JP2007048633A - 光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子増倍チャネル間のクロストークを効果的に抑制し高い検出精度を実現する微細構造の光電子増倍管を提供する。
【解決手段】 内部が真空に維持された外囲器を備え、該外囲器内に、光電面(22)と、電子増倍部(31)と、陽極(32)が配置されている。電子増倍部(31)は光電子をカスケード増倍するための溝部を電子増倍チャネルとして有し、陽極(32)はそれぞれが壁部(311)で規定された溝部に対応するチャネル電極(320)により構成されている。特に、各チャネル電極(320)は、その一部が対応する溝部を規定する一対の壁部で挟まれた空間内に配置されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。

従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
特許第３０７８９０５号公報 特開平４−３５９８５５号公報

発明者らは、従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部品自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。

例えば、それぞれが電子増倍チャネルを構成する複数の電子増倍構造に対応して複数の陽極を備えたマルチアノード型光電子増倍管を微細加工により製造する場合、陽極間の間隔も著しく狭くなるため、各チャネル間のクロストークが検出精度の低下や製造された光電子増倍管ごとの検出精度のバラツキを引き起こす可能性が増大してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より高い検出精度が得られる微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。

この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。特に、電子増倍部は、それぞれが電子増倍チャネルとなる複数の溝部を有し、当該光電子増倍管は、これら複数の溝部（電子増倍チャネル）に対応して複数の陽極を備えたマルチアノード型光電子増倍管である。

具体的に当該光電子増倍管は、光電子増倍管内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部と陽極とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。

上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って伸びた複数の溝部又は複数の貫通孔を有する。各溝部はエッチング技術により微細加工された一対の壁部により規定され、該溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面には、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が形成され、1つの電子増倍チャネルとして機能する。同様に、各貫通孔もエッチング技術により微細加工された壁部により規定され、該貫通孔を規定する壁部の表面には、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が形成され、1つの電子増倍チャネルとして機能する。

特に、この発明に係る光電子増倍管において、上記陽極は、電子増倍部に設けられた複数の溝部それぞれに対応して設けられ、少なくともその一部が対応する溝部を規定する一対の壁部で挟まれた空間内に配置された複数のチャネル電極から構成されている。また、電子増倍チャネルとして電子増倍部に複数の貫通孔が設けられた構成の場合、上記陽極は、電子増倍部に設けられた複数の貫通孔それぞれに対応して設けられ、少なくともその一部が対応する貫通孔を規定する壁部で挟まれた空間内に配置された複数のチャネル電極から構成されている。いずれの構成においても、各チャネル電極は、電子増倍チャネルのいずれかに割り当てられた陽極として機能する。

上述のように、マルチアノード型光電子増倍管として、陽極が複数のチャネル電極から構成され、かつチャネル電極それぞれの一部が溝部内又は貫通孔内に挿入された状態で配置されることにより、各溝部において増倍された二次電子又は各貫通孔において増倍された二次電子は、確実に対応するチャネル電極に到達するようになり（電子増倍チャネル間におけるクロストークの低減）、より高い検出精度が得られる。

なお、電子増倍チャネルとして複数の溝部を電子増倍部が有する場合、上記陽極を構成する各チャネル電極は、その先端が対応する溝部を規定する一対の壁部で挟まれた空間内に挿入された突起部を有するのが好ましい。また、電子増倍チャネルとして複数の貫通孔を電子増倍部が有する場合、上記陽極を構成する各チャネル電極は、その先端が対応する貫通孔を規定する壁部で挟まれた空間内に挿入された突起部を有するのが好ましい。

このとき、上記陽極を構成する各チャネル電極は、その本体部分が外囲器の一部に固定され、突起部が外囲器から所定距離離間した状態で該本体部分によって支持された構造を有するのが好ましい。

また、この発明に係る光電子増倍管において、上記陽極を構成する各チャネル電極は、微細加工の容易な材料としてシリコンからなるのが好ましい。

以上のようにこの発明によれば、それぞれが電子増倍チャネルに相当する複数の溝部又は貫通孔に対応して設けられた、陽極を構成する複数のチャネル電極それぞれは、その一部が対応する溝部又は貫通孔に挿入された状態で配置されているので、チャネル間のクロストークが効果的に低減され、その結果、高い検出精度が得られる。

以下、この発明に係る光電子増倍管の各実施形態を、図１〜図９を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａは、透過型の光電面を有する光電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に該光電子が走行して行くことにより各電子増倍チャネルごとに二次電子をカスケード増倍し、各チャネルごとに対応する陽極で信号を検出するマルチアノード型光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。

図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。凹部２０１の底部には光電面２２が形成されている。この光電面２２は凹部２０１の長手方向の一端近傍に形成されている。ガラス基板２０の主面２０ａと対向する面２０ｂには孔２０２が設けられており、孔２０２は光電面２２に達している。孔２０２内には光電面端子２１が配置され、該光電面端子２１は光電面２２に電気的に接触している。なお、この第１実施形態では、ガラス材料からなる上側フレーム２自体が透過窓として機能する。

側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、凹部３０１及び貫通部３０２が形成されている。凹部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、凹部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。

凹部３０１内には電子増倍部３１が形成されている。電子増倍部３１は、凹部３０１の底部３０１ａから互いに沿うように立設している複数の壁部３１１を有する。このように、壁部３１１それぞれの間には電子増倍チャネルとして溝部が構成されている。この壁部３１１の側壁（各溝部を規定する側壁）及び底部３０１ａには二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。壁部３１１は凹部３０１の長手方向に沿って設けられており、その一端は凹部３０１の一端と所定の距離を開けて配置され、他端は貫通部３０２に臨む位置に配置されている。貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。なお、電子増倍チャネルとしては、壁部３１１それぞれの間の溝部のみでなく、側壁フレーム２の内壁（外囲器内側）の電子増倍部３１に対応する部位と、その部位に隣接する壁部３１１との間の溝部も利用可能である。

なお、陽極３２は、上記溝部に対応してそれぞれ設けられた複数のチャネル電極３２０（それぞれは電気的に分離されている）から構成されており、これらチャネル電極３２０は、貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置され、その本体部分が下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属（例えばインジウムなど）等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されている。一方、チャネル電極３２０それぞれは、溝部を規定する壁部３１１で規定される空間内にその一部が挿入された突起部を有し、この突起部は下側フレーム４から所定距離離間した状態で本体部分に支持されている。

下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。ガラス基板４０の主面４０ａからそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には陽極側端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触している。

図３は、図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。既に説明されたように、上側フレーム２の凹部２０１の一端における底部分には光電面２２が形成されている。光電面２２には光電面端子２１が電気的に接触しており、光電面端子２１を介して光電面２２に所定電圧が印加される。上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが接合されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。

上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の凹部３０１及び貫通部３０２が配置されている。側壁フレーム３の凹部３０１には電子増倍部３１が配置されており、凹部３０１の一端の壁と電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されている。この場合、上側フレーム２の光電面２２の直下に側壁フレーム３の電子増倍部３１の一端が位置することになる。側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２を構成するチャネル電極３２０がそれぞれ配置されている。各チャネル電極３２０の突起部は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、各チャネル電極３２０の突起部と貫通部３０２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、各チャネル電極３２０の突起部と対応する溝部とは図３では一部重なった状態で配置されている（突起部の一部が対応する溝部に挿入されている）。

側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の電子増倍部３１も下側フレーム４に接合により固定される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。

下側フレーム４の光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３はそれぞれ側壁フレーム３のシリコン基板３０に電気的に接触しているので、光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向と交差する方向、電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３のチャネル電極３２０ごとに用意されており（陽極３２に電気的に接触している）、チャネル電極３２０それぞれに到達した電子を信号として取り出すことができる。

図４には、側壁フレーム３の壁部３１１近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の凹部３０１内に配置されている壁部３１１の側壁には凸部３１１ａが形成されている。凸部３１１ａは対向する壁部３１１に互い違いになるように交互に配置されている。凸部３１１ａは壁部３１１の上端から下端まで一様に形成されている。

光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−２０００Ｖが、陽極側端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さを薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して光電面２２に光が入射すると、光電面２２から側壁フレーム３に向けて光電子が放出される。この放出された光電子は、光電面２２の直下に位置する電子増倍部３１に到達する。シリコン基板３０の長手方向には電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１は複数の壁部３１１で規定される溝が電子増倍チャネルとして形成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は壁部３１１の側壁及び互いに対向する側壁３１１間の底部３０１ａに衝突し、複数の二次電子を放出する。電子増倍部３１では電子増倍チャネルごとに次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部へ到達する光電子１個当たり１０^５〜１０^７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は対応するチャネル電極３２０に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。

次に、陽極３２を構成するチャネル電極３２０と溝部の効果的な配置関係を図５を用いて説明する。

まず、図５（ａ）には、比較例として、陽極３２を構成する複数のチャネル電極が電子増倍部３１の陽極側端部から電位差Vとなる距離だけ離れた位置に配置された構造が示されている。この図５（ａ）に示されたような構造の場合、電子増倍チャネルである溝部においてカスケード増倍された二次電子は、該溝部の電子放出端から所定の拡がり角で陽極３２側に進行する。このように、ある溝部から放出された電子は所定の広がり角で進行するため、該溝部に対応するチャネル電極とは別のチャネル電極に到達する可能性が著しく高くなる。すなわち、電子増倍チャネル間でのクロストークが発生し易くなる。この場合、図５（ａ）で示された構造を有する光電子増倍管では、十分な検出精度が得られない場合がある。

一方、図５（ｂ）に示されたように、電子増倍部３１の溝部を規定する一対の壁部３１１に挟まれた空間に陽極３２を構成するチャネル電極３２０それぞれの一部が挿入された構造では、上述のような課題は解決され、飛躍的に検出精度を向上させることが可能になる。

すなわち、１つの溝部（１つの電子増倍チャネル）を規定する一対の壁部で挟まれた空間に、対応する１つのチャネル電極３２０の先端が挿入された構造では、溝部を規定する壁部３１１や底部３０１でカスケード増倍された二次電子は、該溝部の端部から放出されることなく直接対応するチャネル電極３２０に到達するため、電子増倍チャネル間でのクロストークは構造上発生しない。このため、光電面２２からの電子は、溝部でカスケード増倍された後に、該溝部に対応するチャネル電極３２０に確実に到達し、高い検出精度が得られることになる。

なお、図５（ｃ）は、図５（ｂ）を側面から見た図であり、各溝部を規定する壁部３１１と対応するチャネル電極３２０の突起部が下側フレーム４から所定距離離間した状態で一部重なり合っている。このように所定距離離間した状態であるために、壁部３１１と、対応するチャネル電極３２０（より詳細には突起部）との空間的な距離を短くしつつ、それらの下側フレーム４を介した沿面距離は十分な距離を取ることができる。この実施形態のように、電子増倍部３１と陽極３２とを同一基板平面上に配置しかつ微細構造化した場合、両者間の距離を決めるにあたって、両者間の耐電圧と陽極３２での電子収集効率とは相反する課題である。ところが、このように所定距離離間した状態であると、沿面距離は十分に確保しつつ空間的には近いため、耐電圧上は問題を生じることなく、電子収集効率の向上やチャネル間クロストークの抑制を可能にすることができる。

上述の実施形態では、透過型の光電面を有する光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、反射型の光電面を有してもよい。例えば、電子増倍部３１に、その陽極側端とは逆側の端部に光電面を形成することにより、反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。また、電子増倍部３１の陽極側とは逆の端部側に陽極側に対面する傾斜面を形成し、この傾斜面上に光電面を形成することによっても反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態で、反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。

また、上述の実施形態では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０と接触した状態で一体形成されている。しかしながら、このように側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そこで、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１及び陽極３２（チャネル電極３２０）は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置されてもよい。具体的には、空隙部３０１ｂが貫通部になり、光電面側端子４０１は電子増倍部３１の光電面側端部に、陽極側端子４０３は電子増倍部３１の陽極側端部に電気的に接触するように配置される。

さらに、上述の実施形態では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、スパッタガラス基板の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon OnInsulator）基板の両面をエッチングし、露出したスパッタガラス基板の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。

次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法の一例について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図６及び図７を用いて説明する。

まず、図６（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図６（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図２の貫通部３０２と陽極３２を構成する各チャネル電極３２０との間の空隙に対応する除去部７０１及び各チャネル電極３２０を離間させるための除去部（図示せず）が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図２の貫通部３０２とチャネル電極３２０との間の空隙部に対応する除去部６１１及び各チャネル電極３２０を離間させるための除去部（図示せず）が形成される。

図６（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。図６（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図２の貫通部３０２とチャネル電極３２０との間の空隙に対応する空隙部５０１及び各チャネル電極３２０を離間させるための離間部（図示せず）が形成される。続いて、図６（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部７１１と、図２の貫通部３０２とチャネル電極３２０との間の空隙に対応する除去部７１２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図６（ｅ）中の領域Aで示された部分）と、各チャネル電極３２０を離間させるための貫通部（図６（ｅ）中の領域Bで示された部分）が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部６０１と、図２の貫通部３０２とチャネル電極３２０との間の空隙に対応する除去部６０２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部と、それぞれが電気的に分離されたチャネル電極３２０に対応する除去部が形成される。

図６（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図６（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２、図２の孔４０３に対応する孔８０３がそれぞれ予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６０が除去される。図７（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１及び各チャネル電極３２０を離間させるための離間部の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２のチャネル電極３２０に相当する島状部５２が形成される。これらチャネル電極３２０に相当する島状部５２はガラス基板８０に陽極接合により固定される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、図２の壁部３１１間の溝に相当する溝部５１と、図２の壁部３１１と凹部３０１との空隙に相当する凹部５０３とも形成される。ここで、溝部５１の側壁及び底部３０１ａには二次電子放出面が形成される。また、壁部３１１間の溝に相当する溝部５１とチャネル電極３２０に相当する島状部５２は、側面から見て一部重なった状態になっており、これにより、溝部内に対応するチャネル電極３２０の一部が挿入された構造が実現される。

続いて、図７（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されており、ガラス基板９０の表面から凹部９０１に至るように孔９０２（図２の孔２０２に相当）が設けられている。図７（ｃ）に示されたように、図２の光電面端子２１に相当する光電面端子９２が孔９０２に挿入固定されるとともに、凹部９０１には光電面９１が形成される。

図７（ａ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図７（ｃ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図７（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の陽極側端子４３に相当する陽極側端子８３が孔８０３に、それぞれ挿入固定されることで、図７（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。

図８は、この発明に係る光電子増倍管の第2実施形態の構造を示す図である。この図８には、光電子増倍管１０の断面構造が示されている。光電子増倍管１０は、図８（ａ）に示されたように、上側フレーム１１と、側壁フレーム１２（シリコン基板）と、第１下側フレーム１３（ガラス部材）と、第２下側フレーム１４（基板）とがそれぞれ接合されて構成されている。上側フレーム１１はガラス材料からなり、その側壁フレーム１２に対向する面には凹部１１ｂが形成されている。この凹部１１ｂの底部のほぼ全面に渡って光電面１１２が形成されている。光電面１１２に電位を与える光電面電極１１３と、後述される表面電極に接する表面電極端子１１１は、それぞれ凹部１１ｂの一端及び他端にそれぞれ配置されている。

側壁フレーム１２は、シリコン基板１２ａに管軸方向と平行に多数の孔１２１が設けられている。この孔１２１の内面は電子を衝突させるための凸部１２１ａが設けられており、この凸部１２１ａを含めて該穴１２１の内面には二次電子放出面が形成されている（各孔１２１が電子増倍チャネルとなる）。なお、即へ区フレーム１２の内壁（外囲器内側）を電子増倍チャネル壁の一部として利用することもできる。また、孔１２１それぞれの両端の開口部近傍には表面電極１２２及び裏面電極１２３が配置されている。図８（ｂ）には、孔１２１及び表面電極１２２の位置関係が示されている。この図８（ｂ）に示されたように、孔１２１に臨むように表面電極１２２が配置されている。なお、裏面電極１２３についても同様である。表面電極１２２は表面電極端子１１１に接触し、裏面電極１２３には裏面電極端子１４３が接触している。したがって、側壁フレーム１２にでは孔１２１の軸方向に電位が発生し、光電面１１２から放出された光電子は孔１２１内を図中下方に進行する。

第１下側フレーム１３は、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４とを連結するための部材であって、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４との双方に接合されている。

第２下側フレーム１４は、多数の孔１４１が設けられたシリコン基板１４ａで構成されている。この孔１４１それぞれに陽極を構成する複数のチャネル電極１４２が挿入固定されている。また、これらチャネル電極１４２は、それぞれ突起部１４２ａが設けられており、該突起部１４２ａの一部が対応する孔１２１に挿入された状態で固定されている。

図８に示された光電子増倍管１０では、図中上方から入射した光は、上側フレーム１１のガラス基板を透過して光電面１１２に入射する。この入射光に応じて光電面１１２から側壁フレーム１２に向かって光電子が放出される。放出された光電子は第１下側フレーム１３の孔１２１に入る。孔１２１に入った光電子は孔１２１の内壁に衝突しながら二次電子を生成し、生成された二次電子が第２下側フレーム１４に向かう。この二次電子が対応するチャネル電極１４２から信号として取り出される。

次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図９（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。

抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。

検出部８５５の構成を、図９（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。

既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。

以上のようにこの発明によれば、マルチアノード型光電子増倍管として、陽極が複数のチャネル電極から構成されかつチャネル電極それぞれの一部が溝部内又は貫通孔内に挿入された状態で配置されることにより、各溝部において増倍された二次電子又は各貫通孔において増倍された二次電子は、確実に対応するチャネル電極に到達するようになり（電子増倍チャネル間におけるクロストークの低減）、より高い検出精度が得られる。

また、電子増倍部３１の溝部を規定する壁部３１１の表面に所望の高さを有する凸不３１１ａが設けられることにより、電子増倍効率飛躍的に向上させることができる。

また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。

陽極３２を構成する複数のチャネル電極３２０は、ガラス基板４０ａに接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施形態に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。チャネル電極３２０は、その下面全体でガラス基板４０ａと接合されるため、衝撃、振動で陽極３２が振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。

また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。

電子増倍部３１では、壁部３１１で構成される複数の溝の側壁に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このため、構造が簡単で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。

この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。

この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す斜視図である。 図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。 図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。 図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。 電子増倍部における溝部と陽極との効果的な位置関係を説明するための図である。 図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。 図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。 この発明に係る光電子増倍管の第2実施形態の構造を示す図である。 この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子、３２０…チャネル電極。

Claims (6)

1. 内部が真空状態に維持された外囲器と、
   前記外囲器内に収納され、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
   前記外囲器内に収納され、電子の進行方向に沿って伸びた複数の溝部を有する電子増倍部と、
   前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極であって、前記電子増倍部に設けられた複数の溝部それぞれに対応して設けられ、少なくともその一部が対応する溝部を規定する一対の壁部で挟まれた空間内に配置された複数のチャネル電極から構成されている陽極を備えた光電子増倍管。
2. 前記陽極を構成する各チャネル電極は、その先端が前記対応する溝部を規定する一対の壁部で挟まれた空間内に挿入された突起部を有することを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
3. 内部が真空状態に維持された外囲器と、
   前記外囲器内に収納された、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
   前記外囲器内に収納された、電子の進行方向に沿って伸びた複数の貫通孔を有する電子増倍部と、
   前記外囲器内に収納された、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極であって、前記電子増倍部に設けられた複数の貫通孔それぞれに対応して設けられ、少なくともその一部が対応する貫通孔を規定する壁部で挟まれた空間内に配置された複数のチャネル電極から構成されている陽極を備えた光電子増倍管。
4. 前記陽極を構成する各チャネル電極は、その先端が前記対応する貫通孔を規定する壁部で挟まれた空間内に挿入された突起部を有することを特徴とする請求項３記載の光電子増倍管。
5. 前記陽極を構成する各チャネル電極は、その本体部分が前記外囲器の一部に固定されており、前記突起部は、前記外囲器から所定距離離間した状態で前記本体部分によって支持されていることを特徴とする請求項２又は４項記載の光電子増倍管。
6. 前記陽極を構成する各チャネル電極は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電子増倍管。

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