CN111128669A - Cem组件和电子倍增设备 - Google Patents

Cem组件和电子倍增设备 Download PDF

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CN111128669A CN201911036557.XA CN201911036557A CN111128669A CN 111128669 A CN111128669 A CN 111128669A CN 201911036557 A CN201911036557 A CN 201911036557A CN 111128669 A CN111128669 A CN 111128669A
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远藤刚志
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Abstract

本发明提供一种能够实现使向通道型电子倍增体施加的电压稳定的电压供给电路的小型化的CEM组件等。该CEM组件包括：包含输入电极(130A)、倍增通道(110)和输出电极(130B)的CEM(100)；和电压供给电路(200)。电压供给电路(200)包含电源部(300)和恒定电压发生部(400)，通过由电源部(300)产生的电动势，设定输入电极(130A)的电位。恒定电压发生部(400)包含产生电压下降的恒定电压供给部(500)，通过恒定电压供给部(500)的电压下降，保持被设定在输出侧基准节点(410)的目标电位。

Description

CEM组件和电子倍增设备
技术领域
本发明涉及包含通道型电子倍增体(Channel Electron Multiplier，以下记为“CEM”)的CEM组件和包含该CEM组件的电子倍增设备。
背景技术
具有电子倍增功能的CEM具有倍增通道，该倍增通道在形成于构造体的贯通孔的内壁面或规定在该构造体的表面设置的槽的面上，隔着电阻层设置有二次电子放出层。此外，在倍增通道的输入端设置有输入电极，在倍增通道的输出端设置有被设定为比该输入电极的设定电位高的电位的输出电极。当从输入端获取的带电粒子到达二次电子放出面时，从该二次电子放出面放出二次电子，该放出的二次电子一边从输入电极向输出电极传播一边被级联倍增。
另外，上述的CEM与用于向输入电极和输出电极间供给规定的电压的电压供给电路一起构成CEM组件，该CEM组件被应用于各种传感设备。作为一例，该CEM组件通过与收集从CEM放出的电子的构造(例如阳极等电极)组合，能够应用于在离子检测等技术领域被广泛利用的电子倍增设备等。
发明内容
发明要解决的技术问题
发明人们对由以往的CEM(通道型电子倍增体)和应用于它的电压供给电路构成的CEM组件进行了研究，结果发现了以下这样的技术问题。
即，在由铅玻璃构成的构造体形成有二次电子放出层等的以往的CEM，为了确保稳定工作，需要10MΩ以上的电阻值(从倍增通道的输入端到输出端的电阻值)。另外，铅玻璃应用于构造体的现有的CEM中，通过PbO的还原处理而析出的铅的层被作为电阻层利用。此外，近年，制造出在由绝缘材料或陶瓷构成的构造体的表面通过原子层沉积法(AtomicLayer Deposition，以下记为“ALD”)形成有电阻膜和二次电子放出膜的低电阻CEM。
特别是，上述的低电阻CEM单体中，因工作时的发热而发生该CEM的电阻值的降低和与输出电流的增加相伴的输出端的电压下降。这样的CEM的输出电位的下降引起该CEM的增益上升，因此有失去由直流电压控制带来的CEM的线性(以下记为“DC线性”)这样的技术问题。另一方面，所制造的多个CEM间，电阻值存在个体差。因此，为了实现该CEM的输出侧电位的固定，必须也考虑到该“电阻值的CEM间的个体差”。
另外，本说明书中，“DC线性”是指，通过带电粒子向CEM的输入量(换算成电流值)与CEM的输出电流之比(以下记为“输入输出电流比”)算出的该CEM的工作特性。在带电粒子向CEM的输入量少时，上述输入输出电流比显示出固定值(线性)，在过大的量的带电粒子输入到CEM的情况下，上述输入输出电流比脱离基准值(±10％)。该基准值(a.u.)是能够充分确保DC线性的范围(输出电流低，为1～100nA左右的范围)中的输入输出电流比，由以下的式(1)提供。
输出电流(A)/带电粒子的输入量(A)…(1)
另一方面，DC线性(％)由以下的式(2)提供。因此，如果输出电流在比较低的范围，必然输入输出电流比与基准值几乎一致(DC线性为100％)。但是，输出电流超过上述范围变得越大，CEM的输出端侧的电压下降就越大，输入输出电流比与基准值之差就越显著(失去DC线性)。
输出电流(A)/带电粒子的输入量(A)/基准值(a.u.)×100…(2)
此处，“带电粒子的输入量”由到达CEM的输入端的带电粒子引起的电流值提供，“输出电流”由从CEM到达阳极的电子引起的电流值提供。
作为将上述这样的CEM的输出侧电位的变动所致的DC线性的劣化消除的手段，也考虑准备例如用于设定CEM的输入侧电位的电源部和用于设定CEM的输出侧电位的其他电源部。但是，具有这样的2个电源部的电压供给电路有导致具有该CEM的CEM组件的制造成本的增大，并且使CEM组件自身的小型化困难这样的技术问题。
本发明是为了解决上述这样的技术问题而完成的，其目的在于，提供一种避免具有CEM的CEM组件自身的大型化，并且具有用于实质性地固定CEM的输出侧电位的构造的CEM组件，和作为其应用技术的一例的包含该CEM组件的电子倍增设备。
用于解决技术问题的手段
本实施方式涉及的CEM组件包括：通道型电子倍增体；和包含用于向该通道型电子倍增体施加规定的电压的电源部(该电源部产生电路内的所有电动势)的电压供给电路。通道型电子倍增体至少具有：倍增通道；输入电极；和输出电极。倍增通道包含获取带电粒子的输入端、放出二次电子的输出端和从该输入端向该输出端连续设置的二次电子放出层。输入电极以与二次电子放出层接触的状态设置在倍增通道的输入端，输出电极以与二次电子放出层接触的状态设置在倍增通道的输出端。电压供给电路中，作为电路整体包含1个电源部，由该电源部向输入电极与输出电极之间施加规定的电压。特别是，电压供给电路在电源部之外，还具有：被设定为第一基准电位的第一端子；与输入电极连接的第二端子；与输出电极连接的第三端子；被设定为第二基准电位的第四端子；和恒定电压发生部。在此，电源部产生用于确保第一端子与输入侧基准节点之间的电位差的电动势。恒定电压发生部配置在第三端子和第四端子之间，保持用于对输出电极的电位进行调整的目标电位。此外，恒定电压发生部包含恒定电压供给部，该恒定电压供给部产生用于确保第四端子与输出侧基准节点之间的电位差的电压下降。
进一步，作为应用具有上述这样的构造的CEM组件的应用技术的一例，本实施方式涉及的电子倍增设备包括：具有上述这样的构造的CEM组件；和阳极，其是以面对该CEM的输出端的方式配置的电极，用于收集从该CEM的输出端输出的电子。
另外，本发明涉及的各实施方式由以下的详细说明和附图能够进一步充分地理解。这些实施例仅是为了示例而示出的，不应认为是限定本发明的内容。
此外，本发明的进一步的应用范围通过以下的详细说明变得明确。但是，详细的说明和特定的实例是示出该发明的优选实施方式的例子，仅为了进行示例而示出，显然根据该详细的说明，本发明的范围中的各种变形和改良对于本领域技术人员而言是不言而喻的。
发明效果
根据本实施方式，通过在不被CEM的输出侧电位的变动影响的输出侧基准节点预先设定成为输出侧电位的调节目标的目标电位，在仅包含单一电源部的电压供给电路中，也能够将输出侧电位固定在目标电位。特别是，关于目标电位的固定，不再需要考虑所制造的多个CEM间的电阻值的个体差。
附图说明
图1是表示本实施方式涉及的电子倍增设备(包含本实施方式涉及的CEM组件)的代表性的结构例(信号输出用结构和电流测定用结构)的图。
图2是表示倍增通道的剖面构造的例子的图和表示倍增通道的电阻值的温度依赖性的一般性趋势的图表。
图3是表示第一比较例涉及的电子倍增设备(包含具有单一电源部的CEM组件)的结构例(电流测定用结构)的图，和分别表示该第一比较例涉及的电子倍增设备的DC线性(％)和输出电压(-V)这两者与输出电流(A)的关系的图表。
图4是表示第一实施方式涉及的电子倍增设备(包含第一实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例(电流测定用结构)的图。
图5是表示图3的(a)的第一比较例涉及的电子倍增设备和图4的第一实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)与输出电流(A)的关系的图表。
图6是表示第二实施方式涉及的电子倍增设备(包含第二实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例(电流测定用结构)的图。
图7是表示第二比较例涉及的电子倍增设备(包含具有2个电源部的CEM组件)和图6的第二实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)与输出电流(A)的关系的图表。
图8是表示第三实施方式涉及的电子倍增设备(包含第三实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例(电流测定用结构)的图。
图9是表示第四实施方式涉及的电子倍增设备(包含第四实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例(电流测定用结构)的图。
图10是表示第二比较例涉及的电子倍增设备(包含具有2个电源部的CEM组件)和图9的第四实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)与输出电流(A)的关系的图表。
具体实施方式
[本申请发明的实施方式的说明]
首先，分别独立地列举本申请发明的实施方式的内容进行说明。
(1)本实施方式涉及的CEM组件，作为其一个方式，包括：CEM(通道型电子倍增体)；和包含用于向该CEM施加规定的电压的电源部(该电源部产生电路内的所有电动势)的电压供给电路。CEM至少具有：倍增通道；输入电极；和输出电极。倍增通道包含获取带电粒子的输入端、放出二次电子的输出端和从该输入端向该输出端连续设置的二次电子放出层。输入电极以与二次电子放出层接触的状态设置在倍增通道的输入端。输出电极以与二次电子放出层接触的状态设置在倍增通道的输出端。另一方面，电压供给电路中，作为电路整体包含1个电源部，由该电源部向输入电极与输出电极之间施加规定的电压。
特别是，电压供给电路在电源部之外，还具有：被设定为第一基准电位的第一端子；与输入电极连接的第二端子；与输出电极连接的第三端子；被设定为第二基准电位的第四端子；和恒定电压发生部。另外，第一基准电位和第二基准电位各自也可以与被设定为例如接地电位的共用端子连接(第一基准电位和第二基准电位也可以一致)。电源部配置在第一端子与第二端子之间。此外，电源部产生用于确保第一端子与输入侧基准节点之间的电位差的电动势。输入侧基准节点是经第二端子被设定为与输入电极同电位的、位于第一端子与第二端子之间的节点。另一方面，恒定电压发生部配置在第三端子和第四端子之间，保持用于对输出电极的电位进行调整的目标电位。该恒定电压发生部包含：输出侧基准节点；和恒定电压供给部，该恒定电压供给部产生用于确保第四端子与输出侧基准节点之间的电位差的电压下降。即，该恒定电压供给电路中，在第三端子与第四端子之间没有配置产生电动势的电源部。输出侧基准节点是位于第三端子与第四端子之间的节点，其被设定为用于进行对输出电极的电位调整的目标电位。
(2)作为本实施方式的一个方式，优选恒定电压发生部还包括：第一电阻；和电位固定元件。第一电阻配置在输入侧基准节点与输出侧基准节点之间。电位固定元件以经第三端子消除输出电极与输出侧基准节点的电位差的方式发挥作用。
(3)作为本实施方式的一个方式，优选恒定电压供给部包含配置在输出侧基准节点与第四端子之间的第二电阻。此外，作为本实施方式的一个方式，优选该第一电阻的电阻值高于第二电阻的电阻值。进一步，作为本实施方式的一个方式，优选第一电阻与第二电阻的电阻比被设定成落入100比1至2比1的范围内。
(4)作为本实施方式的一个方式，优选恒定电压供给部包含配置在输出侧基准节点与第四端子之间的齐纳二极管。
(5)作为本实施方式的一个方式，优选电位固定元件包含MOS晶体管、FET和双极晶体管中的任一者。在作为电位固定元件应用这样的3端子元件的情况下，该电位固定元件具有：与输出侧基准节点连接的第一元件端；与第三端子连接的第一元件端；和与第四端子连接的第三元件端。
(6)作为本实施方式的一个方式，恒定电压供给部也可以包含在输出侧基准节点与第四端子之间串联连接的1个或其以上的IC单元。在此情况下，输出侧基准节点经第三端子与输出电极电连接。各IC单元具有：分路调节器(shunt regulator)IC；和在该分路调节器IC的输入端与输出端之间以规定的电阻比串联连接的第三电阻和第四电阻。
(7)作为本实施方式的一个方式，优选倍增通道还包含：支承二次电子放出层的由绝缘材料构成的构造体；和设置在该二次电子放出层与构造体之间的电阻膜。此外，作为本实施方式的一个方式，绝缘材料由除铅玻璃之外的玻璃或陶瓷构成。
(8)作为本实施方式的一个方式，优选位于输入电极与输出电极之间的倍增通道的电阻值小于10MΩ。
(9)作为应用具有上述这样的构造的CEM组件的应用技术的一例，本实施方式涉及的电子倍增设备，作为其一个方式，包括：具有上述这样的构造的CEM组件；和阳极。阳极是以面对CEM的输出端的方式配置的电极，并且以收集从该CEM的输出端输出的电子的方式发挥作用。
以上，该[本申请发明的实施方式的说明]的栏中列举的各方式，能够对剩余的所有方式中的各个方式应用，或者对这些剩余的方式的所有组合应用。
[本申请发明的实施方式的详细]
以下参照附图详细地对本申请发明涉及的CEM组件和包含其的电子倍增设备的具体例进行说明。另外，以下公开的实施方式对应用本发明涉及的CEM组件的各种传感设备中的电子倍增设备的例子进行说明。此外，本发明不限定于这些示例，包含权利要求书所示以及与权利要求书均等的意思和范围内的所有变更。此外，附图的说明中，对同一部件标注同一标记，省略重复的说明。
图1是表示本实施方式涉及的电子倍增设备(包含本实施方式涉及的CEM组件)的代表性的结构例的图。图1所示的本实施方式涉及的电子倍增设备包括：本实施方式涉及的CEM组件；阳极150；和信号输出电路，该CEM组件包括：CEM(通道型电子倍增体)100；和电压供给电路200。另外，图1的例子中，信号输出电路(信号输出用结构)包含用于将到达阳极150的电子作为电信号取出的配置于信号输出端子170与阳极150之间的放大器160(图中记为“Amp”)。此外，阳极150也可以连接有包含电流计(图中记为“A”)的电流测定电路180来代替上述的信号输出电路(电流测定用结构)。
首先，图1的例子中，CEM100由倍增通道110、在倍增通道的输入端120A设置的输入电极130A和在倍增通道110的输出端120B设置的输出电极130B构成。在倍增通道110的内壁面上设置有从输入电极130A向输出电极130B连续形成的二次电子放出层。另外，二次电子放出层的输入端侧与输入电极130A接触，二次电子放出层的输出端侧与输出电极130B接触。带电粒子10从输入端120A到达二次电子放出层时，从该二次电子放出层放出二次电子。该放出的二次电子一边从输入电极130A向输出电极130B行进一边被级联倍增。
用于向输入电极130A与输出电极130B之间施加规定的电压的电压供给电路200包括：产生电路内的所有电动势的单一电源部300(作为电路整体，仅电源部300产生电动势)；第一端子210A～第四端子210D；和恒定电压发生部400。特别是，第一端子210A被设定为第一基准电位(图1的例子中，经共用端子被设定为接地电位)。第二端子210B与输入电极130A连接。第三端子210C与输出电极130B连接。第四端子210D被设定为第二基准电位(图1的例子中，经共用端子被设定为接地电位)。
电压供给电路200中，输入侧基准节点310位于电源部300与第二端子210B之间。该输入侧基准节点310是经第二端子210B被设定为与输入电极130A同电位的节点，电源部300产生用于确保第一端子210A与输入侧基准节点310之间的电位差的电动势。
此外，电压供给电路200中，恒定电压发生部400配置在第三端子210C与第四端子210D之间，保持用于固定输出电极130B的电位的目标电位。该目标电位设定在不被输出电极130B的电位变动影响的输出侧基准节点410。具体而言，第四端子210D与输出侧基准节点410之间的电位差通过由恒定电压供给部500带来的电压下降而被确保。另外，输出侧基准节点410是被设定为用于对输出电极130B进行电位调整的目标电位的节点，与第三端子210C直接或间接地连接。
图2的(a)是表示倍增通道110的剖面构造的例子的图，图2的(b)是表示倍增通道110的电阻值的温度依赖性的一般性趋势的图表。
如图2的(a)所示，倍增通道110具有在由绝缘材料(除了铅玻璃之外)或陶瓷构成的构造体111之上依次层叠有电阻层112和二次电子放出层113的构造。具有这样的剖面构造的倍增通道110中，电阻层112的电阻值优选小于10MΩ，本实施方式的例子中为2MΩ。此外，当带电粒子10到达二次电子放出层113的表面时，从该二次电子放出层113放出二次电子。另外，图1的例子中，倍增通道110形成在圆筒形的构造体的内壁面上，但CEM100的形状不限定于圆筒形状。例如，也可以在形成于板状的构造体的表面的槽的结构面(规定槽的剖面形状的面)上形成倍增通道110。
图2的(b)是表示具有上述这样的剖面构造的倍增通道110的电阻值的温度依赖性的一般性趋势的图表。图2的(b)中，纵轴表示电阻值(MΩ)，横轴表示温度(℃)。如图2的(b)中的图表G210所示，本实施方式这样的CEM(电阻值小于10MΩ的低电阻CEM)100中，确认到伴随温度上升，电阻值下降。这样，CEM100中，能够确认以下这样的温度特性：在电子倍增的工作中，当由于发热导致倍增通道110的温度上升时，在输出端120B侧发生电压下降。
另外，图3的(a)是表示包含从电压供给电路整体看时具有单一电源部的CEM组件的、第一比较例涉及的电子倍增设备的结构例的图。图3的(a)的例子中，作为电流测定用结构，捕获来自CEM100的二次电子的阳极150与电流测定电路180(包含电流计)连接。此外，第二比较例涉及的电子倍增设备的结构例没有特别图示，具有以下结构：代替图3的(a)的第一比较例的CEM组件的结构中的由电阻构成的恒定电压供给部500A，配置有产生电动势的其他电源部。
该第一比较例涉及的电子倍增设备中，构成CEM组件的一部分的CEM(具有2MΩ的电阻值的低电阻CEM)100、阳极150、电流测定电路180(或者包含放大器160的信号输出电路)的结构，与图1的结构例相同。构成CEM组件的一部分的电压供给电路200A与图1的结构例同样具有电源部300，但与图1的结构例相比较，输出电极130B的电位设定构造不同。即，电压供给电路200A包含的恒定电压发生部400A中，输出侧基准节点410经第三端子210C与输出电极130B连接。此外，恒定电压发生部400A中，恒定电压供给部500A由一端与输出侧基准节点410连接且另一端与第四端子210D连接的电阻构成。另外，图3的(a)的例子中，通过电源部300，输入侧基准节点310被设定为-1000～-4000V，第一端子210A和第四端子210D经共用端子被设定为接地电位。
图3的(b)是分别表示上述那样构成的图3的(a)的电子倍增设备(第一比较例)的DC线性(％)与输出电流(A)的关系以及输出电压(-V)与输出电流(A)的关系的图表。另外，恒定电压供给部500A的电阻值被设定为0.1MΩ(CEM100的电阻值为2MΩ)。此外，输入侧基准节点310被设定为-2200V，输出侧基准节点410被设定为-200V。
如图3的(b)所示，根据第一比较例涉及的电子倍增设备，由电流测定电路180得到的输出电流在1～10μA的范围内急剧变差。此外，能够确认，表示输出电极130B的电位的输出电压也从输出电流超过约10μA起急剧下降(电压下降的发生)。另外，“DC线性”如上所述，以输出电流的范围为1～100nA程度的范围内的输入输出电流比(输出电流/带电粒子的输入量)为基准值，由将测定到的输入输出电流比与该基准值的比例用百分率表示而得到的值来规定。
图4是表示第一实施方式涉及的电子倍增设备(包含第一实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例的图。另外，该图4的例子中，捕获来自CEM100的二次电子的阳极150，作为电流测定用结构，与电流测定电路180(包含电流计)连接。此外，图4所示的结构与图1所示的结构对应。
第一实施方式涉及的电子倍增设备的结构除了构成第一实施方式涉及的CEM组件的一部分的电压供给电路200B，与图3的(a)所示的第一比较例的结构相同。即，第一实施方式涉及的电子倍增设备包括：第一实施方式涉及的CEM组件；阳极150；和与该阳极150连接的电流测定电路180(或作为信号输出用结构，包含放大器160的信号输出电路)，该CEM组件包括：CEM(具有2MΩ的电阻值的低电阻CEM)100；和电压供给电路200B。在CEM100的输入端侧设置有输入电极130A，并且在CEM100的输出端侧设置有输出电极130B。
另一方面，用于向输入电极130A与输出电极130B之间施加规定的电压的电压供给电路200B包括：产生电路内的所有电动势的电源部300；第一端子210A～第四端子210D；和恒定电压发生部400B。第一端子210A经共用端子被设定为接地电位(第一基准电位和第二基准电位)。第二端子210B与输入电极130A连接。第三端子210C与输出电极130B连接。第四端子210D与第一端子210A同样，经共用端子被设定为接地电位。
电压供给电路200B中，输入侧基准节点310位于电源部300与第二端子210B之间，电源部300产生用于确保第一端子210A与输入侧基准节点310之间的电位差的电动势。通过该结构，输入侧基准节点310被设定为-1000V～-4000V。
另外，电压供给电路200B中，恒定电压发生部400B包括：第一电阻420；电位固定元件430A；和恒定电压供给部500A。第一电阻420配置在输入侧基准节点310与输出侧基准节点410之间。恒定电压发生部400B配置在第三端子210C与第四端子210D之间，保持用于将输出电极130B的电位固定的目标电位。该目标电位被设定在不被输出电极130B的电位变动影响的输出侧基准节点410。具体而言，第四端子210D与输出侧基准节点410之间的电位差通过由电阻(第二电阻)构成的恒定电压供给部500A带来的电压下降来确保。此外，在输出侧基准节点410与第三端子210C之间配置有由N型MOS晶体管(以下记为“NMOS”)构成的电位固定元件430A。
另外，NMOS的栅极G(第一元件端)与输出侧基准节点410连接。NMOS的源极S(第二元件端)与第三端子210C连接。NMOS的漏极D(第三元件端)与第四端子210D连接。作为电位固定元件，本实施方式这样的MOS晶体管、FET和双极晶体管中的任一者都能够应用。第一电阻420的电阻值优选高于构成恒定电压供给部500A的第二电阻的电阻值。此外，第一电阻420与第二电阻的电阻比优选被设定为落入100比1至2比1的范围内。
本实施方式中，在电子倍增的工作中，当输出电流增加时(当从CEM100向阳极150放出的电子增大时)，在CEM100的输出侧(输出电极130B)发生电压下降。此时，电位固定元件(NMOS)430A的栅极G-源极S间的电压VGS变大，在VGS超过阈值电压的时刻，NMOS成为导通状态。NMOS为导通状态时，瞬间地电子从输出电极130B经第三端子210C向第四端子210D流动，CEM100的输出电极130B的电压下降被消除。当电压下降被消除时，VGS也减少，因此NMOS成为断开状态。即，输出电极130B的电位会固定在输出侧基准节点410的目标电位。这样，根据本实施方式，能够将第一电阻420与第二电阻(恒定电压供给部500A)的电阻比完全地固定(输出侧基准节点410的设定电位不受输出电极130B的电位变动的影响)。
图5是表示图3的(a)的第一比较例涉及的电子倍增设备和图4的第一实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)与输出电流(A)的关系的图表。特别是，图5中，用符号“○”绘制的图表表示图3的(a)的第一比较例涉及的电子倍增设备的DC线性(％)与输出电流(A)的关系，用符号“●”绘制的图表表示图4的第一实施方式涉及的电子倍增设备中的DC线性(％)与输出电流(A)的关系。
另外，第一实施方式中，第一电阻420的电阻值被设定为20MΩ，第二电阻(恒定电压供给部500A)的电阻值被设定为2MΩ。此外，输入侧基准节点310被设定为-1100V，输出侧基准节点410被设定为-100V。图3的(a)的第一比较例与图3的(b)的测定条件相同。
由图5可知，第一比较例中，从输出电流超过约10μA时起，DC线性急剧变差，而本实施方式中，至输出电流超过100μA为止，DC线性稳定。
图6是表示第二实施方式涉及的电子倍增设备(包含第二实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例的图。另外，该图6的例子中，捕获来自CEM100的二次电子的阳极150，作为电流测定用结构，与电流测定电路180(包含电流计A)连接。此外，图6所示的结构与图1所示的结构对应。
第二实施方式涉及的电子倍增设备在CEM组件的结构上与图4所示的第一实施方式不同。具体而言，第二实施方式涉及的CEM组件的结构中，代替图4所示的由第二电阻构成的恒定电压供给部500A，具有由齐纳二极管构成的恒定电压供给部500B，这一点与第一实施方式不同。即，第二实施方式涉及的电子倍增设备包括：第二实施方式涉及的CEM组件；阳极150；和与该阳极150连接的电流测定电路180(或者，作为信号输出用结构，包含放大器160的信号输出电路)，该CEM组件包括：CEM(电阻值为2MΩ的低电阻CEM)100；和电压供给电路200C。CEM100由倍增通道110、输入电极130A和输出电极130B构成。电压供给电路200C具有第一端子210A～第四端子210D，并且由配置在第一端子210A与输入侧基准节点310之间的电源部300和配置在第三端子210C与第四端子210D之间的恒定电压发生部400C构成。输入侧基准节点310的电位通过电源部300被设定为-1000～-4000V。恒定电压发生部400C由配置在输入侧基准节点310与输出侧基准节点410之间的第一电阻420、配置在输出侧基准节点410与第四端子210D之间的恒定电压供给部500B、和以消除第三端子210C与输出侧基准节点410的电位差的方式配置的电位固定元件(NMOS)430A构成。另外，恒定电压供给部500B是齐纳二极管。通过该齐纳二极管，在输出侧基准节点410与第四端子210D之间确保-100～-500V的电位差。
通过具有上述这样的结构的第二实施方式涉及的CEM组件，也能够将CEM100的输出电极130B的电位固定在输出侧基准节点410。另外，CEM100的输出侧电位(输出电极130B的电位)必须为-100V左右。作为一例，在将第一电阻420与第二电阻(恒定电压供给部500A)的电阻比设定为10比1的情况下，输入电极130A的设定电位(输入侧基准节点310的电位)为-1100V时，输出电极130B的设定电位成为-100V，是理想的。不过，当输入电极130A的设定电位变更为-2200V时，输出电极130B的设定电位成为-200V，造成100V的电压损失。因此，如第二实施方式所示，通过适用VZ＝100V的齐纳二极管(恒定电压供给部500B)来代替第二电阻(恒定电压供给部500A)，能够进行无电压损失的工作。
图7是表示第二比较例涉及的电子倍增设备(包含具有2个电源部的CEM组件)和图6的第二实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)和输出电流(A)的关系的图表。
图7中，用符号“○”绘制的图表表示图6的第二实施方式涉及的电子倍增设备的DC线性(％)与输出电流(A)的关系，用符号“●”绘制的图表表示第二比较例涉及的电子倍增设备(包含图3的(a)所示的结构中还具有其他电源的CEM组件)的DC线性(％)与输出电流(A)的关系。第二实施方式中，将施加至输入电极130A与输出电极130B之间的电压设定为1500V，因此输入侧基准节点310的电位被设定为-1600V，输出侧基准节点410的电位被设定为与齐纳二极管的下降电压相当的-100V。另外，第一电阻420的电阻值是20MΩ。另一方面，第二比较例具有产生100V的电动势的电源部来代替图3的(a)所示的由电阻构成的恒定电压供给部500A。该第二比较例中，输入侧基准节点310通过电源部300被设定为-1600V，输出侧基准节点410通过其他电源部被设定为-100V。
图7的测定结果中，能够确认该第三实施方式的DC线性与第二比较例的DC线性相比变差，但与图6所示的第一比较例的DC线性相比明显改善。
图8是表示第三实施方式涉及的电子倍增设备(包含第三实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例的图。该图8的例子中，捕获来自CEM100的二次电子的阳极150，作为电流测定用结构，与电流测定电路180(包含电流计A)连接。此外，图8所示的结构与图1所示的结构对应。
第三实施方式涉及的电子倍增设备的结构除了构成第三实施方式涉及的CEM组件的一部分的电位固定元件430B之外，与图4所示的第一实施方式的结构相同。即，第三实施方式涉及的电子倍增设备包括：第三实施方式涉及的CEM组件；阳极150；与该阳极150连接的电流测定电路180(或者，作为信号测定用结构，包含放大器160的信号输出电路)，该CEM组件包括：CEM(具有2MΩ的电阻值的低电阻CEM)100；和电压供给电路200D。在CEM100的输入端侧设置有输入电极130A，并且在CEM100的输出端侧设置有输出电极130B。
另一方面，用于向输入电极130A与输出电极130B之间施加规定的电压的电压供给电路200D包括：产生电路内的所有电动势的电源部300；第一端子210A～第四端子210D；和恒定电压发生部400D。第一端子210A经共用端子被设定为接地电位(第一基准电位和第二基准电位)。第二端子210B与输入电极130A连接。第三端子210C与输出电极130B连接。第四端子210D与第一端子210A同样，经共用端子被设定为接地电位。
电压供给电路200D中，输入侧基准节点310位于电源部300与第二端子210B之间，电源部300产生用于确保第一端子210A与输入侧基准节点310之间的电位差的电动势。通过该结构，输入侧基准节点310被设定为-1000V～-4000V。
此外，电压供给电路200D中，恒定电压发生部400D包括：第一电阻420；电位固定元件430B；和恒定电压供给部500A。第一电阻420配置在输入侧基准节点310与输出侧基准节点410之间。恒定电压发生部400D配置在第三端子210C与第四端子210D之间，保持用于将输出电极130B的电位固定的目标电位。该目标电位设定在不被输出电极130B的电位变动影响的输出侧基准节点410。具体而言，第四端子210D与输出侧基准节点410之间的电位差通过由电阻(第二电阻)构成的恒定电压供给部500A带来的电压下降来确保。此外，在输出侧基准节点410与第三端子210C之间配置有由P型MOS晶体管(以下记为“PMOS”)构成的电位固定元件430B。
另外，第一电阻420的电阻值优选比构成恒定电压供给部500A的第二电阻的电阻值高。第一电阻420与第二电阻的电阻比优选设定成落入100比1至2比1的范围内。此外，PMOS的栅极G(第一元件端)与输出侧基准节点410连接。PMOS的漏极D(第二元件端)与第三端子210C连接。PMOS的源极S(第三元件端)与第四端子210D连接。PMOS的VDS被设定成和输出侧基准节点410与第四端子210D之间的电位差大致一致，由此能够使CEM100高输出时的输出电极130B的电位稳定。
本实施方式中，电位固定元件430B的源极S与第四端子210D连接，栅极G与输出侧基准节点410连接。通常，该结构中，由于恒定电压供给部500A的电压下降，VGS超过阈值电压，因此电位固定元件(PMOS)430B成为导通状态。在导通状态下，电子虽然从输出电极130B经第三端子210C向第四端子210D流动，但不会流动固定量以上的电子。因此，即使在CEM100的输出端侧发生电压下降的情况下，也始终维持向将电压下降消除的方向施加偏压的状态(至少在输出电极130B与第四端子210D之间确保电位差VDS)。
图9是表示第四实施方式涉及的电子倍增设备(包含第四实施方式涉及的CEM组件)的具体的结构例的图。另外，该图9的例子中，捕获来自CEM100的二次电子的阳极150，作为电流测定用结构，与电流测定电路180(包含电流计A)连接。此外，图9所示的结构与图1所示的结构对应。
第四实施方式涉及的电子倍增设备的结构除了构成第四实施方式涉及的CEM组件的一部分的电压供给电路200E之外，与图3的(a)所示的第一比较例的结构相同。即，第四实施方式涉及的电子倍增设备包括：第四实施方式涉及的CEM组件；阳极150；和与该阳极150连接的电流测定电路180(或者，作为信号输出用结构，包含放大器160的信号输出电路)，该CEM组件包括：CEM(具有2MΩ的电阻值的低电阻CEM)100；和电压供给电路200E。在CEM100的输入端侧设置有输入电极130A，并且在CEM100的输出端侧设置有输出电极130B。
另一方面，用于向输入电极130A与输出电极130B之间施加规定的电压的电压供给电路200E包括：用于产生电路内的所有电动势的电源部300；第一端子210A～第四端子210D；和恒定电压发生部400E。第一端子210A经共用端子被设定为接地电位(第一基准电位和第二基准电位)。第二端子210B与输入电极130A连接。第三端子210C与输出电极130B连接。第四端子210D与第一端子210A同样地，经共用端子被设定为接地电位。
电压供给电路200E中，输入侧基准节点310位于电源部300与第二端子210B之间，电源部300产生用于确保第一端子210A与输入侧基准节点310之间的电位差的电动势。通过该结构，输入侧基准节点310被设定为-1000V～-4000V。
此外，电压供给电路200E中，恒定电压发生部400E包含：输出侧基准节点410；和多个IC单元500C1～500C3，该多个IC单元500C1～500C3与图1所示的恒定电压供给部500、图3的(a)、图4和图8所示的恒定电压供给部500A、图6的恒定电压供给部500B相当。输出侧基准节点410经第三端子210C与输出电极130B连接(与输出电极130B同电位)。IC单元500C1～500C3直接配置在输出侧基准节点410与第四端子210D之间。IC单元500C1～500C3各自由分路调节器IC510、在该分路调节器IC510的输入端与输出端之间以规定的电阻比直接连接的第三电阻520和第四电阻530构成。
例如，考虑在CEM100的输出侧发生电压下降的情况(输出电极130B的电位下降)。在此情况下，IC单元500C1中，第四端子210D与输出侧基准节点410的电位差变大，因此在超过以第三电阻520与第四电阻530的电阻比设定的分路调节器IC510的基准电压的时刻，分路调节器IC510使来自输出电极130B的电子通过(短路状态)。在电子通过分路调节器IC510的期间，输出侧基准节点410的目标电位上升，因此与该输出侧基准节点410连接的输出电极130B也上升(CEM100的输出端的电压下降的消除)。另外，在电压下降大的情况下，按照IC单元500C2、IC单元500C3的顺序进行上述的工作。另一方面，当CEM100的输出侧的电压下降被消除时，由于IC单元500C1～500C3各自中串联连接的第三电阻520和第四电阻530的电压下降，输出侧基准节点410的电位恢复到IC单元500C1～500C3各自工作前的目标电位。
图10是表示第二比较例涉及的电子倍增设备(包含具有2个电源部的CEM组件)和图9的第四实施方式涉及的电子倍增设备各自的DC线性(％)与输出电流(A)的关系的图表。
图10中，用符号“○”绘制的图表表示图9的第四实施方式涉及的电子倍增设备的DC线性(％)与输出电流(A)的关系，用符号“●”绘制的图表表示第二比较例的电子倍增设备(在图3的(a)所示的结构中还包括其他电源的结构)的DC线性(％)与输出电流(A)的关系。第四实施方式中，输入侧基准节点310的电位被设定为-1600V，输出侧基准节点410的电位被设定为与IC单元500C1～500C3各自的第三电阻520和第四电阻530的电压下降相当的-100V。另外，第一电阻420的电阻值为20MΩ。另一方面，第二比较例具有产生100V的电动势的电源部，代替图3的(a)所示的由电阻构成的恒定电压供给部500A。在此情况下，第二比较例中，输入侧基准节点310通过电源部300被设定为-1600V，输出侧基准节点410通过其他电源部被设定为-100V。
由图10可知，能够确认该第四实施方式的DC线性充分追随具有2电源的CEM组件的第二比较例的DC线性。另外，第四实施方式的DC线性比第二比较例的DC线性稍低是因为，第四实施方式以IC单元单位进行电位调节。
由以上的本发明的说明可明确，能够将本发明进行各种变形。不能认为这样的变形是脱离本发明的思想和范围的，所有对本领域技术人员而言显而易见的改良都包含在以下的权利要求书中。
符号说明
100…CEM(通道型电子倍增体)，110…倍增通道，120A…输入端，120B…输出端，130A…输入电极，130B…输出电极，200、200B～200E…电压供给电路，210A…第一端子，210B…第二端子，210C…第三端子，210D…第四端子，300…电源部，310…输入侧基准节点，400、400B～400E…恒定电压发生部，410…输出侧基准节点，420…第一电阻，430A、430B…电位固定元件，500、500A、500B…恒定电压供给部，500C1～500C3…IC单元，510…分路调节器IC，520…第三电阻，530…第四电阻。

Claims (12)

1.一种CEM组件，其特征在于，包括：
通道型电子倍增体，其具有：倍增通道，其包含获取带电粒子的输入端、放出二次电子的输出端和从所述输入端向所述输出端连续设置的二次电子放出层；以与所述二次电子放出层接触的状态设置在所述输入端的输入电极；和以与所述二次电子放出层接触的状态设置在所述输出端的输出电极；和
用于向所述输入电极与所述输出电极之间施加规定的电压的电压供给电路，
所述电压供给电路具有：
被设定为第一基准电位的第一端子；
与所述输入电极连接的第二端子；
与所述输出电极连接的第三端子；
被设定为第二基准电位的第四端子；
配置在所述第一端子与所述第二端子之间的电源部，其产生用于确保所述第一端子与经所述第二端子被设定为与所述输入电极同电位的输入侧基准节点之间的电位差的电动势；和
配置在所述第三端子与所述第四端子之间的、保持用于对所述输出电极的电位进行调整的目标电位的恒定电压发生部，其包含：位于所述第三端子与所述第四端子之间并且被设定为所述目标电位的输出侧基准节点；和产生用于确保所述第四端子与所述输出侧基准节点之间的电位差的电压下降的恒定电压供给部。
2.如权利要求1所述的CEM组件，其特征在于：
所述恒定电压发生部还包括：
配置在所述输入侧基准节点与所述输出侧基准节点之间的第一电阻；和
经所述第三端子消除所述输出电极与所述输出侧基准节点的电位差的电位固定元件。
3.如权利要求2所述的CEM组件，其特征在于：
所述恒定电压供给部包含配置在所述输出侧基准节点与所述第四端子之间的第二电阻。
4.如权利要求3所述的CEM组件，其特征在于：
所述第一电阻的电阻值高于所述第二电阻的电阻值。
5.如权利要求3或4所述的CEM组件，其特征在于：
所述第一电阻与所述第二电阻的电阻比落入100比1至2比1的范围内。
6.如权利要求2所述的CEM组件，其特征在于：
所述恒定电压供给部包含配置在所述输出侧基准节点与所述第四端子之间的齐纳二极管。
7.如权利要求2至6中任一项所述的CEM组件，其特征在于：
所述电位固定元件包含MOS晶体管、FET和双极晶体管中的任一者。
8.如权利要求1所述的CEM组件，其特征在于：
所述恒定电压供给部包含在所述输出侧基准节点与所述第四端子之间串联连接的1个或其以上的IC单元，所述IC单元各自具有：分路调节器IC；和在所述分路调节器IC的输入端与输出端之间以规定的电阻比串联连接的第三电阻和第四电阻。
9.如权利要求1至8中任一项所述的CEM组件，其特征在于：
所述倍增通道还包含：支承所述二次电子放出层的由绝缘材料构成的构造体；和设置在所述二次电子放出层与所述构造体之间的电阻膜。
10.如权利要求9所述的CEM组件，其特征在于：
所述绝缘材料由除铅玻璃之外的玻璃或陶瓷构成。
11.如权利要求1至10中任一项所述的CEM组件，其特征在于：
位于所述输入电极与所述输出电极之间的所述倍增通道的电阻值小于10MΩ。
12.一种电子倍增设备，其特征在于，包括：
权利要求1至11中任一项所述的CEM组件；和
阳极，其以面对构成所述CEM组件的一部分的所述通道型电子倍增体的所述输出端的方式配置。
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