DE69733730T2

DE69733730T2 - Elektronenröhre

Info

Publication number: DE69733730T2
Application number: DE69733730T
Authority: DE
Inventors: Motohiro Hamamatsu-shi Suyama; Yoshihiko Hamamatsu-shi Kawai; Suenori Hamamatsu-shi Kimura; Ken Hamamatsu-shi Hirano; Norio Hamamatsu-shi Asakura; Tetsuya Hamamatsu-shi Morita
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2017-05-03
Also published as: US5917282A; EP0805478A3; EP0805478B1; DE69733730D1; EP0805478A2; JPH09297055A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Photodetektor für das quantitative Messen von schwachem Licht und insbesondere eine Elektronenröhre mit einer Photokathode und einer Messeinrichtung für das Erfassen von von der Photokathode emittierten Photoelektronen.
ALLGEMEINER STAND DER VERWANDTEN TECHNIK
Eine Elektronenröhre, durch die eine Elektronenlinse von einer Photokathode emittierte Photoelektronen beschleunigt und fokussiert und die Photoelektronen auf eine Messeinrichtung wie beispielsweise ein Halbleiterbauelement fallen, damit eine hohe Verstärkung erhalten wird, ist allgemein bekannt. Die konventionelle Elektronenröhre wird beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentschrift Nr. 6-318447, in US-PS Nr. 5,120,949 oder 5,374,826 oder in G. A. Johansen: "Operational characteristics of an electron-bombarded silicon-diode photomultiplier tube", Nuclear Instruments and Methods In Physics Research A326 (1993), S. 295–298, offenbart.
Insbesondere offenbart die offengelegte japanische Patentschrift Nr. 6-318447 oder US-PS Nr. 5,374,826 eine Elektronenlinse, die aus einer Plattenelektrode mit einem Öffnungsabschnitt für das Durchlassen von Photoelektronen besteht. Andererseits offenbart die US-PS Nr. 5,120,949 oder die Quellenangabe von G. A. Johansen eine Elektronenlinse, die aus einer zylinderförmigen Elektrode mit einem Öffnungsabschnitt für das Durchlassen von Photoelektronen besteht.
EP-A-0495283 zeigt eine Einrichtung, die dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht. Bei dieser Einrichtung weist die Kathode zwei konzentrische zylinderförmige Bereiche auf, die durch einen kurzen konischen Übergangsbereich miteinander verbunden sind. Ein distales Ende der Kathode schließt in einem nach außen gebogenen Rand mit rechteckigem Querschnitt ab.
EP 0714117A (Hamamatsu Photonics) gehört laut Artikel 54(3) EPÜ nur für FR, DE und GB zum allgemeinen Stand der Technik. Dort wird ein Aufbau mit den Merkmalen von Anspruch 1 für Italien offenbart.
PROBLEME DES STANDES DER TECHNIK
Die Erfinder sind bei der genaueren Untersuchung des oben angegebenen Standes der Technik auf folgende Probleme gestoßen. Die Elektronenröhre, deren Elektronenlinse aus der Plattenelektrode besteht, weist insbesondere einen Aufbau auf, bei dem die Innenwand des Gehäuses, die im Wesentlichen aus einem Isoliermaterial besteht, Photoelektronen ausgesetzt ist, die durch das Vakuum hindurchgehen. Bei der Elektronenröhre mit dem oben genannten Aufbau werden die Umlaufbahnen der Elektronen aufgrund der Ventilinnenwand gestört, die durch vagabundierende Elektronen aufgeladen wird, so dass keine stabile Ausgangsleistung erzielt werden kann.
Bei der Elektronenröhre mit der Elektronenlinse, die aus der zylinderförmigen Elektrode besteht, tritt bei Anlegen einer Spannung an die Photokathode, die ungefähr –7 kV übersteigt, ein intermittierendes Entladen auf, was zu einer Begrenzung der Durchschlagspannung führt. Auf diese Entladung folgt häufig eine Lichtemission. Durch die Entladung emittiertes Licht durchläuft eine beliebige Strecke und kehrt zur Photokathode zurück, wodurch ein Pseudosignal (Rauschen) erzeugt wird. Dieses Pseudosignal führt zu einer wesentlichen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses beim Messen von schwachem Licht.
Bei der Elektronenröhre, die als Messeinrichtung das Halbleiterbauelement zum Vervielfachen der von der Photokathode emittierten Photoelektronen aufweist, kommt es in der Regel nicht zu einer Entladung, wenn die an die Photokathode anzulegende Spannung auf der positiven Seite von –6 kV liegt, allerdings ist die Verstärkung des Halbleiterbauelements unzureichend. Dieses Problem lässt sich nicht vermeiden, da die Elektronenröhre mit dem Halbleiterbauelement Kenndaten aufweist, laut denen die Energie von auf das Halbleiterbauelement fallenden Elektronen in die Verstärkung umgewandelt wird.
Außerdem wird der isolierende Behälter selbst dann aufgeladen, wenn die Elektronenlinse zylinderförmig ist, wodurch die Umlaufbahnen der Elektronen instabil werden, solange der isolierende Behälter den Umlaufbahnen der Elektronen direkt ausgesetzt ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektronenröhre bereitzustellen, die die Umlaufbahnen von Elektronen stabilisiert, die von einer Elektronenlinse beschleunigt und fokussiert werden, und dabei eine hohe Verstärkung beibehält, indem an die Photokathode eine Spannung von ungefähr –15 kV angelegt wird, und einen Aufbau aufweist, durch den Rauschen aufgrund von Entladung effektiv auf ein Minimum reduziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Elektronenröhre nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Um den durch die Ladung des isolierenden Behälters verursachten Nachteil zu vermeiden, verringert sich die Querschnittsfläche (die Querschnittsfläche des sich verjüngenden Abschnittes, die durch eine senkrecht zur Richtung der Röhrenachse verlaufende Ebene definiert wird) des durch den sich verjüngenden Abschnitt der Kathode definierten Durchgangsloches von der Photokathode zum Fuß hin so, dass der sich verjüngende Abschnitt von der Photokathode bis zum Fuß hin von der Innenwand des isolierenden Behälters getrennt ist. Anders ausgedrückt wird die Fläche der fußseitigen Öffnung des Durchgangsloches der Kathode so gewählt, dass sie kleiner ist als die Fläche der Öffnung des Durchgangsloches der Kathode auf der Seite der photoelektrischen Fläche. Zusätzlich dazu ist der distale Endabschnitt (auf der Fußseite der Kathode) des sich verjüngenden Abschnittes mit einer vorgegebenen Krümmung in dem isolierenden Behälter nach innen gebogen.
Die Krümmung verhindert eine Feldkonzentration und realisiert dementsprechend einen Aufbau, der eine schwache Entladung verhindert, die bei Anlegen einer hohen Spannung wahrscheinlich auftritt und zu einem Rauschsignal führen und somit die Leistung der Einrichtung verschlechtern kann.
Die Ausführungsform weist vorzugsweise eine Elektronenlinse auf, die in einem Zwischenraum zwischen der Photokathode und dem Fuß angeordnet ist und die von der Photokathode emittierten Photoelektronen beschleunigt und in ihrer Umlaufbahn fokussiert.
Die Elektroneneintrittsfläche ist in der Eintrittsfläche einer Messeinrichtung zum Erfassen der von der Photokathode emittierten Photoelektronen enthalten und entspricht beispielsweise der Elektroneneintrittsfläche eines Halbleiterbauelements wie einer Lawinenphotodiode zum Vervielfachen der von der Photokathode emittierten Photoelektronen (die die Energie der Elektronen in eine Verstärkung umwandelt). Der Aufbau der Elektronenröhre stellt in ausreichendem Maße die Kriechstrecke des isolierenden Behälters sicher, damit eine hohe Spannung zwischen der Kathode und der Anode erhalten bleibt. Mit diesem Aufbau kann man eine aus reichende Verstärkung des Halbleiterbauelements erhalten, wenn dieses auf dem Fuß befestigt ist. Das leitfähige Element, das am ersten Öffnungsende des isolierenden Behälters angeordnet ist, stützt die Photokathode und die Kathode. Die Kathode ist durch das leitfähige Element elektrisch mit der Photokathode verbunden (die Kathode und die Photokathode sind auf das gleiche Potential eingestellt).
Vorzugsweise erstreckt sich ein Teil der Anode in der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung an der Innenwand des isolierenden Behälters entlang zur Photokathode hin. Die fußseitige Öffnung des Durchgangsloches der Kathode und der Öffnungsteil der Anode sind im Innenraum des isolierenden Behälters positioniert, wobei der Innenraum des isolierenden Behälters durch die erste und die zweite Öffnung des isolierenden Behälters definiert wird. Genauer gesagt ragt die Kathode zur Anode hin und die Anode zur Kathode hin vor. Anders ausgedrückt realisiert die Elektronenröhre unter dem Gesichtspunkt der Stabilisierung eines Ausgangsstroms einen Aufbau, bei dem die Kathode nahe bei der Anode liegt, während eine ausreichende Kriechstrecke des isolierenden Behälters sichergestellt wird. Bei diesem Aufbau lässt sich die direkt freiliegende Innenwand des isolierenden Behälters im Hinblick auf Elektronen von der Kathode zur Anode hin auf ein Minimum reduzieren.
Die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise eine Kollimatorelektrode, die ein Durchgangsloch aufweist, das von der Photokathode zum Fuß hin verläuft und durch das die Photoelektronen hindurchgehen, die durch den Öffnungsabschnitt der Anode hindurchgegangen sind, und in der Anode untergebracht ist, um die Umlaufbahnen der in das Durchgangsloch eintretenden Photoelektronen zu korrigieren. Die Kollimatorelektrode korrigiert die Umlaufbahnen der von der Photokathode emittierten Elektronen so, dass die Elektronen senkrecht auf die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements fallen. Bei diesem Aufbau behält die Elektronenröhre eine hohe Unterscheidungsfähigkeit hinsichtlich der Anzahl der Elektronen bei. Die Querschnittsfläche (die Fläche des Durchgangslochs, die von einer senkrecht zur Richtung der Röhrenachse verlaufenden Ebene definiert wird) des Durchgangslochs der Kollimatorelektrode verringert sich von der Photokathode zum Fuß hin, um diese Funktion zu verbessern.
Es wird nun die strukturelle Beziehung zwischen Kollimatorelektrode und Elektroneneintrittsfläche beschrieben. Die Fläche der fußseitigen Öffnung des Durchgangsloches der Kollimatorelektrode ist kleiner als die der Elektroneneintrittsfläche. Insbesondere ist die wirksame Fläche der Elektroneneintrittsfläche, auf die senkrecht Elektronen mit von der Kollimatorelektrode korrigierten Umlaufbahnen fallen, kleiner als die Fläche der Elektroneneintrittsfläche. Dies liegt daran, dass unter dem Gesichtspunkt des Schutzes der Einrichtung ein Beschuss von anderen Abschnitten als der Elektroneneintrittsfläche mit Elektronen und gleichzeitig unnötige Ladung verhindert werden muss.
Die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise eine Abschirmplatte aus Metall mit einem Öffnungsabschnitt zum Halten der Kollimatorelektrode, damit diese an einer vorgegebenen Position in der Anode befestigt wird. Diese Abschirmplatte verhindert auch, dass sich Elektronen zu anderen Abschnitten als der Elektroneneintrittsfläche ausbreiten. Die Abschirmplatte ist direkt an der Innenwand der Anode befestigt und stützt mit ihrem Öffnungsabschnitt direkt die Kollimatorelektrode. Bei diesem Aufbau werden die Anode und die Kollimatorelektrode auf das gleiche Potential eingestellt. Der Durchmesser des Öffnungsabschnittes der Abschirmplatte ist kleiner als der maximale Außendurchmesser der Kollimatorelektrode, damit die Kollimatorelektrode direkt gestützt wird.
Um die Schwankungen bei der Laufzeit der Photoelektronen von der Photokathode zur Elektroneneintrittsfläche zu minimieren, weist der Fuß vorzugsweise einen Aufbau zum Einstellen der Befestigungsfläche auf, auf der beispielsweise das Halbleiterbauelement im Innenraum des isolierenden Behälters befestigt wird.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die den Vorgang des Zusammenbaus einer Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die den Aufbau der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
3 ist eine Ansicht, die den Dichtungsaufbau eines isolierenden Behälters bei der in 2 gezeigten Elektronenröhre zeigt (der Innenraum des isolierenden Behälters steht unter Vakuum),
4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung entlang einer Linie IV-IV in 2 (nach der Ausbildung einer Photokathode) zeigt,
5 ist eine Ansicht, die einen Teil der in 4 gezeigten Schnittansicht zeigt und erläutert, wie eine Kollimatorelektrode an einer Anode angebracht ist,
6 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus einer Kathode bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Draufsicht auf die Kathode von der Photokathodenseite aus und eine Draufsicht auf die Kathode von einer Fußseite aus, wobei der Aufbau der Kathode im Schnitt dem entlang Linie I-I in 1 entspricht,
7 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus der Kollimatorelektrode bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung, eine Draufsicht auf die Kollimatorelektrode von der Photokathodenseite aus und eine Draufsicht auf die Kollimatorelektrode von einer Fußseite aus, wobei der Aufbau der Kollimatorelektrode im Schnitt dem entlang Linie III-III in 1 entspricht,
8 ist eine Ansicht, die einen Teil der in 4 gezeigten Schnittansicht zeigt, d.h. eine Ansicht, die den Aufbau einer am Fuß befestigten Lawinenphotodiode (Halbleiterbauelement) im Einzelnen zeigt,
9 ist eine Draufsicht, die das Halbleiterbauelement von der Photokathodenseite aus zeigt, um die Beziehung zwischen der Elektroneneintrittsfläche und der wirksamen Fläche des Halbleiterbauelements zu erläutern, und
10 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines Glasventils (isolierenden Behälters) bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung entlang einer Linie II-II in 1 zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 10 wird nun eine Elektronenröhre gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Zeichnungen die gleichen Teile, und auf eine ausführliche Beschreibung davon wird verzichtet. Bei der nachfolgenden Ausführungsform wird eine Elektronenröhre beschrieben, die als Messeinrichtung mit einer Elektronen eintrittsfläche für das Aufnehmen von von einer Photokathode emittierten Photoelektronen ein Halbleiterbauelement aufweist, das die von der Elektroneneintrittsfläche einfallenden Elektronen vervielfacht. Die Elektronenröhre mit dem Halbleiterbauelement wird effektiv als Photodetektor zum quantitativen Messen von sehr schwachem Licht mit ungefähr 10 Photoelektronen pro Ereignis verwendet.
In 1 besteht ein isolierender Behälter 5 aus einem hohlzylindrischen Glasventil mit einer Gesamtlänge von 24 mm und einem Durchmesser von ungefähr 25 mm. Zylinderförmige Flansche 4 und 9 aus einem Kovar-Metall mit einer Höhe von jeweils 3,5 mm sind auf die Seite einer ersten Öffnung 500 bzw. die Seite einer zweiten Öffnung 501 des isolierenden Behälters 5 aufgeschmolzen. Ein Einspritzrohr 50 zum Evakuieren des Behälters 5 und Einspritzen von Metalldämpfen für das Ausbilden einer Photokathode ist in der Seitenwand des Glasventils 5 ausgebildet.
Eine Eingangsflächenplatte 1 besteht aus einer Glasplatte und weist eine erste Oberfläche 1a auf, die auf der Lichteintrittsseite positioniert ist, und eine zweite Oberfläche 1b, die auf einer der ersten Oberfläche 1a gegenüberliegenden Seite positioniert ist und eine einem Fuß 10 zugewandte konkave Fläche aufweist. Diese Glasplatte 1 ist mit einem Flansch 2 aus einem Kovar-Metall verschmolzen. Der Flansch ist an dem mit dem Glasventil 5 verschmolzenen Flansch 4 befestigt und damit verschweißt. Eine Photokathode 16 (photoelektrische Fläche) mit einem wirksamen Durchmesser von 16 mm wird später auf der zweiten Oberfläche 1b der Glasplatte 1 ausgebildet.
Der Fuß 10 aus einem Kovar-Metall ist an dem mit dem Glasventil 5 verschmolzenen Flansch 9 befestigt und damit verschweißt, um den Abstand zwischen der Photokathode 16 und einem Halbleiterbauelement 14 (Elektroneneintrittsfläche) zu definieren. Der Fuß 10 besteht aus den Elementen 11, 12 und 13 und besitzt einen konvexen Teilabschnitt, der an seinem Mittelteil zur Photokathodenseite vorsteht. Das Halbleiterbauelement 14 ist auf der Oberfläche des Elements 13, aus dem der Fuß 10 besteht, auf der Seite der photoelektrischen Fläche (Elektronenbefestigungsfläche) befestigt. Ein Anschlussstift 15 ist durch ein in dem Element 13 ausgebildetes Durchgangsloch 130 mit dem Halbleiterbauelement 14 verbunden.
Bei dem Behälter mit dem obigen Aufbau ist eine Elektronenlinse in dem Zwischenraum zwischen der Photokathode 16 (Glasplatte 1) und dem Fuß 10 angeordnet, die die von der Photokathode 16 emittierten Photoelektronen beschleunigt und in ihrer Umlaufbahn fokussiert. Diese Elektronenlinse besteht mindestens aus einer Kathode 3, die aus Edelstahl besteht und an dem Flansch 4 befestigt und damit verschweißt ist, und einer Anode 6, die aus Edelstahl besteht und auf ein höheres Potential als das der Kathode 3 eingestellt wird. Die Kathode 3 weist ein Durchgangsloch 300 auf, das sich von der Glasplatte 1 zum Fuß 10 hin erstreckt, und einen sich verjüngenden Abschnitt 33 (siehe 6), der zur Fußseite vorsteht. Die Anode 6 besitzt einen Öffnungsabschnitt 600 für das Durchlassen der Elektronen, die durch die Kathode 3 hindurchgegangen sind, und weist eine hohlzylindrische Form auf, die zur Kathode 3 hin vorsteht. Die Anode 6 ist an dem mit dem Glasventil 5 verschmolzenen Flansch 9 befestigt und damit verschweißt. Da die Kathode 3 an dem Flansch 4 befestigt und damit verschweißt ist, wird sie durch die Flansche 4 und 2 auf das gleiche Potential wie das der Photokathode 16 eingestellt (die Flansche 2 und 4 stellen ein leitfähiges Element dar, das auf der Seite der ersten Öffnung 500 des Glasventils 5 angeordnet ist).
Eine Kollimatorelektrode 8 aus Edelstahl ist in der Anode 6 angeordnet und korrigiert die Umlaufbahnen von Elektronen so, dass die Elektronen, die durch den Öffnungsabschnitt 600 der Anode 6 hindurchgehen, senkrecht auf die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14 fallen. Die Kollimatorelektrode 8 besitzt ein Durchgangsloch 800 für das Durchlassen der Elektronen hin zum Halbleiterbauelement 14. Die Kollimatorelektrode 8 ist mithilfe einer Abschirmplatte 7 aus Metall an einer vorgegebenen Position in der Anode 6 befestigt.
Wie in 1 gezeigt sind die obigen Elemente auf der Seite der ersten Öffnung 500 oder der Seite der zweiten Öffnung 501 des Glasventils 5 in einer Richtung der Röhrenachse AX des Glasventils 5 angebracht, wodurch ein geschlossenes Gehäuse gebildet wird, dessen Innenraum unter Vakuum gehalten wird.
2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht des geschlossenen Gehäuses mit dem oben genannten Aufbau. Während das Gehäuse durch ein Durchgangsloch 51 des Einspritzrohrs 50 evakuiert wird, werden nacheinander Metalldämpfe aus K (Kalium), Na (Natrium) und Cs (Zäsium) durch das Durchgangsloch 51 eingespritzt, damit diese Metalle nacheinander auf der zweiten Oberfläche 1b der Glasplatte 1 abgeschieden werden und mit Sb (Antimon) reagieren, das zuvor auf der zweiten Oberfläche 1b abgeschieden worden ist, wodurch die Photokathode 16 als Bereich mit einem wirksamen Durchmesser von ungefähr 16 mm ausgebildet wird. Diese Metalle können selektiv auf der zweiten Oberfläche 1b abgeschieden werden, indem das gesamte Gehäuse erwärmt und gleichzeitig die Glasplatte 1 auf einer relativ geringen Temperatur gehalten wird. Wenn die Photokathode 16 auf diese Weise ausgebildet worden ist, wird das Einspritzrohr 50 so geschnitten, dass es das Durchgangsloch 51 wie in 3 gezeigt verschließt, wodurch das Vakuum in dem geschlossenen Gehäuse (Elektronenröhre) gehalten wird. Die Bezugszahl 52 in 3 bezeichnet einen Teil der geschnittenen Elektronenröhre 50. 4 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau der Elektronenröhre entlang einer Linie IV-IV in 2 nach dem Schneiden des Einspritzrohrs 50 (nach der Ausbildung der Photokathode 16) zeigt. In 4 bezeichnet die Bezugszahl 100 einen verschmolzenen Abschnitt zwischen dem Glasventil 5 und dem Flansch 4 und die Bezugszahl 101 einen verschmolzenen Abschnitt zwischen dem Glasventil 5 und dem Flansch 9.
Bei der Anode 6 handelt es sich um eine Edelstahlelektrode, die aus einem hohlzylindrischen Abschnitt und einem konischen Abschnitt mit dem Öffnungsabschnitt 600 besteht und eine vom Öffnungsende des Glasventils 5 zur Photokathode 16 hin (von der ersten Öffnung 500 des Glasventils 5 nach innen) vorstehende Form aufweist. Die Gesamtlänge der Anode 6 beträgt 18 mm. Der Innendurchmesser des in der Anode 6 ausgebildeten Öffnungsabschnittes 600 beträgt 8 mm. Die Anode 6 mit der oben genannten Form erhält man durch Pressen einer aus einer Edelstahlplatte geschnittenen Scheibe mit einer Öffnung in ihrer Mitte.
Wie in 5 gezeigt ist die Kollimatorelektrode 8 mithilfe der Abschirmplatte 7 an einer vorgegebenen Position in der Anode 6 befestigt. In der Innenwand der Anode 6 ist senkrecht zu einer in 4 gezeigten Lichteintrittsrichtung L (die Lichteintrittsrichtung L entspricht der Richtung AX der Röhrenachse des Glasventils 5) eine Nut 60 (eingreifende Nut) ausgebildet. Die Abschirmplatte 7, deren Randabschnitt in die Nut 60 eingreift, ist an der Anode 6 befestigt und mit ihr verschweißt. Bei diesem Aufbau werden die Abschirmplatte 7 und die Anode 6 auf das gleiche Potential eingestellt. Die Abschirmplatte 7 besitzt einen Öffnungsabschnitt 700 zum Halten der Kollimatorelektrode 8. Durch Befestigen und Verschweißen einer Verbindungsfläche 82 der Kollimatorelektrode 8 mit der Oberfläche der Abschirmplatte 7 auf der Seite der photoelektrischen Fläche, wenn die Kollimatorelektrode 8 in den Öffnungsabschnitt 700 eingeführt wird, wird die Kollimatorelektrode 8 an einer vorgegebenen Position in der Anode 8 befestigt. Der Durch messer des Öffnungsabschnittes 700 der Abschirmplatte 7 ist kleiner als der maximale Außendurchmesser der Kollimatorelektrode 8, damit er die Kollimatorelektrode 8 hält. Bei der Kollimatorelektrode 8 ist die Fläche einer Öffnung 80 des Durchgangsloches 800 auf der Seite der photoelektrischen Fläche größer als die einer fußseitigen Öffnung 81 des Durchgangsloches 800.
Der Aufbau der Kathode 3 bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Die Kathode 3 weist einen sich verjüngenden Abschnitt 33 auf, der das Durchgangsloch 300 definiert. Die Querschnittsfläche (die Fläche des Durchgangslochs 300, die von einer senkrecht zur Richtung AX der Röhrenachse verlaufenden Ebene definiert wird) des Durchgangslochs 300 verringert sich von der Photokathode 16 zum Halbleiterbauelement 14 hin. Ein Randabschnitt 30 mit einer Stoßfläche 30a zum Befestigen der Kathode 3 am Flansch 4 ist am distalen Endabschnitt der Kathode 3 auf der Seite der photoelektrischen Fläche ausgebildet. Wie in 4 gezeigt erstreckt sich der fußseitige distale Endabschnitt der Kathode 3 an einer Innenwand 502 des Glasventils 5 entlang zum Halbleiterbauelement 14. Daher wird der sich verjüngende Abschnitt 33 der Kathode 3, der zum Fuß 10 vorsteht, von der Photokathode 16 aus zum Fuß 10 hin (der fußseitige distale Endabschnitt der Kathode 3 verjüngt sich zum Fuß 10 hin) allmählich von der Innenwand 502 des Glasventils 5 getrennt. Anders ausgedrückt ist eine Fläche S1 einer Öffnung 31 des Durchgangsloches 300 der Kathode 3 auf der Seite der photoelektrischen Fläche größer als eine Fläche S2 einer fußseitigen Öffnung 32 des Durchgangsloches 300 der Kathode 3. Der fußseitige distale Endabschnitt des sich verjüngenden Abschnittes 33 ist in einer Halbkreisform mit einem Krümmungsradius r von 1 mm ausgebildet und zeigt zur Röhrenachse des Glasventils 5.
Bei der Kathode 3 weist die Öffnung 31 auf der Seite der photoelektrischen Fläche einen Durchmesser von 22 mm und die fußseitige Öffnung 32 einen Durchmesser von 16 mm auf. Die Gesamtlänge der Kathode 3 beträgt 6 mm. Die Kathode 3 mit der oben genannten Form erhält man durch Pressen einer aus einer Edelstahlplatte geschnittenen Scheibe, die wie die oben beschriebene Anode 6 einen Öffnungsabschnitt in ihrer Mitte aufweist.
Wenn die Kathode 3, die die Elektronenlinse darstellt, den oben genannten Aufbau aufweist, lässt sich ein Aufbau realisieren, bei dem die Kathode 3 die mit Isoliereigenschaften versehene Innenwand 502 des Glasventils 5 gegenüber Elektronen abschirmen kann, die durch das Vakuum in dem geschlossenen Behälter hindurchgehen. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Störung der Elektronen-Umlaufbahnen unterdrückt, die durch das Aufladen der Innenwand 502 des Glasventils 5 aufgrund vagabundierender Elektronen verursacht wird, so dass sich eine stabile Ausgangsleistung erhalten lässt. Hinzu kommt, dass sich, da ein Aufladen der Innenwand 502 des Glasventils 5 effektiv verhindert werden kann, ein intermittierendes Entladen (dem manchmal eine Lichtemission folgt) aufgrund dieser Ladung verhindern lässt. Folglich überwindet die Elektronenröhre den strukturellen Nachteil, dass die Photokathode 16 dem durch eine Entladung emittierten Licht entsprechend Elektronen emittiert. Infolgedessen wird das Pseudosignal (Rauschen) von der Photokathode 16, das aufgrund der Entladungsemission entsteht, verhindert und das Signal-Rausch-Verhältnis beim Messen von schwachem Licht im Vergleich zur konventionellen Elektronenröhre wesentlich verbessert.
Der Aufbau der Kollimatorelektrode 8 bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Die Kollimatorelektrode 8 ist eine hohlzylindrische Edelstahlelektrode, die das sich von der Photokathode 16 zum Fuß 10 hin erstreckende Durchgangsloch 800 aufweist. Die Kollimatorelektrode 8 ist über die Abschirmplatte 7 (Stützelektrode) mit der Anode 6 integriert.
Die von der Photokathode 16 emittierten Elektronen e^– werden normalerweise beschleunigt und in ihren Umlaufbahnen von der Elektronenlinse korrigiert, die aus der Kathode 3 und der Anode 6 besteht, und fallen auf die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14. Befindet sich die Photokathode 16 jedoch nahe am Halbleiterbauelement 14 und ist die Elektronenlinse so aufgebaut, dass der von der Photokathode 16 emittierte Elektronenfluss mit dem wirksamen Durchmesser von 16 mm auf einen Durchmesser von ungefähr 1,5 mm konvergiert und auf das Halbleiterbauelement 14 fällt, dann fallen die vom peripheren Abschnitt der Photokathode 16 emittierten Elektronen e^– nicht senkrecht auf die Eintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14. Das Eintreten von Elektronen e^– mit einem vorgegebenen Winkel in Bezug auf die senkrecht zur Eintrittsfläche verlaufende Richtung bedeutet, dass die Elektronen, die an der Eintrittsfläche ankommen, eine große Fläche (unempfindliche Schicht) überqueren, die nicht zur Elektronenvervielfachung in dem Halbleiterbauelement 14 beiträgt, d.h. in der unempfindlichen Schicht geht eine große Menge an Energie verloren. Dadurch verschlechtert sich die Unterscheidungsfähigkeit der Elektronenröhre beim Elektronenzählen.
Die Kollimatorelektrode 8 bildet ein elektrisches Feld zum Zurückführen der vom peripheren Abschnitt der Photokathode 16 emittierten Elektronen e^–, die schräg zur Richtung AX der Röhrenachse (die Richtung AX der Röhrenachse entspricht der Lichteintrittsrichtung L) auf das Halbleiterbauelement 14 fallen (4). Infolgedessen verlieren die von dem Gesamtbereich (wirksamer Durchmesser: 16 mm) der Photo kathode 16 emittierten Elektronen e^– einheitlich in der unempfindlichen Schicht Energie, so dass die Elektronenröhre eine hohe Unterscheidungsfähigkeit hinsichtlich der Anzahl der Elektronen beibehalten kann.
Um den oben genannten Effekt noch weiter zu erhöhen, verringert sich die Querschnittsfläche des Durchgangslochs 800 (die Fläche des Durchgangslochs 800, die von einer senkrecht zur Richtung AX der Röhrenachse verlaufenden Ebene definiert wird) der Kollimatorelektrode 8 von der Photokathode 16 zum Fuß 10 hin wie in 7 gezeigt. Anders ausgedrückt ist eine Fläche S3 der Öffnung 80 des Durchgangsloches 800 der Kollimatorelektrode 8 auf der Seite der photoelektrischen Fläche größer als eine Fläche S4 der fußseitigen Öffnung 81 des Durchgangsloches 800 der Kollimatorelektrode 8.
Es wird nun die strukturelle Beziehung zwischen der Kollimatorelektrode 8 und der Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14 beschrieben. Die Fläche S4 der fußseitigen Öffnung 81 des Durchgangsloches 800 der Kollimatorelektrode 8 ist kleiner als die Fläche der Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14 (wird später beschrieben). Insbesondere ist die Fläche eines Bereiches zum Aufnehmen der von der Photokathode emittierten Elektronen kleiner als die wirksame Fläche der Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14. Bei diesem Aufbau fallen Elektronen, die in unbeabsichtigter Weise von anderen Abschnitten als der Photokathode 16 emittiert worden sind, niemals auf andere Abschnitte als die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14 und zerstören das Halbleiterbauelement 14 selbst (Zerstörung aufgrund von Elektronenbeschuss) oder verursachen eine unnötige Ladung.
Wenn die Gesamtlänge der Kollimatorelektrode 8 3,5 mm beträgt, beträgt der Durchmesser der Öffnung 80 des Durch gangsloches 800 auf der Seite der photoelektrischen Fläche vorzugsweise 3 mm und der Durchmesser der fußseitigen Öffnung 81 des Durchgangsloches 800 vorzugsweise 2 mm (zu diesem Zeitpunkt wird die Fläche der fußseitigen Öffnung 81 so gewählt, dass sie kleiner ist als die der Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements 14).
Der Fuß 10 besteht aus dem scheibenartigen Element 11 (Edelstahl) mit einem Öffnungsabschnitt in der Mitte, dem Edelstahlrohr 12, bei dem ein Ende an dem Öffnungsabschnitt des Elements 11 befestigt und damit verschweißt ist, und der Scheibe 13 (Kovar-Metall), die das andere Ende des Edelstahlrohrs 12 verschließt. Der Fuß 10 besitzt eine konvexe Form, die von einem Ende des Glasventils 5 mit der zweiten Öffnung zur Photokathode 16 hin vorsteht. Das (auf der Befestigungsfläche der Scheibe 13) mit dem Fuß 10 verbundene Halbleiterbauelement 14 ist mittels der oben beschriebenen Kollimatorelektrode 8 auf einer der Photokathode 16 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Damit das Halbleiterbauelement 14 aus dem geschlossenen Behälter ein Ausgangssignal ausgeben kann, ist an der Scheibe 13 der vom Fuß 10 isolierte Anschlussstift 15 befestigt.
Der Aufbau des an der Scheibe 13 des Fußes 10 befestigten Halbleiterbauelements 14 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben.
Das Halbleiterbauelement 14 wird so auf die Scheibe 13 des Fußes 10 gesetzt, dass eine Elektroneneintrittsfläche 148 der Photokathode 16 zugewandt ist. Eine Elektrodenschicht 146 (wird später noch beschrieben) des Halbleiterbauelements 14 ist durch Verbinden der Endabschnitte eines Metalldrahtes 18 mit dem Anschlussstift 15 und der Elektrodenschicht 146 elektrisch mit dem Anschlussstift 15 aus Metall verbunden, der sich hermetisch durch ein in der Scheibe 13 ausgebildetes Durchgangsloch 130 erstreckt. An die Fläche des Halbleiterbauelements 14 auf der Seite der photoelektrischen Fläche wird von einer externen Stromversorgungsschaltung 910 durch den Anschlussstift 15 und den Draht 18 eine vorgegebene Spannung angelegt, so dass diese Fläche des Halbleiterbauelements 14 beispielsweise auf einem Potential von ungefähr –150 V gehalten wird. An die Fläche des Halbleiterbauelements 14 auf der Seite der Scheibe 13 wird die gleiche Spannung angelegt wie die, die von der Stromversorgungsschaltung 910 durch den Fuß 10 an die Elektronenlinse angelegt wird, und auf einem Potential von beispielsweise ungefähr 0 V gehalten. Das heißt, an das Halbleiterbauelement 14 wird insgesamt eine Sperrvorspannung angelegt.
Der Anschlussstift 15 ist durch einen Kondensator C mit einer Aufbereitungsschaltung 900 verbunden, die ein von dem Halbleiterbauelement 14 ausgegebenes Erfassungssignal (Ausgangsstrom) verarbeitet (4). Ein Isolierelement 17 ist zwischen die Innenwand des Durchgangsloches 130 der Scheibe 13 und den Anschlussstift 15 eingefüllt. Bei dem Halbleiterbauelement 14 beträgt der Durchmesser der Elektroneneintrittsfläche 148 für das Aufnehmen von Photoelektronen und das effektive Verstärken der Photoelektronen mit einem vorgegebenen Vervielfachungsfaktor ungefähr 3 mm.
Bei dieser Ausführungsform wird wie in 8 gezeigt als Halbleiterbauelement 14 eine Lawinenphotodiode (nachfolgend als APD – avalanche photodiode – bezeichnet) verwendet. Die APD 14 weist als Substrat 140 eine stark dotierte n-Siliziumschicht auf. Auf dem Substrat 140 ist am mittleren Abschnitt eine scheibenförmige p-Trägervervielfachungsschicht 141 ausgebildet. Eine stark dotierte n-Schicht mit der gleichen Dicke wie die Trägervervielfachungsschicht 141 wird auf dem Substrat 140 außerhalb der Trägervervielfachungsschicht 141 als Schutzringschicht 142 ausgebildet. Eine stark dotierte p-Schicht wird als Durchschlagspannungssteuerschicht 143 auf der Trägervervielfachungsschicht 141 ausgebildet. Ein Oxidfilm 144 und ein Nitrid film 145 werden auf der Seite der Oberfläche über dem peripheren Abschnitt der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 und der Schutzringschicht 142 ausgebildet. Damit der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 ein Anodenpotential zugeführt wird, wird die Anode 146 (Elektrode) durch das Abscheiden von Aluminium in Ringform ausgebildet. Eine periphere Elektrode 147, die mit der Schutzringschicht 142 leitfähig gemacht wird, wird um die Anode 146 ausgebildet, während zwischen der Anode 146 und der peripheren Elektrode 147 ein Spalt ausgebildet wird.
Die wirksame Fläche (Elektroneneintrittsfläche 148) der APD entspricht dem inneren Abschnitt der Anode 146 und besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von 3 mm. Die APD 14 wird durch Die-Bonden mit einem Harz 149 wie oben beschrieben auf die Scheibe 13 geklebt. Das Kathodenpotential der APD 14 wird über den Fuß 10 angelegt.
Bei dem Substrat 140 der APD 14 handelt es sich insbesondere um einen stark dotierten monokristallinen Wafer aus n⁺-Si. Das Halbleitersubstrat 140 ist ungefähr 500 μm dick und mit einem n-Dotierstoff, d.h. P (Phosphor), bei einer Konzentration von ungefähr 10¹⁹ cm^–3 dotiert. Es sei angemerkt, dass der spezifische Widerstand des Halbleitersubstrates 140 bei ungefähr 0,01 Ω·cm liegt.
Bei der Trägervervielfachungsschicht 141 handelt es sich um eine schwach dotierte Halbleiterschicht, die durch epitaxisches Aufwachsen von p-Si auf dem Halbleitersubstrat 140 ausgebildet wird. Die Trägervervielfachungsschicht 141 ist ungefähr 10 μm dick und mit einem p-Dotierstoff, d.h. B (Bor), bei einer Konzentration von ungefähr 10¹⁴ bis 10¹⁶ cm^–3 dotiert. Es sei angemerkt, dass der spezifische Widerstand der Trägervervielfachungsschicht 141 bei ungefähr 1 bis 100 Ω·cm liegt. Bei der oben genannten Dotierstoff-Konzentration der Trägervervielfachungsschicht 141 erstreckt sich beim Anlegen einer Spannung, die nahe bei der Durchschlagspannung liegt, eine Sperrschicht von der Übergangsgrenzfläche zwischen dem Halbleitersubstrat 140 und der Trägervervielfachungsschicht 141 bis hin zur Durchschlagspannungssteuerschicht 143.
Zum epitaxischen Aufwachsen der Trägervervielfachungsschicht 141 bei gleichzeitigem Erhalten einer zufriedenstellenden Kristallinität wird eine Dicke d der Trägervervielfachungsschicht 141 vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 5 bis 50 μm eingestellt. Beträgt die Dicke mehr als 50 μm, wird die Dotierstoff-Konzentration in Dickenrichtung (die Richtung der Dicke entspricht der Richtung AX der Röhrenachse, wenn die APD 14 an dem Fuß 10 angebracht ist) auffallend uneinheitlich. Aus diesem Grund verschlechtert sich die Einheitlichkeit der Lawinenverstärkung für von der Photokathode 16 emittierte Elektronen in Abhängigkeit von der Trägererzeugungsposition. Beträgt die Dicke weniger als ungefähr 5 μm, wird die Sperrschicht, die sich vom Halbleitersubstrat 140 erstreckt, dünn und reduziert die Verstärkung der APD 14 für Elektronen.
Die Dicke d wird aus folgendem Grund auf ungefähr 10 μm eingestellt. Wenn mit einer Beschleunigungsenergie von ungefähr 15 keV emittierte Elektronen an der APD 14 mit einer Maximaldicke von ungefähr 3 μm ankommen (auf die APD 14 fallende Elektronen erzeugen jedesmal, wenn sie eine Energie von 3,6 eV verlieren, ein Elektron-Defektelektron-Paar) und der Lawinenverstärkungsbereich eine Dicke von ungefähr 3 μm besitzt, wird ein gewisser Spielraum berücksichtigt, um Schwankungen bei der Verstärkung der APD 14 für Elektronen zu minimieren.
Die Schutzringschicht 142 ist eine stark dotierte Halbleiterschicht, die durch thermisches Diffundieren eines n-Dotierstoffs in den peripheren Abschnitt der Trägervervielfachungsschicht 141 ausgebildet wird. Die Dicke (ungefähr 10 μm) der Schutzringschicht 142 gleicht der der Trägervervielfachungsschicht 141. Als n-Dotierstoff wird P in der gleichen Konzentration wie bei dem Substrat 140 verwendet, d.h. ungefähr 10¹⁹ cm^–3.
Die Durchschlagspannungssteuerschicht 143 ist eine stark dotierte Halbleiterschicht, die durch thermisches Diffundieren eines p-Dotierstoffes in einem mittleren Oberflächenbereich der Trägervervielfachungsschicht 141 ausgebildet wird. Die Durchschlagspannungssteuerschicht 143 ist ungefähr 1 μm dick und mit B als p-Dotierstoff in der gleichen Konzentration wie bei dem Substrat 140 dotiert, d.h. ungefähr 10¹⁹ cm^–3. Die kreisförmige Elektroneneintrittsfläche 148 ist am mittleren Abschnitt der Oberfläche der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 der Photokathode 16 gegenüber ausgesetzt. Wie in 9 gezeigt wird die wirksame Fläche der Elektroneneintrittsfläche 148 von der Kollimatorelektrode 8 auf eine Fläche S5 begrenzt, die kleiner ist als die Fläche der Elektroneneintrittsfläche 148. Insbesondere ist der Durchmesser der Fläche, auf die tatsächlich Elektronen einfallen können, auf ungefähr 2 mm begrenzt, obwohl der Durchmesser der Elektroneneintrittsfläche 148, die einfallende Elektronen aufnehmen kann, wie oben beschrieben ungefähr 3 mm beträgt.
Die beiden Isolierschichten 144 und 145 werden nacheinander auf der Oberfläche des äußersten peripheren Abschnittes der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 am Peripherieabschnitt der Elektroneneintrittsfläche 148 und auf der gesamten Oberfläche der Schutzringschicht 142 ausgebildet. Bei dem Isolierfilm 144 handelt es sich um einen aus Si-Oxid gebildeten Isolierdünnfilm. Die Dicke des Isolierfilms 144 beträgt ungefähr 200 nm. Bei dem Isolierfilm 145 handelt es sich um einen aus Si-Nitrid gebildeten Isolierdünnfilm. Die Dicke des Isolierfilms 145 beträgt ungefähr 50 nm.
Der Isolierfilm 144 wird durch Oxidieren des Oberflächenbereiches der Trägervervielfachungsschicht 141, der Schutzringschicht 142 und der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 ausgebildet.
Die ringförmige Widerstandselektrodenschicht 146 wird so auf dem Isolierfilm 145 ausgebildet, dass sie den peripheren Oberflächenabschnitt der Durchschlagspannungssteuerschicht 143 entlang der Seitenwände der Isolierfilme 144 und 145 berührt. Bei der Widerstandselektrodenschicht 146 handelt es sich um einen Metalldünnfilm aus Al (Aluminium) mit zufriedenstellenden ohmschen Kontakteigenschaften mit der Durchschlagspannungssteuerschicht 143.
An die Widerstandselektrodenschicht 146 wird wie oben beschrieben von der externen Stromversorgungsschaltung 910 durch den mit dem Draht 18 verbundenen Anschlussstift 15 eine vorgegebene Spannung angelegt, so dass die Schicht 146 auf einem negativen Potential von beispielsweise –150 V gehalten wird. Das Halbleitersubstrat 140 auf dem Fuß 10 wird von der externen Stromversorgungsschaltung 910 mit einer vorgegebenen Spannung versorgt und beispielsweise auf einem Massepotential (GND) von 0 V gehalten. Bei dieser Anordnung wird eine Sperrschicht als Lawinenvervielfachungsbereich zwischen dem n⁺-Halbleitersubstrat 140 und der p⁺-Durchschlagspannungssteuerschicht 143, d.h. in der Trägervervielfachungsschicht 141 erzeugt.
Von der externen Stromversorgungsschaltung 910 wird eine Spannung von –15 kV an die Photokathode 16 und die Kathode 3 angelegt und eine Spannung von 0 V (Massepotential) an die Anode 6 der Elektronenröhre mit dem oben genannten Aufbau. Zu diesem Zeitpunkt bilden die Kathode 3, die Anode 6 und die Kollimatorelektrode 8 eine Elektronenlinse, die einen von der Photokathode 16 emittierten Elektronenfluss mit dem wirksamen Durchmesser von 16 mm auf einen Durchmesser fokussiert, der ungefähr 1,5 mm kleiner ist als die Fläche der fußseitigen Öffnung 81 des Durchgangsloches 800 der Kollimatorelektrode 8, so dass der Elektronenfluss auf die Elektroneneintrittsfläche 148 der APD 14 fällt. Eine Spannung von –150 V wird wie oben beschrieben an die Anode 146 der APD 14 angelegt, um eine Lawinenverstärkung von 50 zu erhalten. Eine Spannung von 0 V wird an die Kathode (der Fuß 10 fungiert als Kathode) der APD 14 angelegt.
Wenn Licht durch die Eingangsflächenplatte 1 einfällt, werden von der Photokathode 16 Elektronen in das Vakuum emittiert. Die emittierten Elektronen werden von der Elektronenlinse beschleunigt und fokussiert und fallen mit einer Energie von 15 keV auf die Elektroneneintrittsfläche 148 der APD 14. Die auf die Elektroneneintrittsfläche 148 fallenden Elektronen erzeugen jedesmal, wenn sie eine Energie von 3,6 eV in der APD 14 verlieren, ein Elektron-Defektelektron-Paar. Bei diesem ersten Vervielfachungsprozess werden die Elektronen auf ungefähr das 4 × 10³-fache vervielfacht (erhaltene Elektronenbestrahlungsverstärkung, bevor die einfallenden Elektronen den Lawinenvervielfachungsbereich erreichen). Es wird weiterhin eine Lawinenverstärkung von ungefähr 50 erhalten, bevor diese Träger durch den Lawinenvervielfachungsbereich hindurchgehen und das Halbleitersubstrat 140 erreichen. Somit beträgt die Sekundärelektronenverstärkung in der APD 14 für die einfallenden Elektronen insgesamt ungefähr 2 × 10⁵.
Wie oben beschrieben ist der Vervielfachungsfaktor (4000) bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung bei der ersten Stufe ungefähr drei Größenordnungen höher als der bei der konventionellen Elektronenröhre. Daher kann eine Erfassung mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis durchgeführt werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung konnten in der Tat bestätigen, dass die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die Photokathode bei Einfallen von sehr schwachem Impulslicht im Durchschnitt ungefähr vier Elektronen emittiert, die Anzahl der einfallenden Elektronen unterscheiden kann (diese Anzahl kann in die Anzahl der einfallenden Photonen umgewandelt werden), was über die Unterscheidungsfähigkeit der konventionellen Elektronenröhre hinausgeht. Solche durch die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten Eigenschaften sind bei der quantitativen Betrachtung der von einer Spur Biosubstanz emittierten Fluoreszenz sehr effektiv.
Es ist wichtig, dass selbst das Anlegen einer hohen Spannung von –15 V an die Photokathode 16 nicht zu einer Entladung in der Elektronenröhre führt. Zu dieser Entladung zählt nicht nur eine starke Entladung, die die Photokathode 16 und die Halbleiter-APD 14 zerstört, sondern auch eine Entladung, die zu schwach ist, um diese Elemente zu beschädigen. Auf eine schwache Entladung folgt insbesondere auch häufig eine Lichtemission. Durch eine Entladung emittiertes Licht kehrt über einen beliebigen weg zur Photokathode 16 zurück und führt zu einem Pseudosignal (Rauschen).
Bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kriechstrecke (die Länge des Glasventils 5 entlang der Richtung AX der Röhrenachse) des Glasventils 5 auf 24 mm eingestellt, so dass die Kriechstrecke des Glasventils 5 als Isolierelement, das eine hohe Spannung zwischen der Kathode 3 und der Anode 6 aufrechterhalten soll, maximiert wird. Mit diesem Aufbau lässt sich eine ausreichende Verstärkung des Halbleiterbauelements 14 erzielen. Außerdem wird der distale Endabschnitt der Kathode 3, der als Auslöser für die Entladung dient, wo sich das elektrische Feld konzentriert, von der Innenwand 502 des Glasventils 5 getrennt, die aufgeladen wird und das Potential instabil macht (2 und 4). Insbesondere verringert sich der Außendurchmesser der Kathode 3 von der Photokathode 16 aus zum Halbleiterbauelement 14 hin. Um eine Feldkonzentration zu vermeiden, weist der distale Endabschnitt der Kathode 3 außerdem einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Krümmungsradius von 1 mm auf (6). Mit diesem Aufbau realisiert die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung einen Aufbau, der eine schwache Entladung verhindert, die beim Anlegen einer hohen Spannung wahrscheinlich auftritt.
Bei der Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung liegen die Kathode 3 und die Anode 6 nahe beieinander, wobei die Zeitkennlinie berücksichtigt wird. Insbesondere ragt die Kathode 3 zur Anode 6 hin und die Anode 6 zur Kathode 3 hin vor. Wenn die Elektroden 3 und 6 nahe beieinander liegen, erhält man eine Feldstärke, mit der von der Photokathode 16 emittierte Elektronen ausreichend beschleunigt werden können. Der Aufbau mit den nahe beieinander liegenden Elektroden 3 und 6 basiert auf einer empirischen Regel, die besagt, dass die Vakuumentladung zwischen Elektroden wahrscheinlich weniger häufig auftritt als eine Oberflächenentladung eines Isolierelements. Dieser Abstand begrenzt die Durchschlagspannung tatsächlich nicht. Unter dem Gesichtspunkt der Zeitkennlinie liegt das Halbleiterbauelement 14 auch nahe bei der Photokathode 16 (der Aufbau des Fußes 10), um den Ausbreitungsweg und die Laufzeit der Photoelektronen von der Photokathode 16 hin zum Halbleiterbauelement 14 zu reduzieren. Durch diesen Aufbau lässt sich eine Schwankung bei der Laufzeit von der Photokathode 16 hin zum Halbleiterbauelement 14 minimieren, wodurch eine Zeitkennlinie von ungefähr 50 ps (Pikosekunden) realisiert wird.
Der Aufbau, bei dem die Kathode 3 und die Anode 6 nahe beieinander liegen, kann auch den Einfluss des aus einem Isoliermaterial bestehenden Glasventils 5 auf das Vakuum passierende Elektronen eliminieren. Das Glasventil 5 kann insbesondere aufgrund von im Vakuum vagabundierenden Elektronen oder Ionen auf verschiedene Potentiale aufgeladen werden. Wenn die Innenwand 502 des Glasventils 5 den Umlaufbahnen der Elektronen ausgesetzt ist, wird der Ausgangsstrom aufgrund des Einflusses von Ladung instabil, was zu einer Verschlechterung bei der Messwertwanderung der Elektronenröhre führt.
Die Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Aufbau auf, bei dem ein Teil der Kathode 3 zur Anode 6 hin und ein Teil der Anode 6 zur Kathode 3 hin vorragt, damit die Elektroden 3 und 6 wie oben beschrieben nahe beieinander liegen. Anders ausgedrückt sind die fußseitige Öffnung 32 des Durchgangsloches 300 der Kathode 3 und der Öffnungsabschnitt 600 der Anode 6 in einem Innenraum 503 des Glasventils 5 positioniert, der wie in 10 gezeigt durch die erste Öffnung 500 und die zweite Öffnung 501 des Glasventils 5 definiert wird. Bei diesem Aufbau lässt sich die direkt freiliegende Innenwand 502 des Glasventils 5 im Hinblick auf von der Kathode 3 zur Anode 6 hin passierende Elektronen auf ein Minimum reduzieren (eine in 10 gezeigte Fläche L2). Folglich wird der durch den Anschlussstift 15 erhaltene Ausgangsstrom stabilisiert.
Da an die Kollimatorelektrode 8 (0 V) in Bezug auf die Elektroneneintrittsfläche 148 (–150 V) eine positive Spannung angelegt wird, lässt sich die Anzahl von von der Elektroneneintrittsfläche 148 zur Photokathode 16 zurückkehrenden Ionen minimieren. Diese Ionen werden aus Gasmolekülen oder -atomen erzeugt, die sich auf der Elektroneneintrittsfläche 148 des Halbleiterbauelements 14 angelagert haben, wenn einfallende Primärelektronen zur Erzeugung von positiven Ionen Elektronen aus dem Gas entfernen. Diese Ionen können nicht durch die Kollimatorelektrode 8 zur Photokathode 16 zurückkehren, da zwischen der Elektroneneintrittsfläche 148 und der Kollimatorelektrode 8 eine Sperrvorspannung für positive Ionen anliegt.
Die Kennlinien, die darstellen, dass die Ionen nicht zur Photokathode 16 zurückkehren, sind wichtig. Insbesondere besitzen zur Photokathode 16 zurückkehrende Ionen, da bei der Elektronenröhre zwischen der Photokathode 16 und dem Halbleiterbauelement 14 eine hohe Spannung angelegt wird, auch eine hohe Energie, durch die sie die Photokathode 16 beschädigen können. Wenn sich zur Photokathode 16 zurückkehrende Ionen nicht unterdrücken lassen, verkürzt sich folglich die Nutzungsdauer der Photokathode 16, d.h. die Nutzungsdauer der Elektronenröhre wesentlich.
Wie oben beschrieben worden ist, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kriechstrecke des aus einem Isoliermaterial bestehenden Glasventils ausreichend groß gewählt, und der Außendurchmesser des sich verjüngenden Abschnittes der Kathode verringert sich zum Halbleiterbauelement hin (die Querschnittsfläche des Durchgangsloches verringert sich zum Fuß hin). Mit diesem Aufbau kann verhindert werden, dass sich das Glasventil auflädt und es zu einer intermittierenden Entladung zwischen der Kathode und dem Glasventil kommt. Folglich kann eine ausreichend hohe Spannung auf stabile Weise an die Elektronenröhre angelegt werden.
Die Anode liegt nahe bei der Kathode. Die Elektroden schirmen die Innenwand des Glasventils so gegenüber Elektronen ab, dass der Abschnitt, der sich zwischen den Elektroden bewegenden Elektronen direkt ausgesetzt ist, minimal gehalten wird. Mit diesem Aufbau lässt sich eine zufriedenstellende Zeitkennlinie erhalten. Zudem wird das Glasventil weniger von Ladung beeinflusst, so dass die Elektronenröhre für lange Zeit auf stabile Weise betrieben werden kann.
Außerdem fallen von der Photokathode emittierte Elektronen durch die Funktion der Kollimatorelektrode auch senkrecht auf das Halbleiterbauelement. Folglich lässt sich eine Elektronenröhre mit einer hohen Unterscheidungsfähigkeit hinsichtlich der Anzahl der Elektronen erhalten.
Der Fuß weist einen Aufbau auf, durch den die Elektroneneintrittsfläche des Halbleiterbauelements näher an der Photokathode liegt. Mit diesem Aufbau lassen sich Schwankungen bei der Laufzeit von Photoelektronen von der Photokathode hin zur Elektroneneintrittsfläche minimieren.

Claims

Elektronenröhre, die Folgendes umfasst: einen isolierenden Behälter (5) mit einer ersten Öffnung (500) und einer zweiten Öffnung (501), die der ersten Öffnung (500) gegenüberliegt, eine photoelektrische Fläche (16), die auf der ersten Öffnungsseite des isolierenden Behälters (5) vorgesehen ist und einfallendem Licht entsprechend Photoelektronen emittiert, einen Fuß (10), der auf der zweiten Öffnungsseite des isolierenden Behälters (5) vorgesehen ist und einen Abstand zwischen der photoelektrischen Fläche (16) und einer Elektroneneintrittsfläche (148) zum Empfangen der Photoelektronen von der photoelektrischen Fläche (16) definiert, eine Kathode (3), die auf der ersten Öffnungsseite des isolierenden Behälters (5) vorgesehen ist, und eine Anode (6), die zwischen der Kathode (3) und dem Fuß (10) vorgesehen ist und einen Öffnungsteil (600) für das Weiterleiten der durch die Kathode (3) hindurchgegangenen Photoelektronen zur Elektroneneintrittsfläche (148) aufweist, wobei die Kathode (3) einen sich verjüngenden Abschnitt (33) aufweist, der sich an einer Innenwand (502) des isolierenden Behälters (5) entlang zum Fuß (10) hin erstreckt und ein Durchgangsloch (300) für das Weiterleiten der Photoelektronen von der photoelektrischen Fläche (16) zur Elektroneneintrittsfläche (148) hin definiert, bei dem: ein distaler Endabschnitt des sich verjüngenden Abschnittes (33) in dem isolierenden Behälter (5) mit einer vorgegebenen Krümmung nach innen gebogen ist, und weiterhin eine Kollimatorelektrode (8) umfassend, die ein Durchgangsloch (800) aufweist, das von der photoelektrischen Fläche (16) zum Fuß (10) hin verläuft und die durch die Kathode (3) hindurchgegangenen Photoelektronen weiterleitet, und in der Anode (6) untergebracht ist, um die Umlaufbahnen der zur Elektroneneintrittsfläche (148) gehenden Photoelektronen zu korrigieren.
Röhre nach Anspruch 1, die weiterhin ein leitfähiges Element (2, 4) umfasst, das auf der ersten Öffnungsseite des isolierenden Behälters (5) vorgesehen ist und die photoelektrische Fläche (16) und die Kathode (3) trägt, und bei der die photoelektrische Fläche (16) und die Kathode (3) durch das leitfähige Element (2, 4) elektrisch verbunden sind.
Röhre nach Anspruch 1, bei der sich die Querschnittsfläche des durch den sich verjüngenden Abschnitt (33) definierten Durchgangsloches (300) von der ersten Öffnung (500) zur zweiten Öffnung (501) des isolierenden Behälters (5) hin verringert.
Röhre nach Anspruch 1, bei der eine fußseitige Öffnung (32) des Durchgangsloches (300) der Kathode (3) in einem Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) positioniert ist, wobei der Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) durch die erste und die zweite Öffnung (500, 501) des isolierenden Behälters (5) definiert wird.
Röhre nach Anspruch 1, bei der sich zumindest ein Teil der Anode (6) an der Innenwand (502) des isolierenden Behälters (5) entlang zu der photoelektrischen Fläche (16) hin erstreckt und eine fußseitige Öffnung (32) des Durchgangsloches (300) der Kathode (3) und der Öffnungsteil (600) der Anode (6) in einem Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) positioniert sind, wobei der Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) durch die erste und die zweite Öffnung (500, 501) des isolierenden Behälters (5) definiert wird.
Röhre nach Anspruch 1, bei der sich eine Querschnittsfläche des Durchgangsloches (800) der Kollimatorelektrode (8) von der photoelektrischen Fläche (16) zum Fuß (10) hin verringert.
Röhre nach Anspruch 1, bei der eine Fläche einer fußseitigen Öffnung (81) des Durchgangsloches (800) der Kollimatorelektrode (8) kleiner ist als die der Elektroneneintrittsfläche (148).
Röhre nach Anspruch 1, die weiterhin eine Abschirmplatte (7) umfasst, die die Anode (6) direkt berührt und einen Öffnungsteil (700) aufweist, der die Kollimatorelektrode (8) in einer vorgegebenen Position in der Anode (6) hält.
Röhre nach Anspruch 8, bei der ein Durchmesser des Öffnungsteils (700) der Abschirmplatte (7) kleiner ist als ein maximaler Außendurchmesser der Kollimatorelektrode (8).
Röhre nach Anspruch 1, bei der der Fuß (10) eine Befestigungsfläche aufweist, auf der ein Halbleiter bauelement (14) befestigt ist, das die Elektroneneintrittsfläche (148) aufweist.
Röhre nach Anspruch 10, bei der die Befestigungsfläche des Fußes (10) in einem Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) positioniert ist, wobei der Innenraum (503) des isolierenden Behälters (5) durch die erste und die zweite Öffnung (500, 501) des isolierenden Behälters (5) definiert wird.