CN1305638A - 电子管 - Google Patents

Abstract

将离子约束电极(22)及离子捕获电极(23)配置在光电面(20)与第1级倍增器电极(24a)之间,以防止电子管光电面(20)的灵敏度变坏,并且对于长时间使用可得到稳定的输出。将这些电极的电位设定成:离子约束电极(22)的电位比第1级倍增器电极(24a)的电位高,离子捕获电极(23)的电位比光电面(20)的电位高或相等并且比第1级倍增器电极(24a)的电位低。由此,能有效地抑制在第1级倍增器电极(24a)附近发生的正离子朝向光电面(20)的离子反馈,其结果,可防止光电面(20)的灵敏度变坏,并且对于长时间使用可得到稳定的输出。

Description

电子管

技术领域

本发明涉及具备对入射光进行光电变换并发射电子的光电面(photocathode)及利用二次电子发射对入射电子流进行倍增的电子倍增部的电子管。

背景技术

作为电子管之一种的光电倍增管，广泛用于原子核和高能物理以及核医学领域中的各种测量。

图1(a)及图1(b)示出现有光电倍增管之一例，图1(a)为俯视图，图1(b)为剖面图。在此示出的光电倍增管由下述部件构成：接受入射光的圆形的受光面板11；在受光面板11的内侧形成，其电位保持为0伏的光电面20以及由多级倍增器电极(dynode)24a～24n构成的电子倍增部24。以层叠状态排列了从第1级倍增器电极24a到第m级倍增器电极24m这多个倍增器电极，在配置在第m极倍增器电极24m下方的阳极电极26的正下侧配置了末级倍增器电极24n。第1级倍增器电极24a对光电面20为正电位，由光电面20发射的电子入射到该第1级倍增器电极24a。从第1级倍增器电极24a到第m级倍增器电极24m以矩阵状形成多个电子倍增孔。把具有电子聚束部21a的聚束电极21配置在光电面20与电子倍增部24之间，使其保持与光电面20为同电位。由此，由光电面20发射的光电子在被电子聚束部21a进行了聚束之后，入射到第1级倍增器电极24a的规定区域内。

但是，在现有的光电倍增管中，随着长时间使用，光电面的灵敏度变坏，其结果是产生了对于入射光的光电倍增管的输出降低这样的问题。这样的问题特别是在使用了砷化镓(GaAs)等的半导体光电面的光电倍增管中，显著地表现出来。

发明的公开

本发明之目的在于，提供在具有光电面及电子倍增部的电子管中防止光电面的变坏且在长时间使用中可产生稳定的输出的电子管。

为了达到这样的目的，发明人对上述光电面变坏的原因进行研究的结果，发现了，其它电子与在电子倍增部中最靠近光电面的电子入射部附近形成的铯(Cs)云碰撞而发生正离子，该正离子被发生部位的电场向光电面加速，引起了与光电面进行碰撞的离子反馈，其结果使光电面变坏。

在该项目中，不管电位的绝对值如何，利用电极间电位差的正负来定义电极间电位的高低，例如当电极A对电极B处于正电位时，定为电极A的电位比电极B的电位高。

在本发明的电子管中，具备对入射光进行光电变换并发射电子的光电面及对由光电面发射的电子进行倍增的电子倍增部，电子倍增部包含位于最靠近光电面处由光电面发射的电子进行入射的电子入射部，将电子入射部的电位设定得比光电面的电位高，其特征在于，将用于约束在电子倍增部中发生的正离子的离子约束电极配置在光电面与电子倍增部之间，并且将用于捕获由离子约束电极约束了的正离子的离子捕获电极配置在离子约束电极与电子入射部之间，将离子约束电极的电位设定得比电子入射部的电位高，将离子捕获电极的电位设定得比光电面的电位高或相等，并且将离子捕获电极的电位设定得比电子入射部的电位低。

在这样的电子管中，由光电面使从外部入射的光变换成光电子，对其朝向对于光电面为正电位的离子约束电极进行加速，在其通过了离子约束电极及离子捕获电极的开口部之后到达电子倍增部的电子入射部。此时，在电子入射部附近发生正离子。

在本发明的电极结构中，对发生了的正离子朝向光电面进行加速，但是由于离子约束电极对于电子入射部为正电位，故正离子不能通过离子约束电极的开口部而到达光电面。正离子最终被设定成比离子约束电极及电子入射部的任一者都低的电位的离子捕获电极捕获，另外一部分被电子入射部本身捕获，由此，可防止光电面的变坏。

此时，通过在不损害从光电面朝向电子倍增部的光电子聚束的范围内将离子约束电极的电位设定成为比作为正离子发生部位的电子入射部高的电位，不使光电子的收集效率降低而能有效地抑制离子反馈及其所引起的光电面的变坏。

本发明中的电子倍增部也可由捕获由光电面发射了的电子并依次进行倍增的多级倍增器电极构成，在此情况下，第1级倍增器电极起到作为电子入射部的功能。电子倍增部也可以是将多根玻璃管捆起来做成了板状结构的微通道板。在此情况下，以与光电面相对的方式来配置微通道板的一个面，以使该面起到作为电子入射部的功能。由电子倍增部倍增了的电子由阳极电极作为电流输出。

本发明对具有由半导体光电材料，例如砷化镓构成的光电面的电子管是特别有效的，但是，离子反馈所引起的光电面变坏一般在使用了除此以外的光电面的电子管中也是会发生的现象，而且可以设想影响到其寿命，因而，本发明的电极结构及各电极的电位设定对于使用了半导体以外的光电面的电子管也是有用的。

本发明的电子管也可以是在光电面与离子约束电极之间具备用于使光电子聚束的聚束电极的结构。此外，离子约束电极及离子捕获电极。也可以是以列状形成光电子通过的多个狭缝，或者是以矩阵状形成光电子通过的多条通路的结构。

附图的简单说明

图1(a)为现有光电倍增管的俯视图；

图1(b)为现有光电倍增管的剖面图；

图2为与本发明光电倍增管有关的实施形态的结构的剖面图；

图3为对图2中示出的光电倍增管的聚束电极、离子约束电极及离子捕获电极的开口结构进行局部剖开示出的斜视图；

图4为示出图2中示出的光电倍增管各电极的电位及正离子在电极间的轨道之计算例的剖面图；

图5为将实施例光电倍增管相对输出的时效变化特性与现有例进行对比的曲线图；

图6为示出光电倍增管的聚束电极、离子约束电极及离子捕获电极的开口结构之另一例的斜视图；以及

图7为多通道板的局部剖开示出的斜视图。

用于实施发明的最佳形态

下面，与附图一起说明本发明的光电倍增管的优选实施形态。在附图的说明中对同一要素附加同一符号，省略重复的说明。此外，附图的尺寸比例与所说明的部件不一定一致。

图2为与本发明实施形态有关的光电倍增管的剖面图。将由多级倍增器电极24a～24n构成的电子倍增部24配置在真空容器10的内部而构成该光电倍增管，真空容器10由下述部分形成：接受入射光的圆形的受光面板11；配置在该受光面板11外周部的圆筒形的金属侧管12及构成基座部的圆形的心柱13。

在受光面板11的内部下表面上形成由GaAs构成的半导体光电面20，保持为电位0伏。为了防止由形成了的GaAs构成的光电面20在组装时的热损伤，由铟密封14的冷密封将受光面板11与金属侧管12接合起来，由支承环14a支承其外侧。

在正方形平板状的金属表面的规定部位上以7级层叠形成了二次电子发射面的金属通道型倍增器电极而构成电子倍增部24。在各级倍增器电极24a～24m上形成了多个电子倍增孔，以狭缝状排列这些电子倍增孔。此外，将阳极电极26及末级倍增器电极24n依次配置在这些层叠了的倍增器电极24a～24m的下部。末级倍增器电极24n是在正方形的金属制板状体上形成了狭缝部的倍增器电极，对其进行排列以使该狭缝部位于阳极电极27的栅格部正下方、并使狭缝部间的电子倍增面位于阳极电极26的狭缝部正下方。通过把末级倍增器电极24n排列在阳极电极26的后级上，可用阳极电极26读取来自末级倍增器电极24n的反射二次电子。

将具有以狭缝状形成了多个开口的电子聚束部21a的聚束电极21配置在光电面20与第1级倍增器电极24a之间。使该聚束电极21保持与光电面20为同电位，由此，利用电子聚束部21a的影响，对于由光电面20发射的光电子进行聚束，使其入射到第1级倍增器电极24a的规定区域内。

作为本实施形态中的特征，将离子约束电极22及离子捕获电极23配置在聚束电极21与第1级倍增器电极24a之间。

图3为关于聚束电极21、离子约束电极22及离子捕获电极23的开口结构部分被剖开示出的斜视图。在离子约束电极22及离子捕获电极23上也与构成了电子聚束部21a的聚束电极21的狭缝状开口对应。以狭缝状形成了多个开口。再有，图3中省略了用于层叠并支承接触端子及电极的结构等开口部以外的结构。

与外部电压端子连接对聚束电极21、各倍增器电极24、离子约束电极22及离子捕获电极23等提供规定电压的管脚17贯通成为基座部的心柱13，由锥状的密封玻璃18将各管脚17对心柱13进行固定。

图4中示出对离子约束电极22、离子捕获电极23、第1级倍增器电极24a及第2级倍增器电极24b设定的电位。聚束电极21的电位是与光电面20同电位的0伏，对第1级倍增器电极24a及第2级倍增器电极24b分别施加94.1伏及188.2伏。与此不同，将离子捕获电极23的电位定为与光电面20为同电位的0伏，对离子约束电极22施加比第1级倍增器电极24a高的188.2伏。关于离子约束电极22的电位在本实施形态中定为与第2组倍增器电极24b相等，由此，可提供不需要增加管脚17的个数的电位。

图4中示出这样设定了各个电极的电位时的电子倍增部24中发生的正离子轨道之计算例。关于引起离子反馈的正离子的发生机构可推测为，由于入射到第1级倍增器电极24a上的光电子的缘故，使吸附于第1级倍增器电极24a的二次电子发射面上的气体分子发射出来，光电子或二次电子通过与该气体分子发生碰撞而正离子化。

在上述电极结构中，在第1级倍增器电极24a附近(图4中的区域A)发生的正离子在电位上被离子约束电极22抑制，最终被离子捕获电极23吸收，另外一部分被第1级倍增器电极24a本身吸收，由此，正离子不能到达光电面。

此外，如果从电子流考虑，则可以设想为，第2级以后的倍增器电极附近那方正离子的发生个数较多。图4中示出了在第2级倍增器电极24b附近(图4中的区域B)发生的正离子的轨道之计算例，这些正离子被前级的倍增器电极吸收、因而，在此情况下被第1级倍增器电极24a，或者被第2级倍增器电极24b本身吸收。因此，可以推测出即使在现有的光电倍增管中在第2级以后的倍增器电极附近发生的正离子对离子反馈及其所引起的光电面变坏也没有贡献，因此根据对于离子约束电极22的电位，将其设定得比第1级倍增器电极24a的电位高这样的条件可以得到足够的抑制离子反馈的效果。

将具有由上述实施形态示出的结构的实施例的光电倍增管相对输出的时效变化特性、与没有离子约束电极及离子捕获电极的现有的具有GaAs半导体光电面的光电倍增管加以比较，并示于图5中。现有型器件在100小时后输出下降到55％，与此不同，本发明的改良型器件在100小时后还有98％，且未发现光电面变坏所引起的输出下降，对于长时间使用，可实现非常稳定的性能。

本发明不限定于上述实施形态，可应用于各种形态的电子管。在此，本发明中所谓的电子管是在由受光面板、侧管及心柱隔开的内部空间中具有光电面的结构的器件，除了上述光电倍增管之外，其中还包含移像(image)管等。所谓移像管，是通过在光电面上对入射的光学像进行光电变换，变换成光电像，在由电子透镜系统对光电像进行加速和成像、由电子倍增部进行倍增之后入射到荧光面上作为光学像进行再生的电子管。

在上述实施形态中，使用了在各级倍增器电极上具有以狭缝状排列的多个电子倍增孔的金属通道型的倍增器电极，但是，也可以使用具有多个电子倍增孔的金属通道型的倍增器电极。在此情况下，如图6中所示，聚束电极、离子约束电极及离子捕获电极的开口结构也作成与倍增器电极对应的矩阵状的开口。进而，对于在各级倍增器电极上没有多个电子倍增孔的倍增器电极、此外，例如在陶瓷表面的规定部位上形成了二次电子发射面的倍增器电极等金属通道型以外的倍增器电极，也可得到同样的作用和效果。

此外，在上述实施形态中使用了聚束电极，但是，例如在使用了微通道板的光电倍增管或移像管等的未使用聚束电极的情况下，也可得到同样的作用和效果。如图7中所示，微通道板25是将以内壁作为二次电子发射面的微细玻璃管250捆起来做成了板状结构的板，以其一个面(电子入射面)25a与光电面相对、另一个面(电子射出面)25b与阳极电极相对的方式来配置该板。微通道板25是通过多次重复沿玻璃管250对内壁的电子的碰撞及二次电子的发射而对入射电子进行倍增的倍增器电极，可将对于光电面为正电位的微通道板25的电子入射面25a作为电子倍增部的电子入射部来应用本发明。

工业上利用的可能性

在本发明的电子管中，光电倍增管可作为利用特定波长的吸收、反射及偏振来进行各种物质的分析的光分析装置广泛地应用于医用装置、分析装置及工业用测量装置等中。进而，还能应用于X线、恒星观测、太阳观测、大气层内外的环境测量及极光观测中。

Claims (9)

1．一种电子管，其中，具备对入射光进行光电变换并发射电子的光电面(20)及对由光电面(20)发射的电子进行倍增的电子倍增部(24、25)，上述电子倍增部(24、25)包含位于最靠近上述光电面(20)处并由上述光电面(20)发射的电子进行入射的电子入射部(24a、24b)，将上述电子入射部(24a、25a)的电位设定得比上述光电面(20)的电位高，其特征在于：

将用于约束在上述电子倍增部(24、25)中发生的正离子的离子约束电极(22)配置在上述光电面(20)与上述电子倍增部(24、25)之间，并且

将用于捕获由上述离子约束电极(22)约束了的正离子的离子捕获电极(23)配置在上述离子约束电极(22)与上述电子入射部(24a、25a)之间，

将上述离子约束电极(22)的电位设定得比上述电子入射部(24a、25a)的电位高，

将上述离子捕获电极(23)的电位设定得比上述光电面(20)的电位高或相等，并且将上述离子捕获电极(23)的电位设定得比上述电子入射部(24a、25a)的电位低。

2．根据权利要求1中所述的电子管，其特征在于：上述电子倍增部由捕获从光电面(20)发射了的电子并依次进行倍增的包含第1级倍增器电极(24a)的多级倍增器电极(24a至24n)构成，上述第1级倍增器电极(24a)起到作为上述电子入射部的功能。

3．根据权利要求1中所述的电子管，其特征在于：上述电子倍增部由将多根玻璃管捆起来做成了板状结构的微通道板(25)构成，以其一个面(25a)与上述光电面(20)相对的方式来配置上述微通道板(25)，使上述微通道板(25)的上述一个面(25a)起到作为上述电子入射部的功能。

4．根据权利要求1-3的任一项中所述的电子管，其特征在于：还具备取出由上述电子倍增部进行了倍增的电子的阳极电极(26)。

5．根据权利要求1-4的任一项中所述的电子管，其特征在于：上述光电面(20)由半导体光电材料构成。

6．根据权利要求5中所述的电子管，其特征在于：上述半导体光电材料由砷化镓构成。

7．根据权利要求1-6的任一项中所述的电子管，其特征在于：将用于使光电子聚束的聚束电极(21)配置在上述光电面(20)与上述离子约束电极(22)之间。

8．根据权利要求1-7的任一项中所述的电子管，其特征在于：在上述离子约束电极(22)及上述离子捕获电极(23)上以列状形成了光电子通过的多个狭缝。

9．根据权利要求1-8的任一项中所述的电子管，其特征在于：在上述离子约束电极(22)及上述离子捕获电极(23)上以矩阵状形成了光电子通过的多个通路。

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