CN107112175A - 光电面、光电转换管、图像增强器和光电子倍增管 - Google Patents

光电面、光电转换管、图像增强器和光电子倍增管 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提高光电面的紫外波段的灵敏度，光电面(1)包括：透射紫外线的窗口材料(2)；在窗口材料(2)形成、具有导电性的导电膜(3)；在导电膜(3)形成、由MgF2构成的中间膜(4)；和在中间膜(4)形成、由CsTe构成的光转换膜(6)，因为光电面(1)具备由MgF2构成的中间膜(4)，所以紫外波段的灵敏度得到提高。

Description

光电面、光电转换管、图像增强器和光电子倍增管
技术领域
本发明涉及光电面、具有该光电面的光电转换管、图像增强器(IMAGEINTENSIFIER)和光电子倍增管。
背景技术
在专利文献1、2和3记载有具有叠层结构的光电面。专利文献1的光电面具有依次叠层有基板、基底膜、中间膜和光电转换膜的叠层结构。专利文献2、3的光电面具有依次叠层有窗口材料、基底膜和光电放出膜的叠层结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平7-16016号公报
专利文献2：日本特开平6-68840号公报
专利文献3：日本专利第4116294号
发明内容
发明所要解决的问题
上述专利文献1、2和3中记载的光电面有时用于火焰的检测。火焰在300nm以下的波长区域具有特有的光谱。另一方面，到达地面的太阳光由于臭氧层的吸收而300nm以下的紫外波段的光谱极小。该太阳光的光谱极小的波段还称为日盲波段。在该日盲波段，只要光电面发挥良好的灵敏度，就能够期待抑制了太阳光的影响的良好的光检测特性。
因此，在该技术领域，优选提高光电面的紫外波段的灵敏度。
用于解决问题的方式
本发明的一个方式为具有叠层结构的光电面，包括：透射紫外线的窗口材料；在窗口材料形成、具有导电性的导电膜；在导电膜形成、含有镁和氟的化合物的中间膜；和在中间膜形成、含有碲和碱金属的光电转换膜。
因为该光电面的光电转换膜含有碲和碱金属，所以能够将光电面检测的波长的波段设为含有日盲波段的紫外波段。此外，在光电转换膜与导电膜之间形成有含有镁和氟的化合物的中间膜。含有镁和氟的化合物的中间膜的带隙比较大，因此在光电转换膜的窗口材料侧的面配置带隙大的膜。如此，则产生带的弯曲，提高光电子的取出效率。因此，根据该光电面，能够提高紫外波段的灵敏度。
化合物也可以为氟化镁，碱金属也可以为铯。根据这些结构，存在抑制可能在光电转换膜与中间膜之间产生的晶格不匹配的趋势，因此能够抑制光电转换膜的结晶性的下降。因此，能够进一步提高光电面的灵敏度。
此外，导电膜也可以含有钛。根据该结构，能够有效率地取出在光电转换膜产生的光电子。
窗口材料也可以含有石英。根据该结构，能够抑制在透射窗口材料时产生的光的衰减，因此能够进一步提高光电面的灵敏度。
此外，本发明的另一方式为具备设置有上述的光电面的真空容器的光电转换管。因为该光电转换管具备上述的光电面，所以能够提高紫外波段的灵敏度。
此外，本发明的又一方式为图像增强器，其包括：设置有上述的光电面的真空容器；收纳于真空容器、将从光电转换膜放出的电子倍增的电子倍增单元；和荧光面，其被射入由电子倍增单元倍增的电子，并将由电子倍增单元倍增的电子转换成光。因为该图像增强器具备上述的光电面，所以能够提高紫外波段的灵敏度。
此外，本发明又一方式为光电子倍增管，其包括：设置有上述的光电面的真空容器；收纳于真空容器并将从光电转换膜放出的电子倍增的电子倍增单元；和阳极，其收纳于真空容器的内部，被射入由电子倍增单元倍增的电子。因为该光电子倍增管具备上述的光电面，所以能够提高紫外波段的灵敏度。
发明的效果
根据本发明的一个方式的光电面、其它方式的光电转换管、图像增强器和光电子倍增管，能够提高紫外波段的灵敏度。
附图说明
图1是表示本发明的一个方式的光电面的截面的图。
图2是表示太阳光的光谱与光电面的检测波段的关系的图表。
图3是表示具有光电面的图像增强器的结构的图。
图4是表示实施例1的光电面的检测波长与量子效率的关系的图表。
图5是表示实施例2的导电膜的透射率与量子效率的关系的图表。
图6是表示实施例3的导电膜的透射率与量子效率的关系的图表。
图7是表示比较例1的光电面的检测波长与量子效率的关系的图表。
图8是表示比较例2的光电面的检测波长与量子效率的关系的图表。
图9是表示带隙与量子效率的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。在附图是说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。
图1所示的光电面1检测紫外波段的光L。光电面1检测的光L的波段(以下还称为“检测波段”)设定于包含于紫外波段的波段。具体而言，检测波段既可以设定于包含于近紫外波段的200nm以上350nm以下，进一步，也可以设定于260nm以上300nm以下。此外，检测波段还可以设定于以280nm为中心的波段。特别是波长为280nm以下的波段是太阳光的光谱极小的、所谓的日盲波段。如图2所示，太阳光的光谱(参照图表G2a)在波长为约280nm以下的区域变得极小(参照波段A1)。因此，在将检测波段(参照图表G2b)设定于280nm以下的情况下，能够将光电面1用于太阳光环境下的发动机的火焰分析等。
如图1所示，光电面1具有叠层结构。光电面1包括窗口材料2、导电膜3、中间膜4和光电转换膜6，它们依次叠层。因此，射入窗口材料2的光L从窗口材料2、导电膜3和中间膜4通过之后，到达光电转换膜6。
窗口材料2形成光电面1的基板。窗口材料2具有光L入射的入射面2a和入射面2a的相反侧的背面2b。窗口材料2相对于光电面1的检测波段的光良好具有透射性。因此，窗口材料2由能够透射紫外线的材料构成。作为能够透射紫外线的材料，能够列举石英(SiO2)。
导电膜3在窗口材料2的背面2b形成。导电膜3具有与窗口材料2相接的表面3a和表面3a的相反侧的背面3b。导电膜3是相对于窗口材料2的光电转换膜6的基底膜。此外，导电膜3将射入窗口材料2的光L透射，并且供给在光电转换膜6放出的光电子。作为形成导电膜3的材料，例如能够列举钛(Ti)等具有导电性的金属材料。在令导电膜3为Ti的情况下，也可以令膜厚为2nm以上10nm以下。换言之，膜厚也可以为以上以下。此外，膜厚也可以为0.1nm以上2nm以下。换言之，膜厚也可以为以上以下。
中间膜4在导电膜3的背面3b形成。中间膜4具有与导电膜3相接的表面4a和表面4a的相反侧的界面4b。中间膜4是相对于导电膜3的光电转换膜6的基底膜。此外，中间膜4将射入窗口材料2的光L透射，并且在光电转换膜6的表面6a侧形成带隙高的区域。中间膜4由作为镁(Mg)与氟(F)的化合物的氟化镁(MgF2)构成。MgF2的带隙为11.4eV。此外，中间膜4的膜厚为0.5nm以上5nm以下。换言之，中间膜4的膜厚为以上以下。例如，在将光电面1的检测波段设定于以280nm为中心的波段的情况下，将中间膜4的膜厚设定为0.5nm以上5nm以下即可。换言之，将中间膜4的膜厚设定为以上以下即可。中间膜4通过蒸镀或溅射形成。
光电转换膜6在中间膜4的界面4b形成。光电转换膜6具有与中间膜4相接的表面6a。光电转换膜6由射入的光L生成光电子。光电转换膜6例如由铯-碲(CsTe)等碲(Te)与碱金属的化合物构成。
因为光电面1的光电转换膜6由CsTe构成，所以能够令检测波长为含有日盲波段的紫外波段。此外，在光电转换膜6与导电膜3之间形成由MgF2构成的中间膜4。该中间膜4的带隙比较大，因此在光电转换膜6的窗口材料2侧的面配置带隙大的膜。如此，则产生带的弯曲，提高光电子的取出效率。因此，根据该光电面1，能够提高紫外波段的灵敏度。
光电面1的中间膜4为MgF2，光电转换膜6为CsTe。根据这些结构，能够抑制可能在光电转换膜6与中间膜4之间产生的晶格不匹配，抑制光电转换膜6的结晶性的下降。因此，能够进一步提高光电面1的灵敏度。
此外，导电膜3为钛。根据该结构，能够有效率地取出在光电转换膜6产生的光电子。
窗口材料2为石英。根据该结构，在从窗口材料2透射时产生的光L的衰减得到抑制，因此能够进一步提高光电面1的灵敏度。
上述的光电面1用于图3所示的图像增强器11。图3表示具备光电面1的图像增强器11的结构。如图3所示，接近型的图像增强器11包括光电面1、真空容器12、微通道板(micorchannel plate)13、荧光面14和出射窗口材料16。光电面1设置在真空容器12的一端侧。此外，在真空容器12的光电面1的后方，设置有作为电子倍增单元的微通道板13。在微通道板13的更后方设置有荧光面14。在微通道板13被倍增后的电子向荧光面14入射。在荧光面14，将入射的电子转换为光。转换后的光经出射窗口材料16向外部射出。
因为该图像增强器11具备上述的光电面1，所以能够提高紫外波段的灵敏度。
＜实施例1＞
在实施例1中确认了光电面1的灵敏度。作为光电面1的灵敏度，采用量子效率。量子效率是相对于射入光电面1的光子数的光电子的数量之比。量子效率例如由光谱灵敏度测量仪进行测定。光谱灵敏度测量仪具有光源、将测定对象光单色化的分光器和有定价的标准的光检测器(例如硅光电二极管)。实施例1中的光电面1具有下述的结构。在实施例1中，制作多个具有下述的结构的光电面1，测定各个光电面1的量子效率。
窗口材料：石英(膜厚5.94mm)
导电膜：Ti(膜厚0.5nm)
中间膜：MgF2(膜厚5nm)
光电转换膜：CsTe(膜厚10nm)
图4表示上述光电面1的检测波长与量子效率的关系。横轴表示波长，纵轴表示量子效率。多个图表G4表示各光电面1的量子效率。如图4所示，能够确认光电面1在280nm至315nm的波段A2具有2％至26％左右的量子效率。此外，能够确认光电面1在200nm至280nm的波段A3具有20％至32％左右的量子效率。此外，能够确认光电面在280nm的波长具有20％至26％左右的量子效率。
＜实施例2＞
在实施例2中，确认到中间膜4的膜厚对量子效率的影响。具体而言，制作仅中间膜4的膜厚不同的多个光电面1，测定各个光电面1具有的量子效率。实施例2中的光电面1具有下述的结构。
窗口材料：石英(膜厚5.94mm)
导电膜：Ti(膜厚0.5nm)
中间膜：MgF2(膜厚50nm、10nm、5nm，换言之膜厚 )
光电转换膜：CsTe(膜厚10nm)
图5的图表G5a是中间膜4的膜厚为50nm的光电面1的量子效率。图表G5b是中间膜4的膜厚为10nm的光电面1的量子效率。图表G5c是中间膜4的膜厚为5nm的光电面1的量子效率。根据图表G5a、G5b、G5c可知，在200nm至280nm的波段，量子效率的大小关系根据中间膜4的膜厚而变化。从该结果可知，在将光电面1的检测波段设定于280nm附近的情况下，优选使中间膜4的膜厚薄(参照图标P5a)。薄的膜厚例如为5nm。换言之，薄的膜厚例如为另一方面可知，在将光电面1的检测波段设定于200nm附近的情况下，优选使中间膜4的膜厚厚(参照图标P5b)。厚的膜厚例如为50nm。换言之，厚的膜厚例如为
＜实施例3＞
在实施例3中，确认到导电膜3的结构相对于量子效率的影响。具体而言，制作导电膜3的材料或结构相互不同的多个光电面1，测定各个光电面1具有的量子效率。实施例3的光电面1具有下述的结构。
窗口材料：石英(膜厚5.94mm)
导电膜：Ti(膜厚0.5nm)、Ti(膜厚2.5nm)、碳纳米管(膜厚1nm)、石墨烯(膜厚0.335nm)、带状电极(膜厚2.5nm)
中间膜：MgF2(膜厚5nm)
光电转换膜：CsTe(膜厚10nm)
图6表示光电面1相对于280nm的波长的量子效率。纵轴表示光电面1的量子效率。横轴表示导电膜3的透射率。图6的横轴所示的透射率是在作为石英面板的窗口材料2形成各种导电膜而得到的试验片的实测透射率。该透射率通过利用分光光度计进行的测定或利用具备光源、分光器和光检测器的分光光度计进行的透射率测定而测定。在图6，图标P6a是导电膜3为石墨烯的情况下的量子转换效率。图标P6b是导电膜3为带状电极结构的情况下的量子转换效率。图标P6c是导电膜3为Ti(膜厚0.5nm)的情况下的量子转换效率。图标P6d是导电膜3为Ti(膜厚2.5nm)的情况下的量子转换效率。图标P6e是导电膜3为碳纳米管的情况下的量子转换效率。由图标P6a、P6b、P6c、P6d、P6e所示可知，导电膜3的透射率越大，量子效率就越大。可知特别是在令导电膜3为石墨烯、带状电极或膜厚0.5nm的Ti的情况下，能够令280nm的波长的量子效率为20％以上。
＜比较例1＞
在比较例1中，对于中间膜4的构成材料对量子效率的影响进行了确认。具体而言，制作具有含有氧化物的中间膜的光电面，测定各个光电面具有的量子效率。比较例1的光电面具有下述的结构。
窗口材料：石英(膜厚5.94mm)
导电膜：Ti(膜厚2.5nm)、Pt(膜厚2.5nm)
中间膜：二层结构(第一层：Al2O3，第二层：ZnO)，导电膜为Ti的Al2O3、TiO2、导电膜为Pt的Al2O3
光电转换膜：CsTe(膜厚10nm)
图7是将比较例1的光电面的量子效率与光电面1的量子效率进行比较的图表。图表G7a表示具有二层结构的中间膜的光电面的量子效率。中间膜具有由Al2O3构成的第一层和由ZnO构成的第二层。图表G7b表示导电膜为Ti、中间膜为Al2O3的光电面的量子效率。图表G7c表示导电膜为Pt、中间膜为TiO2的光电面的量子效率。图表G7d表示导电膜为Pt、中间膜为Al2O3的光电面的量子效率。图表G7e表示中间膜4为MgF2的光电面1的量子效率。由图7所示可知，在200nm以上350nm以下的波段，图表G7e呈现最高的量子效率。因此可知，构成中间膜4的材料相比氧化物优选氟化物。
＜比较例2＞
在比较例2中，对于中间膜4的构成材料对量子效率的影响进行了确认。具体而言，制作具有由与MgF2不同的氟化物形成的中间膜的光电面，测定各个光电面具有的量子效率。作为与MgF2不同的氟化物，使用氟化锂(LiF)、氟化钙(CaF2)。比较例2的各光电面具有下述的结构。
窗口材料：石英(膜厚5.94mm)
导电膜：Ti(膜厚2.5nm)
中间膜：LiF(膜厚5nm)、CaF2(膜厚5nm)
光电转换膜：CsTe(膜厚10nm)
图8是将比较例2的光电面的量子效率与光电面1的量子效率进行比较的图表。图表G8a表示中间膜4为LiF的光电面1的量子效率。图表G8b表示中间膜4为CaF2的光电面1的量子效率。图表G8c表示中间膜4为MgF2的光电面1的量子效率。由图8所示可知，在图表G8c，在200nm以上350nm以下的波段呈现最高的量子效率。因此可知，中间膜4最优选由氟化物中MgF2构成。
不过，中间膜4在光电转换膜6的附近形成带隙高的区域。如此，还认为中间膜4的带隙越高，光电面1的量子效率就越高。在比较例1、2，用作中间膜4的材料的各材料的带隙和用作中间膜4的材料的MgF2的带隙如下所述。此外，图9表示带隙与量子效率的关系。图9的量子效率是检测波长为280nm的情况下的值。下述的图标P9a、P9b、P9c、P9d、P9e对应于图9的图标P9a、P9b、P9c、P9d、P9e。
MgF2(图标P9a)：11.4eV
LiF(图标P9b)：13.8eV
CaF2(图标P9c)：11.0eV
Al2O3(图标P9d)：7.5eV
TiO2(图标P9e)：3.2eV
参照图9可知，在带隙与量子效率之间存在正的相关。另一方面，着眼于MgF2(图标P9a)和LiF(图标P9b)时可知，与LiF相比带隙小的MgF2呈现更高的量子效率。估计该理由是因为量子效率关系到中间膜的带隙以外的因素。例如能够列举中间膜对光电转换膜的结晶性的影响等。估计在这些中间膜与光电转换膜之间、带隙和结晶性等的关系等综合地发挥作用而决定量子效率。
本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形。
例如，作为构成窗口材料2的材料，也可以使用氟化钙(CaF)、氟化镁(MgF2)。此外，作为构成导电膜3的材料，也可以使用石墨烯和碳纳米管(CNT)等碳类材料。此外，导电膜3也可以关注光的透射性，采用条形结构或网孔结构。此外，作为光电转换膜6中所含的碱金属，也可以使用钠(Ni)、钾(K)、铷(Rb)。
此外，在上述实施方式中，将光电面设置在图像增强器，不过光电面也可以用于图像增强器以外的光装置。例如也可以用于光电转换管和光电子倍增管。在这种情况下，在真空容器的内部设置上述实施方式中所示的光电面1，在光电面1的后方设置成为将电子倍增的倍增部的倍增极或微通道板。在其后方，将阳极(anode)以收纳于真空容器的内部的状态设置。在阳极，经引针向上述的光电面、电子倍增部和阳极施加规定的偏压。而且，来自阳极的输出信号经引针向外部输出。
附图标记的说明
1 光电面
2 窗口材料
3 导电膜
4 中间膜
6 光电转换膜
11 图像增强器
12 真空容器
13 微通道板(电子倍增单元)
14 荧光面
16 出射窗口材料。

Claims (8)

1.一种光电面，其特征在于，
具有叠层结构，并包括：
透射紫外线的窗口材料；
形成于所述窗口材料并具有导电性的导电膜；
形成于所述导电膜并包含镁和氟的化合物的中间膜；和
形成于所述中间膜并包含碲和碱金属的光电转换膜。
2.如权利要求1所述的光电面，其特征在于，
所述化合物为氟化镁。
3.如权利要求1或2所述的光电面，其特征在于，
所述碱金属为铯。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的光电面，其特征在于，
所述导电膜包含钛。
5.如权利要求1～4中的任一项所述的光电面，其特征在于，
所述窗口材料包含石英。
6.一种光电转换管，其特征在于，
具备设置有权利要求1～5中的任一项所述的光电面的真空容器。
7.一种图像增强器，其特征在于，
具备：
真空容器，设置有权利要求1～5中的任一项所述的光电面；
电子倍增单元，收纳于所述真空容器，并将从所述光电转换膜放出的电子倍增；和
荧光面，入射有由所述电子倍增单元倍增的电子，将由所述电子倍增单元倍增的所述电子转换成光。
8.一种光电子倍增管，其特征在于，
包括：
真空容器，设置有权利要求1～5中的任一项所述的光电面；
电子倍增单元，收纳于所述真空容器，并将从所述光电转换膜放出的电子倍增；和
阳极，收纳于所述真空容器的内部，入射有由所述电子倍增单元倍增的所述电子。
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