JP2003249164A

JP2003249164A - 透過型光電陰極及び電子管

Info

Publication number: JP2003249164A
Application number: JP2002046862A
Authority: JP
Inventors: Minoru Aragaki; 実新垣; Shoichi Uchiyama; 昌一内山; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-05
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: WO2003071570A1; US20050174052A1; JP4166990B2; US7652425B2; CN1628364A; AU2003211445A1

Abstract

(57)【要約】【課題】紫外光などの波長の短い光に対して充分な感
度を有するとともに、光電変換によって生成された光電
子を高い効率で放出させることができる透過型光電陰
極、及びそれを用いた電子管を提供する。【解決手段】本発明による透過型光電陰極は、ダイヤ
モンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料から形
成された光吸収層１、光吸収層１の機械的強度を補う支
持枠２１、光吸収層１の入射面に対して設けられる第１
電極３１、及び光吸収層１の出射面に対して設けられる
第２電極３２によって構成されている。そして、光吸収
層１の入射面と出射面との間に電圧が印加され、光吸収
層１内部に電界が形成される。被検出光が入射して光吸
収層１内部に光電子が発生すると、光吸収層１内部に形
成されている電界によって光電子は出射面方向に加速さ
れ、透過型光電陰極の外部に放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出光を吸収し
て光電子を励起し、外部へ放出する光電陰極及び光電陰
極を備えた電子管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、所定波長の被検出光を検知す
るために用いられる光電陰極及びそれを備えた電子管が
知られている。光電陰極は、所定波長の光を吸収して光
電子を放出する光吸収層を有しており、光吸収層に被検
出光が入射されてこの被検出光が光電子に変換されるこ
とによって、被検出光を検知することができる。光吸収
層には様々な半導体材料が用いられるが、紫外光につい
て光電変換の量子効率の高い材料として多結晶ダイヤモ
ンドが、特開平１０−１４９７６１号公報に開示されて
いる。

【０００３】近年の半導体の高集積化に伴って半導体集
積回路の微細化が急速に進んでいる。現在、微細な半導
体集積回路の製造方法として光リソグラフィーが有望視
されており、その光源はＡｒＦマキシマレーザからＦ₂
レーザ等の波長の短いものへと研究が進められている。
そして、このような紫外光などの波長の短い光を利用し
た技術の発展に伴って、紫外光をモニタするための光検
出器が要求されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】紫外光などの光検出器
として従来用いられてきたＳｉフォトダイオード等の内
部光電効果素子は、強い紫外光の入射によって、ｐ／ｎ
接合やショットキ接合が劣化し、安定に動作しないこと
が問題になっている。

【０００５】一方、光電陰極を用いた電子管などの外部
光電効果素子は、一般に上記のようなｐ／ｎ接合やショ
ットキ電極を有しないので、これらの劣化の問題は発生
しない。そして、光電陰極には、被検出光を入射する入
射面と光電子を放出する出射面とが同一の面である反射
型と、これらの面が異なる透過型の２種類の型がある。

【０００６】本願発明者による実験では、ダイヤモンド
からなる反射型の光電陰極では強力な紫外光の入射によ
りその表面状態が変化することがわかっており、このた
め仕事関数の変化により光電子の放出効率が低下するこ
とが観測されている。

【０００７】一方、ダイヤモンドからなる透過型の光電
陰極では、被検出光の入射により発生した光電子が反対
側の出射面から放出されなくてはならず、そのためには
薄いダイヤモンド膜が必要となる。本願発明者によるダ
イヤモンド膜の光電子放出に関する実験により、ダイヤ
モンド膜内の光電子の拡散長は０．０５μｍ程度である
ことがわかっている。また、効率よく光電子を放出させ
るためにはダイヤモンド膜の膜厚を拡散長と同程度にす
る必要がある。しかしながら実際にはこのような薄い膜
厚のダイヤモンド薄膜を、紫外光に対して透明な基板、
例えばＭｇＦ₂、サファイヤ、石英基板上に形成するこ
とは困難であり、ダイヤモンドからなる透過型の光電陰
極を実現することは困難であった。このため、紫外光な
どの波長の短い光に対して充分な感度を有する透過型光
電陰極を実現できなかった。

【０００８】本発明は、以上の問題点を解決するために
なされたものであり、紫外光などの波長の短い光に対し
て充分な感度を有するとともに、光電変換によって生成
された光電子を高い効率で放出させることができる透過
型光電陰極、及びそれを用いた電子管を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による透過型光電陰極は、入射された
被検出光によって励起された光電子を放出する光電陰極
であって、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分
とする材料からなり、その一方の面が被検出光を入射す
る入射面、他方の面が光電子を放出する出射面となって
いる光吸収層と、光吸収層に対して、入射面と出射面と
の間に所定電圧を印加する電圧印加手段とを備えること
を特徴とする。

【００１０】光吸収層の一方が入射面、他方が出射面と
なっている透過型の光電陰極とすることによって、強い
紫外光の入射により出射面の表面状態が変化することが
なく、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。ま
た、光吸収層がダイヤモンド、またはダイヤモンドを主
成分とする材料からなることによって、紫外光などの波
長の短い被検出光が光電子に変換される効率を高めるこ
とができる。また、電圧印加手段が光吸収層内部に電界
を形成することによって、光電子を出射面まで到達し易
くし、高い効率で放出させることができる。

【００１１】また、透過型光電陰極は、光吸収層の機械
的強度を補う支持手段を備えることを特徴としてもよ
い。これにより、薄く形成される光吸収層の機械的強度
を補うことができる。

【００１２】また、光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、
または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなる
ことを特徴とする。多結晶ダイヤモンドは薄膜内部に粒
界面が存在するので、単結晶ダイヤモンドよりも効率よ
く光電子を放出させることができる。また、多結晶ダイ
ヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べて形成が容易なの
で、安価に製造することができる。

【００１３】また、光吸収層が多結晶ダイヤモンドから
なる場合には、その表面及び粒界面が酸素終端されてい
ることが好ましい。このようにすれば、これらの面は安
定となり、電気的特性を長期にわたり持続させることが
できる。

【００１４】また、光吸収層の出射面は酸素終端されて
いることが好ましい。このようにすれば、出射面は安定
となり、電気的特性を長期にわたり持続させることがで
きる。あるいは、光吸収層の出射面は水素終端されてい
ても、出射面の仕事関数を低下させることができ、出射
面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ容易に放
出できる。

【００１５】また、光吸収層の出射面には光吸収層の仕
事関数を低下させるための活性層が形成されていること
が好ましい。これにより、光吸収層の出射面に到達した
光電子は透過型光電陰極の外部へさらに容易に放出され
ることができる。この活性層は、アルカリ金属、アルカ
リ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物を用い
て形成されると、上記の効果を好適に奏することができ
る。

【００１６】また、本発明による電子管は、上記した透
過型光電陰極と、透過型光電陰極から放出された光電子
を直接または間接に収集するための陽極と、透過型光電
陰極及び陽極を収納する容器とを備えることを特徴とす
る。このような透過型光電陰極を用いた電子管によれ
ば、紫外光などの波長の短い被検出光を高い量子効率で
検出することができる。

【００１７】また、電子管は、透過型光電陰極から放出
された光電子を２次電子増倍する電子増倍手段を備える
ことを特徴としてもよい。このような電子管により、微
弱な被検出光を大きな信号電流として検出可能な光電子
増倍管が得られる。これにより、紫外光等を高いＳ／Ｎ
比で精度良く検出できる。

【００１８】また、陽極は、電子が入射することによっ
て発光する蛍光体からなることを特徴としてもよい。こ
のような電子管により、被検出光による画像を精度よく
再現可能なイメージ管が得られる。

【００１９】また、電子管は、電子が入射することによ
って発光する蛍光体を備え、透過型光電陰極への被検出
光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光させること
により画像を表示することを特徴としてもよい。電子管
をこのように画像表示素子として用いることによって、
位置情報を有する光信号を入射させて静止画、あるいは
動画を従来より高輝度、低消費電力で表示することがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面とともに本発明による
透過型光電陰極及び電子管の好適な実施形態について詳
細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素に
は同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図
面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していな
い。

【００２１】図１は、本発明による透過型光電陰極の第
１実施形態の構成を示す側面断面図である。また、図２
は図１に示した透過型光電陰極の斜視図である。

【００２２】図１に示す透過型光電陰極は、光吸収層
１、支持枠２１、第１電極３１、及び第２電極３２によ
って構成されている。この透過型光電陰極は、紫外光な
どの被検出光の入射により光吸収層１内部に光電子が励
起され、この光電子が外部へ放出される光電陰極であ
る。また、光吸収層１の一方の面（図１中の上面）が被
検出光を入射する入射面、その反対側の面となる他方の
面（図１中の下面）が光電子を放出する出射面となる透
過型の構成を有している。

【００２３】光吸収層１はダイヤモンド、またはダイヤ
モンドを主成分とする材料から形成されたダイヤモンド
膜からなる。この光吸収層１は、好ましくは被検出光が
入射する入射深さよりも充分に厚く形成されるのが良
い。また、光吸収層１は出射面が酸素終端や水素終端と
して終端処理されるのが好ましい。

【００２４】支持枠２１は、薄く形成される光吸収層１
の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠２１
は、Ｓｉ等の材料からなり、光吸収層１の出射面上の外
縁部に設けられている。

【００２５】第１電極３１は、光吸収層１の入射面に対
して設けられる入射面側電極である。本実施形態におい
ては、図２に示すように光吸収層１の入射面上に格子状
に第１電極３１が形成されている。また、第２電極３２
は、光吸収層１の出射面に対して設けられる出射面側電
極である。本実施形態においては、支持枠２１の光吸収
層１側とは反対側の全面に第２電極３２が形成されてい
る。これら第１電極３１及び第２電極３２は、光吸収層
１の入射面と出射面との間に電圧を印加して光吸収層１
内部に電界を形成する電圧印加手段として設けられてい
る。

【００２６】また、光吸収層１の出射面上には、出射面
の仕事関数を低下させるための活性層１１が形成されて
いる。

【００２７】上記した透過型光電陰極の構成において、
被検出光が光吸収層１の入射面から入射すると、光吸収
層１内部に被検出光の光量に応じた数の光電子が発生す
る。また、光吸収層１内部には、第１電極３１と第２電
極３２との間に接続された電源３３によって所定の電圧
を印加することにより、出射面側が正、入射面側が負と
なるような電界が形成されている。この電界によって、
光吸収層１内部に発生した光電子は出射面方向に加速さ
れ、出射面に到達した後、活性層１１を通過して透過型
光電陰極の外部に放出される。

【００２８】本実施形態の透過型光電陰極は、以下に示
す効果を得ることができる。なお、量子効率とは、被検
出光の入射に対して光吸収層１内部において変換された
光電子が透過型光電陰極の出射面から外部に放出される
効率である。

【００２９】図１に示した透過型光電陰極は、光吸収層
１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている
透過型の構成を有している。このように、被検出光が入
射する入射面を光電子が放出される出射面とする反射型
ではなく、透過型の構成とすることにより、強力な紫外
光などの被検出光の入射による出射面の表面状態の変化
が防止される。これによって、出射面での仕事関数の変
化が抑制されるので、光電子の放出効率の低下を防ぐこ
とができる。

【００３０】また、光吸収層１がダイヤモンドもしくは
ダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されてい
る。ダイヤモンドは、光電陰極の材料として従来より用
いられているＣｓＩなどの材料よりも、紫外光に対する
光電子変換効率が高い。このような性質を有するダイヤ
モンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を光吸
収層１に用いることによって、光吸収層１は、紫外光な
どの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電
子に変換することができる。

【００３１】また、光吸収層１の入射面側に第１電極３
１、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収層１内部に
電界を形成している。これによって、光吸収層１内部で
発生した光電子を効率よく出射面に到達させることがで
き、光電子が透過型光電陰極の外部へ放出される効率を
高めることができる。通常、光吸収層１内部で発生した
光電子が光吸収層１外部へ放出されるためには、光電子
を外部へ放出させるために光吸収層１の厚さを光電子の
拡散長と同程度に形成する必要がある。しかし、このよ
うな厚さの光吸収層１をダイヤモンド及びダイヤモンド
を主成分とするダイヤモンド膜として形成することは困
難である。本実施形態による透過型光電陰極では、光吸
収層１内部に電界を形成して、光吸収層１内部において
発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによっ
て、光吸収層１の厚さが、例えば厚さ数μｍ程度といっ
た拡散長より厚い場合でも効率よく光電子を放出させる
ことができる。

【００３２】ここで、光吸収層１の材料としては、多結
晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分と
する材料を用いることが好ましい。多結晶ダイヤモンド
は粒状結晶からなるため、内部に粒状結晶の表面である
粒界面を有している。そして、光吸収層１内部において
発生した光電子が拡散する全方向に存在する粒界面から
光電子が放出される。このため、光電子が励起してから
放出されるまでの移動距離が短くなり、放出される光電
子の数が多くなる。その結果、より高い量子効率を得る
ことができる。また、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイ
ヤモンドに比べて安価に、大量に製造できることから、
光吸収層１の材料として多結晶ダイヤモンドを用いれ
ば、透過型光電陰極の製造コストを抑えることができ
る。

【００３３】また、光吸収層１の出射面上の外縁部に
は、支持手段として支持枠２１が設けられている。光吸
収層１は、内部において発生した光電子を放出するため
に薄く形成されるので、機械的な強度が充分でない場合
がある。このように、光吸収層１の機械的強度を補う必
要がある場合は、支持枠２１のような支持手段を出射面
上の外縁部などの適当な位置に設けると良い。これによ
って、光吸収層１の機械的強度を補うことができる。

【００３４】また、光吸収層１の出射面は酸素によって
終端されていることが好ましい。光吸収層１の出射面が
酸素で終端されることによって、光吸収層１の出射面は
安定となり、電気的特性を長期にわたり持続することが
できる。あるいは、光吸収層１の出射面の表面は、水素
で終端することもできる。水素で終端された場合でも、
光吸収層１の出射面の仕事関数を低下させることがで
き、出射面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ
容易に放出できる。

【００３５】また、光吸収層１が多結晶ダイヤモンドま
たは多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなると
きは、光吸収層１の多結晶ダイヤモンドの表面及び粒界
面は、酸素終端されていることが好ましい。これらの面
が酸素で終端されることによって、光吸収層１の出射面
は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続すること
ができる。

【００３６】なお、図１に示した透過型光電陰極は透過
型の構成を有しているため、紫外光などの被検出光は出
射面には入射せず、上記した終端処理による表面状態は
変化しない。これによって、終端処理により高めた光電
子の放出効率を維持できる。

【００３７】また、光吸収層１の出射面上には、ダイヤ
モンドの仕事関数を低下させる性質をもつ活性層１１が
形成されることが好ましい。光吸収層１の出射面の仕事
関数を低下させることで、光吸収層の出射面に到達した
光電子を光吸収層１の出射面からさらに容易に放出でき
る。また、この活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属
の酸化物、アルカリ金属のフッ化物などを用いて形成さ
れることで、上記の効果を好適に得ることができる。

【００３８】ここで、図３は、図１に示した透過型光電
陰極の、入射した光の波長に対する量子効率を示す分光
感度特性のグラフである。図３では、縦軸に量子効率
（％）、横軸に被検出光の波長（ｎｍ）を表している。
透過型光電陰極を上記した構成とすることによって、真
空紫外域の光に対して高い量子効率を実現している。

【００３９】図１に示した透過型光電陰極の製造方法及
び具体的構成の一例について概略的に説明する。図４
は、図１に示した透過型光電陰極の製造工程を示す工程
図である。

【００４０】Ｓｉからなる基板２０の一方の面上に、多
結晶ダイヤモンドからなる光吸収層１を約５μｍの厚さ
で堆積する（図４（ａ））。このような、薄い多結晶ダ
イヤモンドの層を形成する方法としては、熱フィラメン
トまたはマイクロ波プラズマを用いた化学気相堆積法
（ＣＶＤ法）やレーザーアブレーション法などによる合
成方法を用いることができる。また、基板２０の材料は
Ｓｉに限らず、モリブデンやタンタルといった高融点金
属や、石英、サファイヤといったものを用いてもよい。

【００４１】次に、基板２０の他方の面上に第２電極３
２を蒸着により形成する（図４（ｂ））。そして、基板
２０の他方の面上から、第２電極３２と基板２０との一
部を適当な寸法のマスクを用いてエッチング除去し、光
吸収層１を一部露出させる（図４（ｃ））。エッチング
はＨＦ＋ＨＮＯ₃溶液またはＫＯＨ溶液により行われ、
基板２０がエッチングされ光吸収層１が露出するとエッ
チングは自動的に停止する。基板２０のうち、エッチン
グによって除去されなかった部分は、支持枠２１として
光吸収層１の機械的強度を補う機能を有する。

【００４２】そして、光吸収層１の、エッチングにより
露出した面（出射面）とは反対側の面（入射面）上に、
フォトリソグラフィー技術とリフトオフ技術を用いて、
適当な寸法の格子状の第１電極３１を形成する（図４
（ｄ））。そして、これらを真空中に保持して、光吸収
層１の出射面の清浄化を行った後に出射面等を酸素終端
もしくは水素終端する。

【００４３】最後に、光吸収層１の出射面にアルカリ金
属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物な
ど、ダイヤモンド表面の仕事関数を低下させる性質を有
する材料を塗布して活性層１１を形成する（図４
（ｅ））。

【００４４】上記の製造工程によって、第１実施形態に
よる透過型光電陰極を製造することができる。ただし、
透過型光電陰極の製造方法及び具体的構成については、
本実施例に限らず、様々な方法及び構成を用いることが
できる。

【００４５】図５は、透過型光電陰極の第２実施形態の
構成を示す側面断面図である。

【００４６】図５に示す透過型光電陰極は、光吸収層
１、活性層１１、支持枠２１、第１電極膜３１ａ、補助
電極３４、及び第２電極３２によって構成されている。
このうち、光吸収層１、活性層１１、支持枠２１、第２
電極３２の構成は図１に示した透過型光電陰極と同様で
ある。

【００４７】第１電極膜３１ａは、光吸収層１の入射面
上に薄膜状に形成されている。第１電極膜３１ａは、被
検出光により発生した光電子が第１電極膜３１ａで吸収
されないよう、ごく薄く（厚さ３０〜１５０Å程度）形
成されている。また、薄膜状に形成されている第１電極
膜３１ａへの電気的接続のために、第１電極膜３１ａの
上に補助電極３４が形成されている。

【００４８】本実施形態による透過型光電陰極は、光吸
収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となって
いる透過型の構成を有している。この構成によって、出
射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の
低下を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモ
ンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて
形成されていることによって、光吸収層１は、紫外光な
どの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電
子に変換することができる。

【００４９】また、光吸収層１の入射面側に第１電極膜
３１ａ、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収層１内
部に電界を形成している。光吸収層１内部に電界を形成
して、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面
へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透
過型光電陰極の外部へ放出させることができる。

【００５０】また、第１電極膜３１ａは光吸収層１の入
射面上に薄膜状に形成されている。電圧印加手段を構成
する電極のうち、光吸収層１に接する電極は図１に示し
た第１電極３１のように形成することで透過型光電陰極
を好適に動作させることができるが、製造工程をより簡
便にする必要があるときは、蒸着などの方法により図５
に示すような薄膜状に形成すると良い。このように形成
することで、透過型光電陰極での量子効率を向上させる
ための電圧印加手段を簡便な製造工程により設けること
ができる。

【００５１】図６は、透過型光電陰極の第３実施形態の
構成を示す側面断面図である。

【００５２】図６に示す透過型光電陰極は、光吸収層
１、活性層１１、支持枠２２、第１電極３５、及び第２
電極３６によって構成されている。このうち、光吸収層
１及び活性層１１の構成は図１に示した透過型光電陰極
と同様である。

【００５３】支持枠２２は、薄く形成される光吸収層１
の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠２２
は、光吸収層１の入射面上の外縁部に設けられている。

【００５４】第１電極３５は、光吸収層１の入射面に対
して設けられる入射面側電極である。本実施形態におい
ては、支持枠２２の光吸収層１側とは反対側の全面に第
１電極３５が形成されている。また、第２電極３６は、
光吸収層１の出射面に対して設けられる出射面側電極で
ある。本実施形態においては、光吸収層１の出射面上に
格子状に第２電極３６が形成されている。これら第１電
極３５及び第２電極３６は、光吸収層１の入射面と出射
面との間に電圧を印加して光吸収層１内部に電界を形成
する電圧印加手段として設けられている。

【００５５】本実施形態による透過型光電陰極は、光吸
収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となって
いる透過型の構成を有している。この構成によって、出
射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の
低下を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモ
ンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて
形成されていることによって、光吸収層１は、紫外光な
どの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電
子に変換することができる。

【００５６】また、光吸収層１の入射面側に第１電極３
５、出射面側に第２電極３６を設けて光吸収層１内部に
電界を形成している。光吸収層１内部に電界を形成し
て、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面へ
向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過
型光電陰極の外部へ放出させることができる。

【００５７】また、光吸収層１の入射面上の外縁部に、
支持手段として支持枠２２が設けられている。薄く形成
されている光吸収層１の機械的強度を補う必要がある場
合は、支持手段を図１に示したように出射面上に設ける
ほか、本実施形態のように入射面上に設けることによっ
ても、光吸収層１の機械的強度を好適に補うことができ
る。

【００５８】図７は、透過型光電陰極の第４実施形態の
構成を示す図である。図７（ａ）は透過型光電陰極の側
面断面図、図７（ｂ）は、透過型光電陰極を第２電極３
２側から見た底面図である。

【００５９】図７に示す透過型光電陰極は、光吸収層
１、活性層１１、支持枠２３、第１電極３１、及び第２
電極３２によって構成されている。このうち、光吸収層
１、活性層１１及び第１電極３１の構成は図１に示した
透過型光電陰極と同様である。

【００６０】支持枠２３は、光吸収層１の出射面上に、
図７（ｂ）に示すような格子状に設けられている。この
支持枠２３は、各格子枠内の形状及び面積が均一になる
ように形成されている。また、このように格子状に設け
られている支持枠２３の、光吸収層１側とは反対側の全
面に、第２電極３２が形成されている。

【００６１】本実施形態による透過型光電陰極は、光吸
収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となって
いる透過型の構成を有している。これによって、出射面
の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下
を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモンド
もしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成
されていることによって、光吸収層１は、紫外光などの
波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に
変換することができる。また、光吸収層１の入射面側に
第１電極３１、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収
層１内部に電界を形成している。光吸収層１内部に電界
を形成して、光吸収層１内部において発生した光電子を
出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率
よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。

【００６２】また、光吸収層１の機械的強度を補うため
の支持枠２３が格子状に設けられている。光吸収層１が
比較的小さな面積の場合には、図１に示したような形状
の支持手段で充分強度を補うことができる。しかし、光
吸収層１の面積が大きいなどの理由から、機械的強度を
さらに補う必要がある場合には、本実施形態のような形
状の支持手段を設けることによって、光吸収層１の機械
的強度をさらに補うことができる。このとき、各格子枠
内の形状及び面積が均一になるように支持枠２３を設け
れば、機械的強度をより強くすることができる。なお、
支持手段の形状は上記した格子状に限られるものではな
く、様々な形状が可能である。

【００６３】なお、透過型光電陰極の第３及び第４実施
形態においては、第２電極３６及び第１電極３１を格子
状に形成しているが、第２実施形態での第１電極膜３１
ａのように薄膜状に形成しても良い。光吸収層１の表面
に設けられる電極の形状としては、格子状、薄膜状、あ
るいは他の形状を適宜選択することができる。

【００６４】以上に詳述した透過型光電陰極は、光電子
増倍管や画像増強管などの電子管に用いることができ
る。以下に、このような電子管に関する実施形態を述べ
る。なお、以下においては透過型光電陰極に設けられる
電圧印加手段等については図示を省略する。

【００６５】図８は、本発明による電子管の第１実施形
態として、光電子増倍管の一実施形態の構成を模式的に
示す断面図である。

【００６６】図８に示す光電子増倍管は、被検出光を光
電子に変換して放出する透過型光電陰極４、光電子を２
次電子増倍する電子増倍手段５、増倍された２次電子を
収集するための陽極６、及びこれらを真空状態で内包す
る容器である真空容器７によって構成されている。これ
らの構成要素は、真空容器７の内部に、被検出光が入射
する側から透過型光電陰極４、電子増倍手段５、陽極６
の順に所定の間隔をあけて配置されている。

【００６７】透過型光電陰極４としては、ダイヤモン
ド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなる上
記した透過型光電陰極が用いられている。そして、透過
型光電陰極４の出射面側に所定の距離をおいて、電子増
倍手段５が設けられている。電子増倍手段５としては、
マイクロチャンネルプレート（以下、ＭＣＰという）５
１が用いられている。ＭＣＰ５１は、内壁が２次電子放
出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有して
いる。このチャンネルの、光電子が入射する入力端と２
次電子が放出される出力端との間には所定の電圧が印加
され、電界が形成されている。そして、チャンネル内部
に入射した光電子が２次電子放出体への衝突を繰り返し
ながら増倍され、２次電子として放出される。

【００６８】また、ＭＣＰ５１の出力端から所定の距離
をおいて、陽極６が設けられている。陽極６は、ＭＣＰ
５１から放出された２次電子を収集することによって、
透過型光電陰極４から放出された光電子を間接的に収集
する。

【００６９】また、透過型光電陰極４、電子増倍手段
５、及び陽極６は、内部が真空状態になっている密閉容
器である真空容器７に内包されている。真空容器７のう
ち、被検出光が入射する透過型光電陰極４と対向した面
には入射窓７１が設けられている。これにより、入射さ
れる光のうち所定波長の被検出光が効率よく透過型光電
陰極４へと入射される。また、透過型光電陰極４、ＭＣ
Ｐ５１の入力端及び出力端、及び陽極６には、透過型光
電陰極４側が負の電位、陽極６側が正の電位となるよう
に段階的に電圧が印加されて電界が形成されている。

【００７０】上記の構成において、被検出光が入射窓７
１を通して透過型光電陰極４の入射面に入射すると、透
過型光電陰極４において光電子が生成されて出射面より
真空容器７内部の真空中へ放出される。ＭＣＰ５１の入
力端には透過型光電陰極４に対して正の電圧が印加され
て電界が形成されており、真空中へ放出された光電子は
ＭＣＰ５１へ入射される。そして、ＭＣＰ５１のチャン
ネル内部で光電子が増倍されて２次電子となり、再び真
空中に放出される。このとき、ＭＣＰ５１を通過した２
次電子は、例えば光電子の約１００万倍程度にまで増倍
される。陽極６はＭＣＰ５１の出力端に対して正の電圧
が印加されて電界が形成されており、ＭＣＰ５１から放
出された２次電子は陽極に収集され、入射した被検出光
による検出信号として光電子増倍管の外部に取り出され
る。

【００７１】図８に示した光電子増倍管においては、上
記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。す
なわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用い
ることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光
を検出することが可能な光電子増倍管を実現できる。

【００７２】また、被検出光が微弱である等の場合に
は、図８に示したような電子増倍手段を用いれば、増倍
された大きな電流の検出信号が得られるので、高いＳ／
Ｎ比で精度よく被検出光を検出することが可能になる。

【００７３】図９は、電子管の第２実施形態として、光
電子増倍管の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図
である。

【００７４】図９に示す光電子増倍管は、透過型光電陰
極４、電子増倍手段５、陽極６、及び真空容器７によっ
て構成されている。このうち、透過型光電陰極４、陽極
６、及び真空容器７の構成は図８に示した光電子増倍管
と同様である。

【００７５】電子増倍手段５としては、複数のＭＣＰ５
１（図９においては３個）が用いられている。複数のＭ
ＣＰ５１のそれぞれは、内壁が２次電子放出体である筒
状のチャンネルを多数束ねた構成を有しており、チャン
ネルの入力端と出力端との間には所定の電圧が印加さ
れ、電界が形成されている。そして、このような複数の
ＭＣＰ５１が所定の間隔で、互いの出力端と入力端とが
向かい合うように配列されている。また、透過型光電陰
極４から最も遠い位置にあるＭＣＰ５１の出力端から所
定の距離をおいて、陽極６が設けられている。陽極６
は、このＭＣＰ５１から放出された２次電子を収集す
る。

【００７６】上記の構成において、被検出光が入射窓７
１を通して透過型光電陰極４の入射面に入射すると、透
過型光電陰極４において光電子が生成されて出射面より
真空容器７内部の真空中へ放出される。真空中へ放出さ
れた光電子は、１次電子として透過型光電陰極４に最も
近い位置にあるＭＣＰ５１へ入射し、増倍されて２次電
子として放出される。そして、これ以降に配列されてい
る複数のＭＣＰ５１によって繰り返し増倍される。最後
に、増倍された２次電子は陽極６に収集され、入射した
被検出光による検出信号として光電子増倍管の外部に取
り出される。

【００７７】図９に示した光電子増倍管においては、上
記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。す
なわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用い
ることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光
を検出することが可能な光電子増倍管を実現できる。

【００７８】また、電子増倍手段５として複数のＭＣＰ
５１を用いることによって、さらに高い２次電子増倍率
で大きな検出信号を得ることができるので、より高いＳ
／Ｎ比で精度よく被検出光を検出することが可能にな
る。

【００７９】なお、上記した光電子増倍管の各実施形態
では、透過型光電陰極４とＭＣＰ５１、陽極６が対向す
るいわゆる近接型の構成となっているが、例えば透過型
光電陰極４と電子増倍手段５との間に静電レンズを備え
て光電子を収束する、いわゆる静電収束型の構成として
もよい。また、透過型光電陰極を用いた電子管として
は、上記した光電子増倍管以外にも、電子増倍手段５を
備えない、すなわち透過型光電陰極４から放出された光
電子が直接に陽極６に収集されるような構成としてもよ
い。

【００８０】また、光電子もしくは２次電子を収集する
ための陽極６を備えているが、陽極６のかわりにフォト
ダイオードなどの半導体素子を備えてもよい。光電子も
しくは２次電子を直接このような半導体素子に打ち込
む、いわゆる電子打ち込み型の光電子増倍管として動作
させることで、上記した光電子増倍管の各実施形態を好
適に実施できる。

【００８１】図１０は、電子管の第３実施形態として、
イメージ管である画像増強管（イメージ・インテンシフ
ァイア）の構成を模式的に示す断面図である。

【００８２】図１０に示す画像増強管は、透過型光電陰
極４、電子増倍手段５、陽極６ａ、及び真空容器７によ
って構成されている。このうち、透過型光電陰極４、電
子増倍手段５、及び真空容器７の構成は図８に示した光
電子増倍管とほぼ同様である。

【００８３】陽極６ａは、ＭＣＰ５１から放出された２
次電子を収集する機能を有し、ＭＣＰ５１の出力端から
所定の距離をおいて設けられている。また、この陽極６
ａは電子が入射することによって発光する蛍光体からな
る。

【００８４】上記の構成において、画像を構成している
被検出光が入射窓７１を透過して透過型光電陰極４に入
射すると、透過型光電陰極４内部において光電子が生成
されて真空容器７内部に放出される。そして、放出され
た光電子はＭＣＰ５１に入射する。このとき、ＭＣＰ５
１の入力端には透過型光電陰極４に対して正の電圧が印
加され、電界が形成されている。光電子はこの電界と平
行に進むので、画像増強管に入射したときの２次元情報
を保ちながらＭＣＰ５１に入射する。ＭＣＰ５１に入射
した光電子は増倍されて２次電子として放出され、蛍光
体からなる陽極６ａに収集される。このとき、ＭＣＰ５
１の出力端には入力端に対して正の電圧が印加され、か
つ陽極６ａにはＭＣＰ５１の出力端に対して正の電圧が
印加されている。これらにより電界が形成され、光電子
が有していた２次元情報を保ちながら２次電子が陽極６
ａに収集されて、蛍光体からなる陽極６ａが発光する。
以上の動作によって、画像増強管に入射した被検出光に
よる画像は増強されて、蛍光体からなる陽極６ａから出
力される。

【００８５】図１０に示した画像増強管においては、上
記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。す
なわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用い
ることによって、高い量子効率を有する画像増強管を実
現できる。

【００８６】また、透過型光電陰極４に入射した被検出
光の光量に応じて、高い量子効率で得られた光電子が、
さらに増倍されて蛍光体へ入射し、高輝度の画像が得ら
れる。これにより、入射された画像が微弱である場合に
おいても精度よく画像を増倍することが可能になる。

【００８７】なお、上記した画像増強管においては、光
電子または２次電子によって発光する手段として蛍光体
が用いられているが、この手段は電子を画像に変換でき
るものであればよい。例えば、蛍光体のかわりに電荷結
合素子（ＣＣＤ）などの撮像素子を備え、光電子あるい
は２次電子を直接撮像素子に打ち込み、画像化すること
によっても同様の効果を得ることができる。

【００８８】図１１は、電子管の第４実施形態の構成を
模式的に示す断面図である。

【００８９】図１１に示す電子管は、透過型光電陰極
４、陽極６ｂ、及び真空容器７によって構成されてい
る。これらの透過型光電陰極４、陽極６ｂ、及び真空容
器７の構成は、図１０に示した画像増強管と同様である
が、本実施形態の電子管は、電子増倍手段を有しない構
成となっている。本電子管は、透過型光電陰極に入射さ
れた被検出光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光
させることにより、画像を表示する画像表示素子として
用いることができる。以下に、画像表示素子としての電
子管の動作を説明する。

【００９０】画像信号としての被検出光（ｌ１、ｍ１、
ｎ１）が入射窓７１を透過して透過型光電陰極４の所定
の位置に入射すると、透過型光電陰極４内部において被
検出光の入射位置に対応した光電子（ｅ１、ｅ２、ｅ
３）が生成されて真空容器７内部に放出される。真空中
へ放出された光電子は、透過型光電陰極４と陽極６ｂと
の間に高電圧が印加されているため、加速されて直進
し、蛍光体からなる陽極６ｂに収集される。すなわち入
射位置の異なる被検出光ｌ１、ｍ１、ｎ１に対応する位
置において、それぞれ光ｌ２、ｍ２、ｎ２が蛍光体から
発光される。

【００９１】図１１に示した電子管においては、上記し
た構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわ
ち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用いるこ
とによって、高い量子効率を有する電子管を実現でき
る。このことから、透過型光電陰極４に入力された画像
信号の光量に対して高い量子効率で得られた光電子によ
って高輝度の画像が得られるので、高輝度、低消費電力
で静止画や動画を表示することが可能となる。また、電
子管に入力される画像信号として、ＸＹアドレスなどの
２次元での位置情報が与えられた、プラズマ光などの紫
外光を用いれば、従来のプラズマディスプレイのように
プラズマにより直接蛍光体を発光させるよりも、より高
輝度、低消費電力な画像表示装置を実現できる。

【００９２】なお、第３実施形態の画像増強管、及び第
４実施形態の画像表示素子において、さらに高輝度な画
像を得る必要があるときには、２次電子増倍率をさらに
得るためにＭＣＰ５１は任意の個数とすることができ
る。このようにすれば、入射した画像をさらに増強し、
高輝度とすることができる。

【００９３】本発明による透過型光電陰極及び電子管
は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な
変形が可能である。例えば、透過型光電陰極の各実施形
態において、光吸収層１の機械的強度が充分であるなど
の場合には、この機械的強度を補うための支持枠２１〜
２３を有しない構成としてもよい。また、光吸収層１か
ら光電子を充分に効率よく放出できるなどの場合には、
光吸収層１の出射面の仕事関数を低下させる活性層１１
を設けない構成としてもよい。

【００９４】また、電子管の各実施形態において、大気
圧に対して真空容器７の強度が不足する場合には、真空
容器７内部にスペーサなどの補強手段を備えるとよい。
また、電子増倍手段としてＭＣＰ５１を用いているが、
電子増倍手段はこれに限られるものではなく、１段また
は複数段のダイノードなどを用いてもよい。

【００９５】

【発明の効果】本発明による透過型光電陰極及び電子管
は、以上詳細に説明したように、以下の効果を得る。す
なわち、光吸収層の一方が入射面、他方が出射面となっ
ている透過型の光電陰極とすることによって、強い紫外
光の入射により出射面の表面状態が変化することがな
く、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。

【００９６】また、光吸収層がダイヤモンド、またはダ
イヤモンドを主成分とする材料からなることによって、
紫外光などの波長の短い光に対する光電子変換効率を高
めることができる。また、電圧印加手段が光吸収層内部
に電界を形成することによって、光電子を出射面まで到
達し易くし、高い効率で放出させることができる。

【００９７】また、このような透過型光電陰極を用いた
電子管によれば、紫外光などの波長の短い被検出光を高
い量子効率で検出することが可能な電子管が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による透過型光電陰極の第１実施形態の
構成を示す側面断面図である。

【図２】図１に示した透過型光電陰極の斜視図である。

【図３】図１に示した透過型光電陰極の、入射した光の
波長に対する量子効率を示す分光感度特性のグラフであ
る。

【図４】図１に示した透過型光電陰極の製造工程を示す
工程図である。

【図５】透過型光電陰極の第２実施形態の構成を示す側
面断面図である。

【図６】透過型光電陰極の第３実施形態の構成を示す側
面断面図である。

【図７】透過型光電陰極の第４実施形態の構成を示す
（ａ）側面断面図、及び（ｂ）底面図である。

【図８】本発明による電子管の第１実施形態として、光
電子増倍管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図で
ある。

【図９】電子管の第２実施形態として、光電子増倍管の
他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

【図１０】電子管の第３実施形態として、画像増強管
（イメージ・インテンシファイア）の構成を模式的に示
す断面図である。

【図１１】電子管の第４実施形態の構成を模式的に示す
断面図である。

【符号の説明】

１…光吸収層、１１…活性層、２０…基板、２１，２
２，２３…支持枠、３１，３５…第１電極、３１ａ…第
１電極膜、３２，３６…第２電極、３３…電源、３４…
補助電極、４…透過型光電陰極、５…電子増倍手段、５
１…ＭＣＰ、６，６ａ、６ｂ…陽極、７…真空容器、７
１…入射窓。

フロントページの続き (72)発明者菅博文静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5C037 GG06 GH05 GH11 GH18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射された被検出光によって励起された
光電子を放出する光電陰極であって、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料
からなり、その一方の面が前記被検出光を入射する入射
面、他方の面が前記光電子を放出する出射面となってい
る光吸収層と、前記光吸収層に対して、前記入射面と前記出射面との間
に所定電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特
徴とする透過型光電陰極。
【請求項２】前記光吸収層の機械的強度を補う支持手
段を備えることを特徴とする請求項１記載の透過型光電
陰極。
【請求項３】前記光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、
または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなる
ことを特徴とする請求項１または２記載の透過型光電陰
極。
【請求項４】前記光吸収層の前記多結晶ダイヤモンド
の表面及び粒界面が酸素終端されていることを特徴とす
る請求項３記載の透過型光電陰極。
【請求項５】前記光吸収層の前記出射面が水素終端さ
れていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
に記載の透過型光電陰極。
【請求項６】前記光吸収層の前記出射面が酸素終端さ
れていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項
に記載の透過型光電陰極。
【請求項７】前記光吸収層の前記出射面上に、前記光
吸収層の仕事関数を低下させるための活性層が形成され
ていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に
記載の透過型光電陰極。
【請求項８】前記光吸収層の前記活性層は、アルカリ
金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフ
ッ化物からなることを特徴とする請求項７記載の透過型
光電陰極。
【請求項９】請求項１〜８の何れか一項記載の透過型
光電陰極と、前記透過型光電陰極から放出された前記光電子を直接ま
たは間接に収集するための陽極と、前記透過型光電陰極及び前記陽極を収納する容器とを備
えることを特徴とする電子管。
【請求項１０】前記透過型光電陰極から放出された前
記光電子を２次電子増倍する電子増倍手段を備えること
を特徴とする請求項９記載の電子管。
【請求項１１】前記陽極は、電子が入射することによ
って発光する蛍光体からなることを特徴とする請求項９
または１０記載の電子管。
【請求項１２】電子が入射することによって発光する
蛍光体を備え、前記透過型光電陰極への前記被検出光の
入射位置に対応する位置の前記蛍光体を発光させること
により画像を表示することを特徴とする請求項９または
１０記載の電子管。