CN1182279A - 电子倍增器与装有它的电子管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到传输式电子倍增器与其配套的电子管。该传输式电子倍增器具有高的二次电子产生率和一种容许被检测光入射检测位置的结构。电子管包括:封闭容器;放置在封闭容器中的电子源,向封闭容器中发射电子;面对电子源的阳极;安置在电子源和阳极之间的传输式电子倍增器。该传输式电子倍增器包含有用金刚石或用以金刚石为主要成分的材料作成的薄膜,和用来加固薄膜的加固部件,加固部件还有显露一部分薄膜的孔。
Description
本发明涉及对入射电子进行二次电子倍增的传输式电子倍增器，与装有它的电子管。
近年来，用金刚石作为电子管中的电子倍增装置正受到人们的注意。注意力集中在金刚石上的原因在于金刚石具有负电子亲和势，因而得到高的二次电子产生率。固体薄膜253(1994)，151报告了一个反射式电子倍增器用金刚石作为电子倍增装置的一个例子。这个电子倍增器包含一个用Mo，Pd，Ti，或AlN，或类似的原料做成的基片，以及一个安置在基片上的、其表面有氢化连接的金刚石薄膜，因此，增强了二次电子的发射效率。
本发明研究了上述常规工艺，发现了下列问题。在上述的反射式电子倍增器的金刚石薄膜中，用于原电子入射的表面也是二次电子发射的表面。这将引起这样的问题：当原电子以二维分布入射到金刚石薄膜时，以及当二次电子以二维分布从这个表面类似地发射到原电子的入射表面时，实质上就不可能抽取二次电子作为保存二维分布信息的信号，这是由电子源，电子倍增器和阳极的几何布局决定的。这样，待检测光(今后称为被检测光)的入射位置不可能用装有这样的反射式电子倍增器的电子管检测到。
因此，本发明的一个目的就是提供一个具有高的二次电子产生率性能和容许检测被检测光入射位置的结构的传输式电子倍增器，以及一个装有这种传输式电子倍增器的电子管。
根据本发明，传输式电子倍增器作为一种电子倍增装置，它二次倍增入射电子并输出二次电子，采用这种传输式电子倍增器的电子管至少有下列组成部分：一个封闭容器；一个放置在封闭容器中的电子源，用它在封闭容器中发射电子；一个安置在封闭容器中并面对电子源的阳极；一个安置在电子源和阳极之间的传输式电子倍增器。
特别地，根据本发明，传输式电子倍增器包括：采用金刚石或以金刚石为主要成分的材料做成的、用作电子倍增装置的金刚石薄膜，这个金刚石薄膜有一个来自电子源的电子入射的第一主表面，还有一个面对第一主表面的、用以输出二次电子的第二主表面；一个支撑金刚石薄膜的、用以补偿金刚石薄膜刚性的加固部件，这个加固部件有一个用以至少也要显露一部分金刚石薄膜的孔。
当这个电子倍增装置是由具有上述高的二次电子产生率的、有预定厚度的金刚石制成的薄膜所组成时，它就有可能用二次电子倍增器装置产生的电子来有效地穿越这个薄膜。就大量产品和产品价格而论，这种金刚石薄膜最好是一种彼此独立的多晶颗粒或素烧(porous)颗粒的聚积体。
根据本发明，传输式电子倍增器中的加固部件不仅可由那种把加固部件安置在金刚石薄膜的主表面上来加固金刚石薄膜的结构所组成，还可用下列结构来组成。特别地，加固部件可以具有这样的结构：用一对固定金刚石薄膜边缘部分的构件(第一和第二元件)来加固金刚石薄膜。这种情况下，第一和第二元件的每个构件提供孔来显露金刚石薄膜的第一主表面和第二主表面，因此允许电子的入射和发射。
再者，加固部件还可由采用具有多元孔的一对平板元件(第三和第四元件)来固定金刚石薄膜的那种结构来构造。特别地，在这种结构情况下，金刚石薄膜的刚性可以得到充分地补偿，这是因为每个构件都可附加到金刚石薄膜中，以致覆盖金刚石薄膜的整个第一主表面或第二主表面。既然每个构件都有多个的孔，所以金刚石薄膜的每个主表面的大部分都被显露出来。因此，传输式电子倍增器能有相当的强度来承受装配或类似操作中的摆弄。
另一方面，根据本发明，在装有传输式电子倍增器的电子管中，传输式电子倍增器能有效地使出自电子源预定部位的电子发生二次电子倍增，以便二次电子入射到阳极。
在上述电子管中，如果电子源是一个用于在待检测光的相应入射位置发射光电子的光电阴极，如果阳极有一个荧光薄膜，经由出自相应的传输式电子倍增器的入射部位即光电阴极的光电子的入射部位发射的二次电子入射，使相应的二次电子入射部位发射光，则此待检测光就能成象。即装有有传输式电子倍增器的电子管也能得到被检测光或类似光的入射部位的二维信息。
这里的光电阴极是一种电极，用以发射由入射光的价电子带到导带激励的光电子。
本发明可由下面给出的详细描述和附图得到更加全面的理解。这些附图仅是说明性的，但不能作为对本发明的限定。
本发明的进一步可应用领域可从下面给出的详细描述中明显看出。不过，应当明白，尽管指出了本发明所提出的实施例，但给出的详细描述和具体例子也仅仅是说明性的，因为对本领域的技术人员来说，在本发明的精神和范围内的各种变化和修正将是十分明显的。
图1是电子管结构的原理性截面图，是本发明的电子倍增器的第一实施例。
图2是由图1中箭头A指定的方向观察第一实施例的电子倍增器时得到的电子倍增器的平面图。
图3～5分别是按本发明制造电子倍增器的过程的原理性示图。
图6是在薄膜中，在多晶金刚石薄膜中产生的光电子的行为的说明图。
图7阐明按本发明应用电子倍增器的第二实施例而得到的电子管结构的原理性截面图。
图8是由图6中箭头B指定的方向观察第二实施例的电子倍增器时得到的电子倍增器的平面图。
图9描述按本发明的电子倍增器的第三实施例所得结构的原理性透视图。
图10阐明由图9直线C-C指定的方向观察第三实施例的结构时得到的原理性截面图。
本发明所提实施例将用图1至图10进行详细描述。在这些图中，等价的或相当的位置将用同一的参考标号来指明。
图1展示了按本发明将电子倍增器的第一实施例用于电子管时的电子管结构，这个电子管是一种能检测弱光入射又作为增强二维图像信息的图像增强管10。内部处于减压状态的封闭容器12有一个入口窗口14，以便被检测光进入其内部，还有一个检测窗口16，以便增强后的被检测光发射到外部，这里把入口窗口14和检测窗口16安排为彼此相对的。作为电子源的光电阴极18安置在入口窗口14的内表面上，包含用荧光材料(荧光薄膜)22涂覆过的玻璃壳24的阳极安置在检测窗口16的内表面上。芯柱管座26a，26b的一端电连接到阳极20的每个侧面，每个芯柱管座26a，26b的另一端穿越封闭容器12延伸到外部。芯柱管座26a，26b用密封玻璃28固定到封闭容器12，进而固定了阳极20。光电阴极18上预定的正电压经由芯柱管座26a，26b加到阳极20。
传输式电子倍增器30安装在光电阴极18和阳极20之间。如图1和图2所示，从大量产品和产品价格的观点来看，这个实施例中的传输式电子倍增器30有一块圆形状的多晶金刚石薄膜32，它具有负电子亲和势。这时，金刚石薄膜32的厚度最好小于二次电子的平均自由路程，不过这个平均自由路程强烈地依赖于金刚石薄膜32的结晶性质。
另一方面，金刚石薄膜32本身需要有一定的厚度来保证机械强度。机械强度取决于金刚石薄膜32的结晶性质，非金刚石成分在金刚石薄膜32中占有的百分比，以及金刚石薄膜32的面积或密度。因此，金刚石薄膜32的厚度要针对金刚石薄膜32的薄膜组织，考虑到各种条件下达到的薄膜质量来决定。
再者，既然这个实施例中的金刚石层有一层薄膜，那么其刚性就低。这样它就易于变形或损伤。因此，把一对用类似钼(MO)这样的材料做成的环形金属加固框架34a和34b固定到金刚石薄膜32的周围，以夹持这个薄膜，达到补尝金刚石薄膜32的刚性较低的目的。
在图1和图2的实施例中，利用密封玻璃28把芯柱管座38a和38b固接到封闭容器，使其延伸出封闭容器12。每个芯柱管座38a和38b的上端都有夹持部分36a和36b，以夹持加固框架的周缘。采用这种架构，就可把传输式电子倍增器30固定在光电阴极18和阳极20之间。更可取地是，把光电阴极18上的几百到几千伏的正电压经由芯柱管座38a和38b加到传输式电子倍增器，同时把几百到几千伏的负电压加到阳极。
图3－5是传输式电子倍增器30制作过程的示意图。在这个制造过程中，为了制作传输式电子倍增器30，用了微波等离子体增强的化学汽相淀积(以下称为“微波等离子体CVD”)方法。
首先，将商售Si基片安置在微波等离子体CVD系统的淀积室内。采用Si基片的原因在于，既然Si基片的质量稳定，那自然有利于制作金刚石薄膜。其次，如图3所示，当把作为激励气体的氢送入淀积室时，利用微波就达到了等离子状态。
当在等离子状态下，作为原材料的甲烷(CH4)在淀积室入口处附近被氢离子游离。当CH4游离出的炭淀积到Si基片上的金刚石型晶体结构中时，就制成了金刚石薄膜，例如，这时的厚度大约为6μm。
因为这个制造过程用Si作为基片，所以能制造出大面积的、均匀的金刚石薄膜。金刚石薄膜可以添加硼(B)，使其有p-型导电性，也可把乙硼烷(B2H6)加到金刚石薄膜的薄膜组织中。添加B不一定是实质性的，不过，根据本发明的试验结果，与没有添加B的金刚石薄膜相比，添加了B的金刚石薄膜有更高的二次电子产生率，特别是采用高加速电压时更是如此。如图4所示，在薄膜构成后，经由氢氟酸加硝酸(HF+HNO3)的混合溶液腐蚀将Si基片排除掉，进而得到多晶金刚石薄膜。通过粘合剂300把金刚石薄膜的周边连接到由MO做成的加固框架34a和34b，从而对金刚石薄膜实现机械夹持(参见图5)。
当被检测光(Hv)入射到图1所示的图像增强管10中的入口窗口14内时，从光电阴极18的底表面发射出作为原电子的光电子(e-)以便在被检测光入射的相应位置形成二维光电图像。因为光电阴极上的预定电压是经由芯柱管座36a和36b加到传输式电子倍增器30，所以形成二维光电图像的光电子是加速后进入传输式电子倍增器的。
如图6所示，形成二维光电图像的光电子入射到电子倍增器，其能量在厚度均匀的多晶金刚石薄膜中丧失，建立起电子空穴对，从而倍增地生成二次电子。这时，二次电子产生率高，这是因为金刚石薄膜32具有负电子亲和势。由于金刚石薄膜32是多晶的，所以有效的二次电子主要沿晶界移动到底表面。二次电子在光电子入射的位置的几μm的范围内从图6箭头所示的金刚石薄膜底表面均匀地发射，这在实际应用中不会发生问题。因此，与入射光电子形成二维光电图像相对应的、由倍增生成的二次电子(形成二次电子图像)是从传输式电子倍增器的底表面发射的。
由于传输式电子倍增器30上的正电压是加到阳极20，所以形成二次电子图像的二次电子入射到阳极20。二次电子入射时损失的动能使加固材料在预定位置(相当于二次电子的入射位置)发射荧光，所以通过检测窗口16可以看见对应于二维光电图像的二维图像。因此，在充分强化状态下，在弱被检测光的入射位置，这个装有了传输式电子倍增器30的实施例中的电子管就能得到二维图像。
包含在第一实施例的传输式电子倍增器30中的多晶金刚石薄膜32变成多孔状态，所以发射出更多的二次电子。为了加固这个多孔金刚石薄膜，如上述加固金刚石薄膜的结晶性32的方法一样，也采用了微波等离子体CVD处理。在这种方法下，金刚石薄膜的密度在一定程度上可用在薄膜组织上加氢气压力那样的形成薄膜的方法来控制。加大这个压力，此多孔多晶金刚石薄膜的密度可以更低。
这时得到的金刚石薄膜32基本上可认为是一种彼此独立的颗粒的聚集体。金刚石薄膜32本身的机械强度因而更低了，所以这种金刚石薄膜比前述薄膜应有更大的厚度。
制造多孔多晶金刚石薄膜32的方法不限于上述方法，例如，还可用烧结颗粒单晶金刚石微颗粒的方法来制造这类Si基片32。
这对加固框架34不限于图1和图2中的那种夹持金刚石薄膜周缘的实施例。具体地，图7和图8示出了本发明提出的传输式电子倍增器第二实施例的结构。在第二实施例中，Si的环形金属加固框架340连接到上述多晶金刚石薄膜32的周缘部位，因此补偿了刚性。
为了通过粘合剂300把加固框架340连接到多晶金刚石薄膜32，首先用微波等离子体CVD处理方法在Si基片上形成微多晶金刚石薄膜，再用光致抗蚀剂或类似的抗蚀剂屏蔽Si基片的周缘。其次，用HF和HNO3混合溶液腐蚀法，将Si基片的中心部位排除，进而得到多晶金刚石薄膜32。
再者，上述传输式电子倍增器是多晶金刚石薄膜或是多孔多晶金刚石薄膜，但其一部分可以是单晶的、石墨的或类金刚石薄膜。
正如上述，制造出具有高的二次电子产生率的金刚石薄膜的传输式电子倍增器，本发明提出的传输式电子倍增器与其配套的电子管就能检测被检测光入射的位置。进而装有传输式电子倍增器的电子管能加强弱光图像。
因此，根据上述发明，本发明显然有多种变形。这种变形不能认为违背了本发明的精神和范围，所有的这种变形对本领域的技术人员来说都，显然是下述权力范围在工艺技能方面的延伸。
因此，1997年9月7日提出的基本的日本申请号295189/1996可按规定合并。
Claims (11)
1.一种传输式电子倍增器包括：
用于金刚石或以金刚石为主要成分的材料做成的电子倍增装置的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜有第一主表面和面对第一主表面的第二主表面，来自电子源的电子入射到第一主表面，第二主表面用来输出二次电子；
支撑所述金刚石薄膜的加固部件，用来加固所述金刚石薄膜，这个加固部件有孔，它用于至少能显露所述金刚石薄膜的一部分。
2.根据权利要求1的传输式电子倍增器，其中所述的金刚石薄膜由多晶金刚石或以多晶金刚石为主的材料制成。
3.根据权利要求1的传输式电子倍增器，其中所述的金刚石薄膜是多孔薄膜或由彼此独立的颗粒聚积体组成。
4.根据权利要求1的传输式电子倍增器，其中所述的加固部件包括：
在所述金刚石薄膜的第一主表面上安置的第一部件，它有一个孔，至少可显露所述第一主表面的一部分；
在所述金刚石薄膜的第二主表面上安置的第二部件，它与所述第一部件协同支撑所述金刚石薄膜，所述第二部件有一个孔，用来显露所述金刚石薄膜的第二主表面。
5.根据权利要求1的传输式电子倍增器，其中所述的加固部件包括：
第三部件用来覆盖所述金刚石薄膜的整个第一主表面，这个第三加固部件有按预定间距排列的多个孔，以显露所述金刚石薄膜的第一主表面的相关部分；
覆盖在所述金刚石薄膜的整个第二主表面上用第四部件，它与所述第三部件协同支撑所述金刚石薄膜，所述第四部件有按预定间距排列的多个孔，以显露所述金刚石薄膜的所述主表面的相关部分。
6.一种电子管包括：
封闭容器；
安放在所述封闭容器中的电子源，用于向封闭容器内发射电子；
安放在所述封闭容器中并面对所述电子源设置的阳极；
装在所述电子源和所述阳极之间的传输式电子倍增器，此传输式电子倍增器包括：
用于金刚石或以金刚石为主要成分的材料做成的电子倍增装置的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜有第一主表面和面对第一主表面的第二主表面，来自电子源的电子入射到第一主表面，第二主表面用来输出二次电子；
支撑所述金刚石薄膜的加固部件，用来加固所述金刚石薄膜，这个加固部件有孔，它至少能显露所述金刚石薄膜的一部分。
7.根据权利要求6的电子管，其中所述的电子源包括光电阴极，它是一个电极，以便在被检测光的入射部位，发射由待检测光激励的光电子，其频带从价电子带到导带；
其中所述的阳极包括荧光薄膜，用由电子倍增器输出的二次电子入射到相应入射位置，对所述的传输式电子倍增器，则由所述的阴极发射的光电子入射，荧光薄膜在二次电子入射位置发射光。
8.根据权利要求6的电子管，其中所述的传输式电子倍增器的金刚石薄膜是用多晶金刚石或以多晶金刚石为主要成份的材料制成的。
9.根据权利要求6的电子管，其中所述的传输式电子倍增器的所述金刚石薄膜是多孔薄膜，由彼此独立的颗粒聚集体组成。
10.根据权利要求6的电子管，其中所述的传输式电子倍增器的所述加固部件包括：
在所述金刚石薄膜的第一主表面上安置的第一加固部件，它有一个孔，至少可显露所述第一主表面的一部分；
在所述金刚石薄膜的第二主表面上安置的第二加固部件，它与所述第一加固部件协同支撑所述金刚石薄膜，所述第二部件有一个孔，用来显露所述金刚石薄膜的第二主表面。
11.根据权利要求6的电子管，其中所述的传输式电子倍增器的加固部件包括：
第三部件，用来覆盖所述金刚石薄膜的整个第一主表面，该第三加固部件有按预定间距排列的多个孔，以显露所述金刚石薄膜的第一主表面的相关部分；
覆盖在所述金刚石薄膜的整个第二主表面上的第四加固部件，它与所述第三加固部件协同支撑所述金刚石薄膜，所述第四加固部件有按预定间距排列的多个孔，以显露所述金刚石薄膜的第二主表面的相关部分。
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