为图1的光电倍增管1的分解立体图。

图1所示的光电倍增管1为具有透过型光电面的光电倍增管，具有由上侧框架2(玻璃基板)、侧壁框架3(硅基板)、下侧框架4(玻璃基板)构成的箱体。该光电倍增管1为电子管，其中，光向光电面入射的方向与电子倍增部中的电子的倍增方向交叉，即若光从图1的箭头A所示的方向入射，则从光电面释放的光电子入射到电子倍增部，在箭头B所示的方向上将二次电子级联放大，并从阳极部取出信号。

此外，在以下的说明中，沿着电子倍增方向，将电子倍增路径的上游侧(光电面侧)作为“一端侧”，而将下游侧(阳极部侧)作为另一端侧。接着，详细说明光电倍增管1的各构成要素。

如图2所示，上侧框架2被构成为以矩形平板状的玻璃基板20为基材。在玻璃基板20上设置有多个导电性端子201，该多个导电性端子201贯通玻璃基板20的主面20a以及与主面20a相对的面20b，并与后述的光电面22和聚焦电极37、电子倍增部31以及阳极部32电连接从而进行从外部给电和信号的取出。此外，在图1以及图2中，为了简化附图，省略了导电性端子201的一部分。此外，上侧框架2并不限于设置有导电性端子201的玻璃基板，也可以为内藏有进行从外部给电和信号的取出的电路结构的由层叠陶瓷形成的板状部材。此外，在光电面22与聚焦电极37等电位的情况下，也可以设置共同的导电性端子。

侧壁框架3以矩形平板状的硅基板30为基材。从硅基板30的主面30a向与之相对的面30b形成有被框状的侧壁部302包围的贯通部301。该贯通部301的开口为矩形，其外周边沿硅基板30的外周边而形成。

在该贯通部301的内部，从一端侧向另一端侧形成有聚焦电极37、电子倍增部31以及阳极部32。这些聚焦电极37、电子倍增部31以及阳极部32通过利用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)加工等对硅基板30进行加工而形成，以硅为主要材料。聚焦电极37是用于将从后述的光电面22释放的光电子向电子倍增部31引导的电极，被设置于光电面22与电子倍增部31之间。电子倍增部31由沿着从光电面22向阳极部32的电子倍增方向被设定为不同电位的N级(N为2以上的整数)倍增极(电子倍增部)构成，在各级上具有多个电子倍增路(通道)。阳极部32被配置于与光电面22一起夹持电子倍增部31的位置。这些电子倍增部31以及阳极部32通过阳极接合、扩散接合、或者利用低熔点金属(例如铟)等的密封材的接合等而分别被固定于下侧框架4，由此被二维地配置于该下侧框架4上(后面将详细叙述)。此外，在贯通部301内，也同样地形成电连接光电面22以及光电面22用导电性端子201的柱状部(图中没有表示)。此外，电子倍增部31以及聚焦电极37也分别与对应的导电性端子201相连接，且通过导电性端子201而被设定为规定电位。例如，在倍增极被构成为10级的情况下，在倍增极中阶梯性地施加以100V为间隔且相对于光电面22为100～1000V的电压，在阳极部32上施加相对于光电面22为1100V的电压。

下侧框架4以矩形平板状的玻璃基板40为基材。该玻璃基板40利用作为绝缘材料的玻璃而形成主面40a(平面)。在位于主面40a上的与侧壁框架3的贯通部301相对的部位(与侧壁部302相接合的区域以外的部位)的阳极部32侧的相反侧的端部上，形成有作为透过型光电面的光电面22。

此外，在主面40a上的固定有光电面22、聚焦电极37、电子倍增部31、阳极部32的范围中，沿着与多级倍增极的排列方向(电子倍增方向、即图2的箭头B的方向)交叉的方向形成有多个直线状的沟槽部44。在光电面22、聚焦电极37、电子倍增部31、阳极部32被固定在主面40a上时，该沟槽部44被配置在侧壁部302与光电面22之间、光电面22与聚焦电极37之间、聚焦电极37与电子倍增部31之间、电子倍增部31中的各级倍增极之间、电子倍增部31与阳极部32之间以及阳极部32与侧壁部302之间。由该沟槽部44而形成凸部45，凸部45为将光电面22、聚焦电极37、电子倍增部31以及阳极部32向主面40a固定的固定部。此外，在凸部45的与电子倍增方向垂直的方向上的端部，沿着电子倍增方向形成有使邻接的沟槽部44的端部连通的2条沟槽部46。利用该沟槽部44、46，各凸部45分别隔着沟槽而相互间隔，并且与侧壁部302也隔着沟槽而相互间隔。此外，在本实施方式中，设置于侧壁部302与光电面22之间以及阳极部32与侧壁部302之间的沟槽部44和2条沟槽部46被设置为沿着侧壁302的内壁面(真空侧面)。

以下，参照图3以及图4，更为详细地说明光电倍增管1的内部结构。图3为表示光电倍增管1的内部结构的部分截断立体图，图4为图3的电子倍增部31以及沿着下侧框架4的IV-IV线的部分放大截面图。

如图3所示，电子倍增部31由从主面40a上的一端侧向另一端侧(朝向箭头B所示的方向)依次间隔地排列的多级倍增极构成。倍增极的级数并不限定为规定的级数，在该图中，例示了由第1级～第10级倍增极31a～31j构成的情况。

光电面22被配置在主面40a上的一端侧，与该第1级倍增极31a相间隔且中间夹持有聚焦电极37，该光电面22在玻璃基板40的主面40a上被形成为透过型光电面。如果从外部透过作为下侧框架4的玻璃基板40的入射光到达光电面22，则释放出与该入射光对应的光电子，该光电子通过聚焦电极37而向电子倍增部31引导。

阳极部32被配置在主面40a上的另一端侧，与第10级倍增极31j相间隔，该阳极部32为用于将沿着箭头B所示的方向被电子倍增部31倍增的电子作为电信号取出至外部的电极。

图4为图3的电子倍增部以及沿着下侧框架的IV-IV线的部分放大截面图，且为沿着电子倍增方向的玻璃基板40的厚度方向的截面图。如图4所示，第1级倍增极31a和第2级倍增极31b以相互间隔的状态被固定在主面40a上，在各个成为倍增极31a、31b的电子倍增路的面上，通过在蒸镀铝(Al)以及锑(Sb)之后，进行碱性活化，从而形成二次电子面35a、35b。然后，在主面40a上的邻接的2级倍增极31a、31b之间，沿着与箭头B所示的方向垂直的方向形成直线状的沟槽部44a。该沟槽部44a通过在玻璃基板40上进行喷沙加工等的机械加工而形成，因此具有由作为绝缘材料的玻璃形成的表面。在此，沟槽部44a也可以通过利用氟化氢等的湿式蚀刻、干式蚀刻等的化学加工而形成。

此外，第3级倍增极31c从第2级倍增极31b向另一端侧偏离而被固定在主面40a上，在主面40a上的2级倍增极31b、31c之间，沿着与沟槽部44a相同的方向形成有直线状的沟槽部44b。同样，第4级～第10级倍增极31d～31j也隔着多个沟槽部44而依次间隔地被固定在主面40a上。

由于这些沟槽部44a、44b的存在，第1级～第3级倍增极31a～31c分别被接合在与沟槽部44a、44b邻接且沿着沟槽部44a、44b的延伸方向延伸为直线状的凸部45a～45c上。同样，第4级～第10级倍增极31d～31j也分别被接合在与多个沟槽部44邻接的凸部45上。凸部45的与倍增极相接合的接合面为平面，能够在与倍增极底面的平面之间进行稳定地接合。

在此，沟槽部44a被形成为：超出从第1级倍增极31a的主面40a的另一端侧的边缘部33a至第2级倍增极的主面40a的一端侧的边缘部34b所夹持的范围。即沟槽部44a被形成为比第2级倍增极31b的边缘部34b更向主面40a的另一端侧扩展，且比第1级倍增极31a的边缘部33a更向主面40a的一端侧扩展，其底面为平面。此外，沟槽部44b也被形成为：超出从第2级倍增极31b的主面40a的另一端侧的边缘部33b至第3级倍增极31c的主面40a的一端侧的边缘部34c所夹持的范围。同样，被倍增极31c～31j所夹持的全部的沟槽部44被形成为：超出倍增极31c～31j的2个边缘部所夹持的范围。

利用上述那样的沟槽结构，各个沿着倍增极31a～31j在主面40a上的排列方向(沿着图3的箭头B的方向)的接合面的宽度L1被设定为大于主面40a的凸部45的同方向的接合面的宽度L2。此外，在本实施方式中，配置为使凸部的宽度方向的中心与倍增极的宽度方向的中心一致，然而也可以偏向一端侧或者另一端侧。

根据以上说明的光电倍增管1，入射光向光电面22入射而被变换为光电子，该光电子向玻璃基板40上的多级电子倍增部31入射而被倍增，被倍增了的电子作为电信号从阳极部32被取出。此时，由于在邻接的电子倍增部31之间的玻璃基板40的主面40a上形成有绝缘性的沟槽部44，因此，玻璃基板40远离于倍增极的二次电子面，从而能够防止通过电子倍增部31的倍增极之间的电子向主面40a入射。例如，在具有平坦的面的玻璃基板40上接合有倍增极31a、31b、31c的情况下(图5(a))，通过倍增极之间的电子的轨道接近玻璃基板40，电子容易向玻璃基板40入射，与此相对，在倍增极31a、31b、31c之间具有沟槽部44a、44b的玻璃基板40的情况(图5(b))下，能够使通过倍增极之间的电子的轨道远离玻璃基板40。由此，可以防止由玻璃基板40的带电所导致的耐受电压的降低，并且能够降低因来自玻璃基板40的发光所导致的噪音的发生并改善电压滞后特性以及光滞后特性。此外，即使假设由于倍增电子而使玻璃基板40带电，由于带电区域和倍增极之间的距离变大，因而也能够防止耐受电压的降低。

此外，根据光电倍增管1，还有利于提高加工电子倍增部31时的生产效率。图6为用于说明光电倍增管1中的电子倍增部31的加工方法的原理图。首先，在硅基板30的面30b上利用DEEP-RIE加工等形成与各级倍增极之间的空隙部相对应的除去部36(图6(a)以及图6(b))，与其并行，在玻璃基板40的40a上形成沟槽部44(图6(c)以及图6(d))。以使倍增极的各级间距离为例如150μm的方式形成该除去部36，沟槽部44的深度被形成为150μm。此外，在此利用喷沙加工进行刨挖而形成沟槽部44，然而也可以通过彼此相间隔地形成突出于平面的凸部从而设置沟槽部44。此后，在除去部36与沟槽部44相重叠的状态下，利用阳极接合使硅基板30的面30b和玻璃基板40的主面40a相接合(图6(e))。于是，通过对硅基板30的主面30a实施DEEP-RIE加工，形成了高度为例如800μm的各级倍增极(图6(f))。

利用上述方法，在玻璃基板40上形成了倍增极之后，蒸镀Al以及Sb，之后，使其碱性活化从而形成二次电子面。此时，由于沟槽部44的存在，因此能够防止Al和Sb等的二次电子面构成材料(导电性材料)附着于玻璃基板40从而导致邻接的倍增极之间电连接。对此，在没有沟槽部44的情况下，为了防止因导电性材料的附着而导致的倍增极各级之间耐受电压的降低，需要使用SUS等的掩模以使导电性材料不附着于倍增极的各级之间。因此，利用本实施方式的光电倍增管1，无需这样的掩模，因此可以大幅提高制造效率。

此外，由于在光电面22和聚焦电极37、阳极部32、侧壁部302之间也设置有沟槽部44，因此也能够改善各结构之间的耐受电压。此外，由于设置了使各沟槽部44的端部连通的沟槽部46，因此各凸部45在沟槽部46中完全分离，从而可以改善各结构间的耐受电压。此外，即使在产生偏离电子倍增路径的杂散电子的情况下，也能够防止该电子向基板40入射，并且能够抑制经由侧壁部302的来自外部的影响。此外，在制造时也不必使用SUS等的掩模以防止导电性材料附着于各结构之间。

此外，本发明不局限于上述实施方式。例如形成于玻璃基板40上的沟槽部44a的范围也可以形成为从第1级倍增极31a的边缘部33a至第2级倍增极31b的边缘部34b所夹持的范围。

也可以如图7所示，使沟槽部144a的形成范围与从倍增极31a的边缘部33a至倍增极31b的边缘部34b的范围一致。此外，也可以如图8所示，使沟槽部244a的一端侧的边缘部与倍增极31a的边缘部33a的位置一致，仅有另一端侧从倍增极31b的边缘部34b扩展。也可以如图9所示，使沟槽部344a的另一端侧的边缘部与倍增极31b的边缘部34b的位置一致，仅有一端侧从倍增极31a的边缘部33a扩展。此外，基于使倍增电子的轨道从玻璃基板40的表面分离的观点，优选如图8所示，与电子倍增方向相对的沟槽部244a的另一端侧比倍增极的边缘部更加扩展，更加优选如图4所示，沟槽部44a的两端侧均比倍增极的边缘部更加扩展。

此外，在本实施方式中，光电面22为透过型光电面，然而其也可以为反射型光电面。此外，阳极32可以配置在倍增极31i与倍增极31j之间。

Claims (5)

1.一种光电倍增管，其特征在于，

具备：

箱体，具有形成有由绝缘材料构成的平面的基板；

第1级～第N级电子倍增部，从所述基板的所述平面上的一端侧向另一端侧依次间隔地排列，其中N为2以上的整数；

光电面，所述光电面被配置于所述一端侧且与所述电子倍增部相间隔，将来自外部的入射光变换为光电子并释放所述光电子；以及

阳极部，所述阳极部被配置于所述另一端侧且与所述电子倍增部相间隔，将被所述电子倍增部倍增的电子作为信号取出，

在所述基板的所述平面上，在邻接的2个所述电子倍增部之间，形成有表面由绝缘材料构成的沟槽部，

所述第1级～第N级电子倍增部被固定在与所述基板的所述沟槽部邻接的凸部上。

2.如权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，

所述沟槽部被形成为横跨从第K-1级电子倍增部的所述另一端侧的边缘部到第K级电子倍增部的所述一端侧的边缘部所夹持的范围，其中K为2以上N以下的整数。

3.如权利要求2所述的光电倍增管，其特征在于，

所述沟槽部被形成为：相比所述第K级电子倍增部的所述一端侧的边缘部，更向另一端侧扩展。

4.如权利要求2或者3所述的光电倍增管，其特征在于，

所述沟槽部被形成为：相比所述第K-1级电子倍增部的所述另一端侧的边缘部，更向一端侧扩展。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的光电倍增管，其特征在于，

在所述基板的所述平面上，在所述凸部的端部还形成有连通邻接的所述沟槽部之间的沟槽部。

Images