CN102468110B - 光电倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电倍增管(1)，具有：具有沿框体(5)的内表面(40a)上的电子倍增方向排列的多级的倍增极(33a～331)的电子倍增部(33)；在框体(5)内与电子倍增部(33)隔开设置的光电面(41)以及阳极部(34)，倍增极(33c～33e)分别具有形成有二次电子射出面(53c～53e)的多个柱状部(51c～51e)，在邻接的柱状部之间形成电子倍增通道(C)，后级侧的柱状部(51e)中对着前级侧的柱状部(51d)的相对面(54e)，以将与柱状部(51d)的二次电子射出面(53d)的另一端侧的端部相对的部位(55e)作为基准，沿相对面(54e)的内表面(40a)的方向的两端部(56e、57e)向一端侧突出的方式形成。

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

历来，使用精细加工技术的小型的光电倍增管的开发一直在进行。例如，公知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)。通过这样的结构，能够以高的可信度实现微弱光的检测，同时也能实现装置的小型化。另外，在光电倍增管中，为了提高多级被层叠而构成的倍增极间电子的收集效率，而在各倍增极上设置朝向上级侧的贯通孔突出的加速电极部的结构(参照下述专利文献2)。

专利文献1：美国专利第5,264,693号说明书

专利文献2：日本特开平8-17389号公报

但是，在上述那样的现有的光电倍增管中，在小型化的情况下因为光电面和电子倍增部也变小，所以有检出的信号量小的趋势。因此，谋求在电子倍增部中得到更高的电子倍增效率。

发明内容

因此本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的是提供一种光电倍增管，其即使在小型化的情况下，通过提高从前级的倍增极向后级的倍增极的电子的导入效率而能够得到更高的电子倍增效率。

为解决上述课题，本发明的光电倍增管的特征在于，具有：外围器，具有至少内表面由绝缘材料形成的基板；电子倍增部，具有沿从外围器的内表面上的一端侧朝向另一端侧的方向依次隔开排列的N级(N是2以上的整数)的倍增极；光电面，在外围器内的一端侧与电子倍增部隔开设置，将来自外部的入射光转换为光电子并射出光电子；以及阳极部，在外围器内的另一端侧从电子倍增部隔开设置、将由电子倍增部倍增的电子作为信号读取；N级的倍增极分别具有配置于内表面上、形成有二次电子射出面的多个柱状部，在多个柱状部中的邻接的柱状部之间形成具有二次电子射出面的电子倍增路径，第M+1级(M是大于等于1小于N的整数)的倍增极的柱状部中对着第M级的倍增极的柱状部的相对面被形成为，将与第M级的倍增极的柱状部的二次电子射出面的另一端侧的端部相对的部位作为基准，相对面的沿内表面的方向的两侧的端部向一端侧突出。

根据这样的光电倍增管，通过入射光入射至光电面而转换为光电子，通过该光电子入射至由外围器内的内表面上的多级倍增极形成的电子倍增路径而倍增，将被倍增后的电子作为电信号从阳极读取。这里，各倍增极因为具有形成有与电子倍增路径连接的二次电子射出面的多个柱状部，后级侧的倍增极的柱状部对于前级侧的相对面，以与前级侧的倍增极的二次电子射出面的后级侧端部相对的部位为中心，沿基板的内表面的两个端部突出，所以能够提高前级侧的倍增极的电子倍增路径内的二次电子射出面附近的电位，能够从前级侧的倍增极向后级侧的倍增极高效率地导入倍增电子。其结果，能够得到高的电子倍增效率。

优选为第M级的倍增极的柱状部中对着第M+1级的倍增极的柱状部的相对面，以与第M+1级的倍增极的端部相对的部位向一端侧凹陷的方式形成。在这种情况下，通过后级侧的倍增极的前级侧相对面而被推出的电场容易被导入前级侧的倍增极，能够使电子倍增路径中的电位上升从而更加提高电子倍增效率。

另外，优选为N级的倍增极分别具有形成于多个柱状部的内表面侧的端部、电连接多个柱状部的基座部，第M级的倍增极的基座部以在与第M+1级的倍增极的柱状部的端部对应的部位向一端侧凹陷的方式形成。若采用这样的结构，因为能够提高邻接的级的倍增极间的耐电压特性，所以能够使倍增极彼此更加接近。其结果，因为能够从前级侧的倍增极向后级侧的倍增极高效率地导入倍增电子，所以能够更加提高电子倍增效率。

另外，优选为所述阳极部具有电子捕获部，该电子捕获部以与所述第N级的倍增极的所述电子倍增路径相对、向另一端侧凹陷的方式形成。通过具有这样的电子捕获部，能够高效率地捕获来自第N级的倍增极的倍增电子。

附图说明

图1是本发明的一个优选的实施方式的光电倍增管的立体图。

图2是图1的光电倍增管的分解立体图。

图3是图1的侧壁框架的平面图。

图4是表示图1的侧壁框架以及下侧框架的主要部分的局部剖开的立体图。

图5是放大表示图3的电子倍增部的一部分的平面图。

图6(a)是从背面侧看图1的上侧框架的底面图，(b)是图1的侧壁框架的平面图。

图7是表示图6的上侧框架与侧壁框架的连接状态的立体图。

图8是表示通过图5的电子倍增部生成的电位分布的图。

图9是本发明的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图10是本发明的变形例的光电倍增管的分解立体图。

图11是表示本发明的比较例的电子倍增部中的电位分布的图。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的光电倍增管的优选的实施方式。顺便说，在附图的说明中，给同一或者相当部分附以同一符号，省略重复的说明。

图1是本发明的一个优选的实施方式的光电倍增管1的立体图，图2是图1的光电倍增管1的分解立体图。

图1表示的光电倍增管1是具有透过型的光电面的光电倍增管，具有通过上侧框架2、侧壁框架3、相对于上侧框架2夹着侧壁框架3并相对的下侧框架(基板)4构成的外围器，即框体5。该光电倍增管1是一种如下所述的电子管，光向光电面入射的方向与电子倍增部内的电子的倍增方向交叉，即当光从图1的箭头A表示的方向入射时，从光电面射出的光电子向电子倍增部入射，在用箭头B表示的方向上级联放大二次电子，并从阳极部读取信号。

此外，在以下的说明中，把沿电子倍增方向、电子倍增路径(电子倍增通道)的上游侧(光电面侧)作为“一端侧”，把下游侧(阳极部侧)作为“另一端侧”。接着详细说明光电倍增管1的各结构要素。

如图2所示，上侧框架2是将矩形平板状的配线基板20作为基体而构成的，所述配线基板20是以绝缘性陶瓷作为主材料的。作为这样的配线基板，可进行细微的配线设计，而且能够自由设计表里配线图形的LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramics：低温同时烧成陶瓷)等的多层配线基板被使用。在配线基板20中，在其主面20b上设置有多个导电端子201A～D，其与侧壁框架3、后述的光电面41、聚焦电极31、壁状电极32、电子倍增部33以及阳极部34电连接并且实行从外部的供电和信号读取。导电端子201A是作为侧壁框架3的供电用端子，导电端子201B是作为光电面41和聚焦电极31以及壁状电极32的供电用的端子，导电端子201C是作为电子倍增部33的供电用端子，导电端子201D是作为阳极部34的供电以及信号读取用的端子而被分别设置。这些导电端子201A～D与导电膜或者与导电端子(下文详细描述)互相连接，所述导电膜或者与导电端子在配线基板20的内部与主面20b相对的绝缘性相对面20a上，并且这些导电膜、导电端子与侧壁框架3、光电面41、聚焦电极31、壁状电极32、电子倍增部33、以及阳极部34相连接。另外，上侧框架2并不限于设置有导电端子201的多层配线基板，也可以是进行从外部的供电和信号读取的导电端子被贯通设置、由玻璃基板等的绝缘材料构成的板状部件。

侧壁框架3将矩形平板状的硅基板30作为基体而构成。从硅基板30的主面30a朝着与其相对的面30b形成有被框状侧壁部302围绕的贯通部301。该贯通部301其开口为矩形，并且以其外周沿着硅基板30的外周的方式形成。

在该贯通部301内部，从一端侧向另一端侧配置有壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33以及阳极部34。这些壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33以及阳极部34是通过由RIE(ReactiveIonEtching)加工等方法来对硅基板30进行加工而被形成的，且将硅作为主要材料。

壁状电极32从与后述的玻璃基板40的相对面40a进行正对的方向(与相对面40a的大致垂直方向，与用图1的箭头A表示的方向相反的方向)看是以围绕后述的光电面41的方式而形成的框状电极。另外，聚焦电极31是为了对从光电面41放出的光电子进行聚焦并用于向电子倍增部33进行引导的电极，被设置于光电面41与电子倍增部33之间。

电子倍增部33是由沿着从光电面41朝着阳极部34的电子倍增方向(由图1箭头B所表示的方向，以下相同)被设定为不同电位的N级(N为2以上的整数)的倍增极(电子倍增部)所构成，横跨各级而具有多个电子倍增路(电子倍增通道)。另外，阳极部34与光电面41一起被配置于夹持电子倍增部33的位置上。

这些壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33以及阳极部34分别是由使用了阳极部接合、扩散接合、进而采用低熔点金属(例如铟)等的密封材料的接合等而被固定于下侧框架4，并且由此在该下侧框架4上二维配置。

下侧框架4将矩形平板状的玻璃基板40作为基体而构成。该玻璃基板40是由作为绝缘材料的玻璃形成相对于配线基板20的相对面20a的、作为框体5内面的相对面40a。在相对面40a上，与侧壁框架3的贯通部301相对的部位(除了与侧壁部302的接合区域之外的部位)且与阳极部34一侧相反侧的端部形成有作为透过型光电面的光电面41。另外，相对面40a上搭载有的电子倍增部33以及阳极部34的部位形成有用于防止向倍增电子相对面40a的入射的矩形状洼坑部(凹部)42。

参照图3～图5，详细说明有关光电倍增管1的内部构造。图3是图1的侧壁框架3的平面图，图4是表示图1的侧壁框架3以及下侧框架4主要部分的一部分破断立体图，图5是放大表示图3的电子倍增部33的平面图。

如图3所示，贯通部301内的电子倍增部33是由从相对面40a上的一端侧朝着另一端侧(朝着电子倍增方向的箭头B所指示的方向)依次分离排列的多级倍增极33a～33l所构成的。这些多级倍增极33a～33l形成多个排列的电子倍增通道C，该电子倍增通道C是由沿着箭头B的指示方向从一端侧的第1级的倍增极33a到另一端侧最终级(第N级)的倍增极33l以连续的方式被设置的N个电子倍增孔所构成的。

另外，光电面41与一端侧的第1级电子倍增器33a在夹持着聚焦电极31的相对面40a上的一端侧是隔开设置的。该光电面41在玻璃基板40的相对面40a上作为矩形状的透过型光电面而形成。从外部透过作为下侧框架4的玻璃基板40的入射光在到达了光电面41之后对应于该入射光的光电子被放出，且该光电子由壁状电极32以及聚焦电极31而被引导到第1级倍增极33a。

另外，阳极部34在相对面40a上的另一端侧与另一端侧的最终级的倍增极33l隔开设置。该阳极部34是用于把在箭头B表示的方向上在电子倍增部33的电子倍增通道C内经倍增的电子作为电信号读取到外部的电极。另外，在阳极部34上具有电子捕获部70，其以与最终级的倍增极33l的电子倍增通道C相对、从倍增极33l的相对面朝向相对面40a的另一端侧凹陷的方式形成。电子捕获部70在与倍增极33l的二次电子射出面相同的一侧具有使电子入射口71变窄的突起部72。

参照图4以及图5，更加详细地说明电子倍增器33的结构。多级的倍增极33a～33d以在下侧框架4的相对面40a上形成的凹陷部42的底部上离开凹陷部42的底部的方式配置。倍增极33a由多个柱状部51a和基座部52a构成，所述多个柱状部51a沿相对面40a在与电子倍增方向大致垂直的方向上排列，由朝向上侧框架2的相对面20a大致垂直延伸；所述基座部52a与在该多个柱状部51a的凹陷部42侧的端部连续形成、沿凹陷部42的底部在与电子倍增方向大致垂直的方向上延伸。该基座部52a具有使多个柱状部51a互相电气连接，并且与凹陷部42的底部隔开而支撑多个柱状部51a的作用。关于倍增极33b～33d，关于各多个柱状部51b～51d以及基座部52b～52d，也都有与倍增极33a同样的结构。此外，在本实施方式中，在倍增极33a～33d中，多个柱状部51a～51d以及基座部52a～52d分别可以一体形成，也可以分体形成柱状部和基座部。另外，图中未表示，不过倍增极33e～33l也具有同样的结构。

通过这些多级的倍增级33a～33d的多个柱状部51a～51d，形成伴随光电子的入射级联放大二次电子的电子倍增通道。为方便起见，选出倍增级33c～33e中的一个电子倍增通道C更详细地说明。即如图5所示，在对于各个倍增级33c～33e的多个柱状部51c～51e中的与电子倍增方向垂直的方向上邻接的柱状部之间，形成电子倍增通道C，该电子倍增通道C通过多级的倍增级33c～33e朝向电子倍增方向蛇形地形成。另外，在与各个柱状部51c、51d、51e的电子倍增通道C连接的壁面中，在与电子入射口63c、63d、63e相对的由大约圆弧形状组成的壁面上，形成二次电子射出面53c、53d、53e。此外，该电子倍增通道C在全部倍增极33a～33l之间在与电子倍增方向垂直的方向上并排设置多个。

这里，后级侧的倍增极33e的柱状部51e中对于前级侧的倍增极33d的柱状部51d的相对面54e具有以下那样的形状。具体说，相对面54e成为，以与前级侧的倍增极33d的二次电子射出面53d的电子倍增方向(另一端)侧的端部64d相对的部位55e为基准，沿相对面40a的方向的端部56e、57e的两者在电子倍增方向的反方向(一端侧，箭头B的方向的逆方向)上突出的形状。换言之，该相对面54e具有以通过与电子倍增方向垂直的端部56e、57e的平面P1为基准，沿相对面40a的包含部位55e的截面形状在电子倍增方向上凹陷的形状。进而，相对面54e，在从正对下侧框架4的相对面40a的方向看的情况下，从端部56e到部位55e，以及从端部57e到部位55e，两者都具有朝向另一端侧凹陷的平缓的大致圆弧形状，从而作为全体具有在另一端侧凹陷的平缓的大致圆弧形状。另外，前级侧的倍增极33d的柱状部51d中对于后级侧的倍增极33e的柱状部51e的相对面54d成为与柱状部51e对应的形状。即，相对面54d以与相对面54e的端部57e相对的部位58d在对于电子倍增方向的反方向(一端侧)凹陷的方式形成，在柱状部51d的相对面54d与柱状部51e的相对面54e面对的区域内，电子倍增方向的两面间的间隔大体均匀。

另外，基座部52d、52e具有与上述那样的柱状部51d、51e的形状对应的形状。具体说，在基座部52e中，与柱状部51e的两端部56e、57e对应的部位59e、60e成为在电子倍增方向的逆方向上突出那样的形状。另外，在基座部52d中，与柱状部51d的部位58d对应的部位61d具有在电子倍增方向的逆方向上凹陷的形状。另外，在基座部52d中，与基座部52e的部位59e相对的部位62d具有在电子倍增方向的逆方向上凹陷的形状。即在基座部52d、52e中，电子倍增方向中的两者间的间隔也成为大体均匀。

此外，多级的倍增极33a～33l，邻接的第M级以及第M+1级(1≤M＜12)的倍增极间的相对面的形状具有与上述的形状同样的形状。另外，在最终级的倍增极33l与阳极部34之间的各个相对面中也具有与上述的形状同样的形状。

接着参照图6以及图7说明光电倍增管1的配线结构。图6中，(a)是从反面20a侧看上侧框架2的底面图，(b)是侧壁框架3的平面图，图7是表示上侧框架2与侧壁框架3的连接状态的立体图。

如图6(a)所示，在上侧框架2的背面20a上，设置与导电端子201B、201C、201D的各个在上侧框架2的内部电气连接的多个导电膜202，设置与导电端子201A在上侧框架2的内部电气连接的多个导电端子203。另外如图6(b)所示，在电子倍增部33以及阳极部34的端部分别竖立设置与导电膜202连接用的供电部36、37，在壁状电极32的角部，竖立设置与导电膜202连接用的供电部38。另外聚焦电极31通过与壁状电极32在下侧框架4侧一体形成，与壁状电极32电连接。进而，在壁状电极32上，在下侧框架4的相对面40a侧一体形成矩形平板状的连接部39，并且该连接部39与在相对面40a上电连接于光电面41而形成的导电膜(未图示)接合，从而壁状电极32与光电面41电连接。

当上述结构的上侧框架2与侧壁框架3接合时，导电端子203与侧壁框架3的侧壁部302电连接。同时电子倍增部33的供电部36、阳极部34的供电部37、以及壁状电极32的供电部38通过金(Au)等组成的导电部件独立地与对应的导电膜202连接。通过这样的连接结构，侧壁部302、电子倍增部33、阳极部34分别能够与导电端子201A、201C、201D电连接，并且壁状电极32与聚焦电极31以及光电面41一起与导电端子201B电连接(图7)。

根据以上说明的光电倍增管1，入射光通过入射至光电面41转换为光电子，该光电子通过入射至由在框架5内的内表面40a上的多级倍增极33a～33l形成的电子倍增通道C而被倍增，倍增后的电子作为电信号从阳极部34读取。这里，各倍增极33a～33e具有构成电子倍增通道C的形成二次电子射出面的多个柱状部51a～51e，后级侧的倍增极33e的柱状部51e朝向前级侧的相对面54e，因为以与前级侧的柱状部51d的二次电子射出面53d的后级侧端部相对的部位55e为中心，沿下侧框架4的内表面40a的两者的端部56e、57e突出，所以通过使前级侧的倍增极33d的电子倍增通道C内带有后级侧的倍增极33e的电位，能够提高二次电子射出面53d附近的电位，能够从前级侧的倍增极33d向后级侧的倍增极33e高效率地引导倍增电子。另外，因为与前级侧的倍增极33d朝向后级侧的倍增极33e的相对部分以凹陷的方式形成与倍增极33e的端部57e相对的部位61d，所以通过后级侧的倍增极33e的前级侧的相对面54e推出的电场以不受由前级侧的倍增极33d施加的电位的影响的方式容易导入倍增极33d侧，能够使电子倍增通道C内的电位上升，更加提高电子倍增效率。其结果，即使使电子倍增部33小型化也能得到高的电子倍增效率。

进而，因为前级侧的倍增极33d的基座部52d，在与后级侧的倍增极33e的柱状部51e的端部56e对应的部位62d处在一端侧以凹陷的方式形成，所以能够提高连接的倍增极33d、33e之间的耐电压特性。因此能够使倍增极33d、33e接近，其结果，因为能够从前级侧的倍增极33d向后级侧的倍增极33e高效率地引导倍增电子，所以能够更加提高电子倍增效率。另外，在邻接的倍增极33d、33e中，因为能够使电子倍增方向上的两者间的间隔大体均匀，所以能够更加提高耐电压特性，同时能够消除由RIE等引起的加工时的形状的误差，提高形状的再现性。

进而，因为在阳极部34上以与最终级的倍增极33l的电子倍增通道相对的方式，以从与倍增极33l的相对面朝向相对面40a的另一端侧凹陷的方式形成的电子捕获部70，所以能够以凹陷的方式形成的电子捕获部70高效率地捕获从最终级的倍增极33l来的倍增电子。进而，因为电子捕获部70在与倍增极33l的二次电子射出面相同的一侧具有为使电子入射口71变窄的突起部72，所以成为将导入电子捕获部70内的倍增电子封闭的状态，由此能够更可靠地把倍增电子作为检测信号使用。进而，因为在最终级的倍增极33l和阳极部34之间的各个相对面上也具有与上述的邻接的倍增极间的相对面同样的形状，所以能够以将来自最终级的倍增极33l的电子高效率地导向阳极34的电子捕获部70内的方式而形成电场。

图8是表示本实施方式的电子倍增部33中从沿相对面40a看的电位分布的图，图11是表示作为本发明的比较例的电子倍增部933中从沿相对面40a看的电位分布的图。这里，假定电子倍增部933中倍增极933c～933e的各个相对面具有沿垂直于电子倍增方向的平面的平面形状。这样，由电子倍增部33生成的电位E₁与由电子倍增部933生成的电位E₂相比，在电子倍增通道C内在一端侧深入，可知二次电子射出面附近的电位变得比射出电子的电极的电位(倍增极自身的电位)高。另外，在这种情况下由光电倍增管1得到的输出增益对于比较例为4.47倍，得到二次电子倍增率平均高13％左右这样的结果。

此外，本发明不限于上述的实施方式。例如，关于本实施方式的配线结构也可以采用各种变形方式。例如如图9所示，也可以构成为贯通下侧框架4C形成导电端子401，通过该导电端子401对光电面41、壁状电极32、聚焦电极31、电子倍增部33以及阳极部34供电。通过这样的结构，能够独立地对在上侧框架2上形成的导电膜202(图6(a))和各电极独立地供电。

另外，如图10所示，也可以将设置有导电端子401的下侧框架4C，和除去了导电端子201A～201D的上侧框架2C组合。在这种情况下，作为上侧框架2C，使用在背面侧形成有多个导电膜202的绝缘性基板。通过在这样的组合中使用参照图6说明的配线结构，能够从下侧框架4C的导电端子401通过壁状电极32、电子倍增部33、以及阳极部34对上侧框架2C的导电膜202供电。

Claims (3)

1.一种光电倍增管，其特征在于，

具有：

外围器，具有至少内表面由绝缘材料形成的基板；

电子倍增部，具有沿从所述外围器的所述内表面上的一端侧朝向另一端侧的一个方向依次隔开排列的N级的倍增极，在所述一个方向上对电子进行级联放大，所述一个方向为电子倍增方向，其中，N是2以上的整数；

光电面，在所述外围器内的所述一端侧与所述电子倍增部隔开设置，将来自外部的入射光转换为光电子并射出所述光电子；以及

阳极部，在所述外围器内的所述另一端侧与所述电子倍增部隔开设置，将由所述电子倍增部倍增的电子作为信号读取，

所述N级的倍增极分别具有配置于所述内表面上且形成有二次电子射出面的多个柱状部，在所述多个柱状部中的邻接的柱状部之间形成具有所述二次电子射出面的电子倍增路径，

第M+1级的倍增极的所述柱状部中对着第M级的倍增极的所述柱状部的相对面被形成为，将与所述第M级的倍增极的所述柱状部的所述二次电子射出面的所述另一端侧的端部相对的部位作为基准，所述相对面的沿所述内表面的方向的两侧的端部在相对于所述电子倍增方向的反方向上向所述一端侧突出，

所述第M级的倍增极的所述柱状部中对着所述第M+1级的倍增极的所述柱状部的相对面被形成为，与所述第M+1级的倍增极的所述端部相对的部位在相对于所述电子倍增方向的反方向上向所述一端侧凹陷，

其中，M是大于等于1小于N的整数。

2.根据权利要求1所述的光电倍增管，其特征在于，

所述N级的倍增极分别具有形成于所述多个柱状部的所述内表面侧的端部并电连接所述多个柱状部的基座部，

所述第M级的倍增极的所述基座部被形成为，与所述第M+1级的倍增极的所述柱状部的所述端部对应的部位向所述一端侧凹陷。

3.根据权利要求1或2所述的光电倍增管，其特征在于，

所述阳极部具有电子捕获部，该电子捕获部被形成为，与所述第N级的倍增极的所述电子倍增路径相对并向另一端侧凹陷。