JP2010257962A - 光電陰極、電子管及び光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

【課題】 実効的な量子効率を向上させることができる光電陰極、そのような光電陰極を備える電子管及び光電子増倍管を提供する。
【解決手段】 光電陰極１Ａ，１Ｂにおいては、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００が支持基板１００Ａ，１００Ｂと光電子放出層３００との間に設けられ、光電子放出層３００に接触している。これにより、例えば光電陰極１Ａ，１Ｂの製造工程における熱処理時に、光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属の支持基板１００Ａ，１００Ｂ側への拡散が抑制される。更に、この下地層２００は、光電子放出層３００で発生した光電子ｅ⁻のうち支持基板１００Ａ，１００Ｂ側へ向かう光電子の進行方向をその反対側に反転させるよう機能していると推察される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光の入射に応答して光電子を放出する光電陰極（Photocathode）、そのような光電陰極を備える電子管及び光電子増倍管に関する。

光電陰極は、例えば特許文献１，２に記載されたように、入射光に応答して発生する電子（光電子）を放出するデバイスである。このような光電陰極は、光電子増倍管等の電子管に好適に適用される。また、光電陰極は、適用される支持基板材料の違いにより、透過型と反射型の２タイプがある。

透過型光電陰極では、入射光を透過する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、光電子増倍管等の透明容器の一部が該支持基板として機能する。この場合、支持基板を透過した入射光が光電子放出層に到達すると、到達した該入射光に応答して該光電子放出層内で光電子が発生する。該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、該光電子放出層内で発生した光電子は、該入射光の進行方向に一致した方向に向かって放出される。

一方、反射型光電陰極では、入射光を遮断する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、該支持基板は光電子増倍管の透明容器の内部に配置される。この場合、支持基板は、光電子放出層を支持する補強部材として機能しており、入射光は該支持基板を避けて光電子放出層に直接到達する。光電子放出層内では、到達した該入射光に応答して光電子が発生する。該光電子放出層内で発生した光電子は、該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、支持基板から見て該入射光が進行してきた側に放出される。

米国特許第３２５４２５３号明細書 特公平５−５２４４４号公報

本発明者らは上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、光電変換デバイスとしての光電陰極に要求される分光感度はより高い方が好ましい。この分光感度を高くするには、入射する光子の数に対する放出される光電子の数の割合を示す当該光電陰極の実効的な量子効率を高くする必要がある。例えば、上記特許文献１，２では、支持基板と光電子放出層との間に反射防止膜や中間層を備えた光電陰極が検討されている。しかしながら、近年、更なる量子効率の向上が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、実効的な量子効率を向上させることができる光電陰極、そのような光電陰極を備える電子管及び光電子増倍管を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光電陰極は、光の入射に応答して光電子を放出する光電陰極であって、支持基板と、支持基板上に設けられた下地層と、下地層上に設けられ、アルカリ金属を含む材料からなる光電子放出層と、を備え、下地層は、酸化ランタンを含む結晶性の材料からなり、光電子放出層と接触していることを特徴とする。

この光電陰極においては、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）を含む結晶性の材料からなる下地層が支持基板と光電子放出層との間に設けられ、光電子放出層に接触している。これにより、例えば光電陰極の製造工程における熱処理時に、光電子放出層に含まれるアルカリ金属の支持基板側への拡散が抑制される。そのため、光電子放出層における量子効率の低下が効果的に抑制される。更に、この下地層は、光電子放出層で発生した光電子のうち支持基板側へ向かう光電子の進行方向をその反対側に反転させるよう機能していると推察される。そのため、光電陰極全体の量子効率が飛躍的に向上すると考えられる。以上により、この光電陰極によれば、実効的な量子効率を向上させることができる。なお、実効的な量子効率とは、光電子放出層についてだけでなく、支持基板等を含む光電陰極全体での量子効率をいう。つまり、実効的な量子効率には、支持基板の透過率等の要素も反映される。

また、下地層の厚さに対する光電子放出層の厚さの比が０．０６〜４００であれば、実効的な量子効率をより一層向上させることができる。

また、光電子放出層が、アルカリ金属とアンチモン（Ｓｂ）との化合物を含む材料からなっていても、更に、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）の少なくとも１つをアルカリ金属として含む材料からなっていても、高い量子効率が得られる。

また、下地層が、酸化ランタンと酸化ベリリウム（ＢｅＯ）との混晶を含む材料、酸化ランタンと酸化マグネシウム（ＭｇＯ）との混晶を含む材料、及び酸化ランタンと酸化マンガン（ＭｎＯ）との混晶を含む材料のいずれか１つの材料からなっていても、高い量子効率が得られる。下地層は、酸化ランタンと希土類元素との混晶を含む材料、酸化ランタンとアルカリ土類元素との混晶を含む材料、及び酸化ランタンとチタン族元素との混晶を含む材料のいずれか１つの材料からなっていてもよい。

また、支持基板と下地層との間に、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）及び酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）の少なくとも１つを含む材料からなる反射防止膜が設けられていれば、光電子放出層に光をより効率良く入射させることができる。

また、支持基板が、光を透過する材料からなり、光電子放出層が、支持基板側から光を入射させ、支持基板の反対側に光電子を放出する、いわゆる透過型の光電陰極であってもよいし、或いは、支持基板が、光を遮断する材料からなり、光電子放出層が、支持基板の反対側から光を入射させ、支持基板の反対側に光電子を放出する、いわゆる反射型の光電陰極であってもよい。

また、本発明に係る電子管は、上述した光電陰極と、光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、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。

更に、本発明に係る光電子増倍管は、上述した光電陰極と、光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、光電陰極、電子増倍部及び陽極を収納する容器と、を備えることを特徴とする。

これらの電子管や光電子増倍管は、上述した光電陰極を備えているので、実効的な量子効率を向上させることができる。

本発明によれば、実効的な量子効率を向上させることができる。

本発明に係る光電陰極の実施形態の断面図である。 図１（ａ）の透過型光電陰極が適用された光電子増倍管の断面構造を示す図である。 図１（ｂ）の反射型光電陰極が適用された光電子増倍管の断面構造を示す図である。 本発明に係る光電陰極の実施例として用意されたサンプルに適用されている下地層構造の種類及び光電子放出層構造の種類を説明するための表である。 本発明に係る光電陰極の実施例として用意されたサンプルの分光感度特性、及び比較例として用意されたサンプルの分光感度特性を示すグラフである。 酸化ランタンのＸ線回折の結果及びランタンガラスのＸ線回折の結果を示すグラフである。 本発明に係る光電陰極の他の実施例として用意されたサンプルに適用されている下地層構造の種類を説明するための表である。 本発明に係る光電陰極の他の実施例として用意されたサンプルの分光感度特性、及び他の比較例として用意されたサンプルの分光感度特性を示すグラフである。 本発明に係る光電陰極の他の実施例として用意されたサンプルの分光感度特性を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１（ａ）は、本発明に係る光電陰極の一実施形態である透過型光電陰極の断面図である。図１（ａ）に示されるように、透過型光電陰極１Ａは、所定波長の入射光ｈνを透過する支持基板１００Ａと、該支持基板１００Ａ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００と、を備える。支持基板１００Ａは、当該透過型光電陰極１Ａの光入射面として機能する第１主面１０１ａと、該第１主面１０１ａに対向する第２主面１０２ａと、を有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａに対面する第１主面３０１ａと、該第１主面３０１ａに対向すると共に当該透過型光電陰極１Ａの光電子出射面として機能する第２主面３０２ａと、を有する。下地層２００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａと光電子放出層３００の第１主面３０１ａとに直接接触した状態で、支持基板１００Ａと光電子放出層３００との間に配置される。

この透過型光電陰極１Ａでは、支持基板１００Ａ側から入射光ｈνが入射され、該入射光ｈνに応答して光電子放出層３００側から光電子ｅ⁻が放出される。つまり、光電子放出層３００は、支持基板１００Ａ側から光ｈνを入射させ、支持基板１００Ａの反対側に光電子ｅ⁻を放出する。支持基板１００Ａは、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料からなることが好ましい。このような支持基板材料としては、例えば石英ガラスや硼珪酸ガラス等のガラス材料が適している。

一方、図１（ｂ）は、本発明に係る光電陰極の他の実施形態である反射型光電陰極の断面図である。図１（ｂ）に示されるように、反射型光電陰極１Ｂは、所定波長の入射光ｈνを遮断する支持基板１００Ｂと、該支持基板１００Ｂ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００と、を備える。支持基板１００Ｂは、第１主面１０１ｂと、該第１主面１０１ｂに対向する第２主面１０２ｂと、を有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂに対面する第１主面３０１ｂと、該第１主面３０１ｂに対向すると共に当該反射型光電陰極１Ｂの光入射面及び光電子出射面の双方として機能する第２主面３０２ｂと、を有する。下地層２００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂと光電子放出層３００の第１主面３０１ｂとに直接接触した状態で、支持基板１００Ｂと光電子放出層３００との間に配置される。

この反射型光電陰極１Ｂでは、光電子放出層３００から支持基板１００Ｂに向かって入射光ｈνが到達すると、該入射光ｈνに応答して支持基板１００Ｂから光電子放出層３００に向かう方向に光電子ｅ⁻が放出される。つまり、光電子放出層３００は、支持基板１００Ｂの反対側から光ｈνを入射させ、支持基板１００Ｂの反対側に光電子ｅ⁻を放出する。支持基板１００Ｂは、光を遮断する材料からなることが好ましい。このような支持基板材料としては、支持基板１００Ｂが光電子放出層３００を支持する補強部材として機能するため、例えばニッケル等の金属材料が適している。

上述したような透過型光電陰極１Ａ及び反射型光電陰極１Ｂのいずれにおいても、下地層２００及び光電子放出層３００は、次のような同様の構造を有してもよい。

すなわち、下地層２００は、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる。具体的には、下地層２００は、Ｌａ_２Ｏ_３からなる単層構造、主材料としてＬａ_２Ｏ_３を含む層（Ｌａ_２Ｏ_３系下地）やＬａ_２Ｏ_３単層を含む多層構造等、種々の構造により実現可能である。例えば、下地層２００は、Ｌａ_２Ｏ_３とＢｅＯとの混晶（Ｌａ_ＸＢｅ_ＹＯ_Ｚ）を含む材料、Ｌａ_２Ｏ_３とＭｇＯとの混晶（Ｌａ_ＸＭｇ_ＹＯ_Ｚ）を含む材料、及びＬａ_２Ｏ_３とＭｎＯとの混晶（Ｌａ_ＸＭｎ_ＹＯ_Ｚ）を含む材料のいずれか１つの材料からなっていてもよい。このような構造を有する下地層２００は、Ｌａ及びＢｅ、Ｌａ及びＭｇ、並びにＬａ及びＭｎのいずれか１組の元素が同時に或いは順次に基板に蒸着された後に酸化されることで形成される。ただし、下地層２００は、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなり、光電子放出層３００と接触していることが必要である。

また、光電子放出層３００は、アルカリ金属とＳｂとの化合物を含む材料からなることが好ましい。更に、アルカリ金属は、Ｃｓ、Ｋ及びＮａの少なくとも１つを含むことが好ましい。このような光電子放出層３００は、当該光電陰極１Ａ，１Ｂの活性層として機能する。

以上説明したように、光電陰極１Ａ，１Ｂにおいては、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００が支持基板１００Ａ，１００Ｂと光電子放出層３００との間に設けられ、光電子放出層３００に接触している。これにより、例えば光電陰極１Ａ，１Ｂの製造工程における熱処理時に、光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属の支持基板１００Ａ，１００Ｂ側への拡散が抑制される。そのため、光電子放出層３００における量子効率の低下が効果的に抑制される。更に、この下地層２００は、光電子放出層３００で発生した光電子ｅ⁻のうち支持基板１００Ａ，１００Ｂ側へ向かう光電子の進行方向をその反対側に反転させるよう機能していると推察される。そのため、光電陰極１Ａ，１Ｂ全体の量子効率が飛躍的に向上すると考えられる。従って、光電陰極１Ａ，１Ｂによれば、実効的な量子効率を向上させることができる。

次に、以上のように構成された光電陰極１Ａ，１Ｂが適用された光電子増倍管について説明する。なお、以下の説明において、透過型光電陰極１Ａ及び反射型光電陰極１Ｂのいずれにも限定せずに単に支持基板と言う場合には、参照番号として“１００”と明記する。

図２は、図１（ａ）の透過型光電陰極が適用された光電子増倍管の断面構造を示す図である。図２に示されるように、透過型光電子増倍管（電子管）１０Ａは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備える。この透明容器３２の入射面板が、当該透過型光電陰極１Ａの支持基板１００Ａとして機能する。透明容器３２内には下地層２００を介して光電子放出層３００が配置されると共に、放出された光電子ｅ⁻を増倍部４０へ導く集束電極３６、二次電子を増倍する増倍部４０、及び増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該透過型光電陰極１Ａの少なくとも一部及び陽極３８を収納する。

集束電極３６と陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、光電陰極１Ａから放出された光電子ｅ⁻をカスケード増倍するための電子増倍部であって、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、容器３２を貫通するように設けられたステムピン４４と電気的に接続されている。

一方、図３は、図１（ｂ）の反射型光電陰極が適用された光電子増倍管の断面構造を示す図である。図３に示されるように、反射型光電子増倍管（電子管）１０Ｂは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備えるが、当該反射型光電陰極１Ｂは、支持基板１００Ｂを含む全体が透明容器３２内に配置される。更に、透明容器３２内には、反射型光電陰極１Ｂから放出された光電子ｅ⁻を増倍する増倍部４０、増倍部４０で増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該反射型光電陰極１Ｂ全体及び陽極３８を収納する。

反射型光電陰極１Ｂと陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、光電陰極１Ｂから放出された光電子ｅ⁻をカスケード増倍するための電子増倍部であって、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、図２に示された透過型光電子増倍管１０Ａと同様に、透明容器３２を貫通するように設けられたステムピンと電気的に接続されている。

次に、本発明に係る光電陰極の実施例として用意されたサンプルについて説明する。なお、用意されたサンプルは透過型光電陰極であるが、反射型光電陰極の特性については、透過型光電陰極の場合と同様の特性が期待できることが容易に推測できるため、省略する。

図４（ａ）は、実施例として用意されたサンプルに適用されている下地層構造の種類を説明するための表である。また、図４（ｂ）は、実施例として用意されたサンプルに適用されている光電子放出層構造の種類を説明するための表である。つまり、実施例として用意されたサンプルは、６種類の下地層２００と４種類の光電子放出層３００との組合せにより得られる２４種類である。

図４（ａ）に示されるように、下地層２００の構造Ｎｏ．１は、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．２は、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層とＢｅＯ単層との２層構造（Ｌａ_２Ｏ_３／ＢｅＯ）であり（ただし、Ｌａ_２Ｏ_３単層が光電子放出層３００に接触している）、これらＬａ_２Ｏ_３単層とＢｅＯ単層との界面には合金（Ｌａ_２Ｏ_３−ＢｅＯ）が形成されている。なお、この構造Ｎｏ．２の製造では、Ｌａ_２Ｏ_３及びＢｅＯが同時に蒸着されてもよいし、順次に蒸着されてもよい。

下地層２００の構造Ｎｏ．３は、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層とＭｇＯ単層との２層構造（Ｌａ_２Ｏ_３／ＭｇＯ）であり（ただし、Ｌａ_２Ｏ_３単層が光電子放出層３００に接触している）、これらＬａ_２Ｏ_３単層とＭｇＯ単層との界面には合金（Ｌａ_２Ｏ_３−ＭｇＯ）が形成されている。なお、この構造Ｎｏ．３の製造では、Ｌａ_２Ｏ_３及びＭｇＯが同時に蒸着されてもよいし、順次に蒸着されてもよい。下地層２００の構造Ｎｏ．４は、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層とＭｎＯ単層との２層構造（Ｌａ_２Ｏ_３／ＭｎＯ）であり（ただし、Ｌａ_２Ｏ_３単層が光電子放出層３００に接触している）、これらＬａ_２Ｏ_３単層とＭｎＯ単層との界面には合金（Ｌａ_２Ｏ_３−ＭｎＯ）が形成されている。なお、この構造Ｎｏ．４の製造では、Ｌａ_２Ｏ_３及びＭｎＯが同時に蒸着されてもよいし、順次に蒸着されてもよい。

下地層２００の構造Ｎｏ．５は、結晶構造を有するＬａ合金の酸化物からなる単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．６は、支持基板１００上にＨｆＯ_２やＹ_２Ｏ_３等の薄膜が設けられ、この薄膜にＬａ_２Ｏ_３系下地（上記構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のいずれかでもよい）が設けられたものである。この薄膜は入射光ｈνに対する反射防止膜（anti-reflection（ＡＲ）コート）として機能させることができる。また、ＨｆＯ_２やＹ_２Ｏ_３等の膜厚は、３０Å〜２０００Åの範囲内で選択される。

このように、支持基板１００と下地層２００との間に、ＨｆＯ_２及びＹ_２Ｏ_３の少なくとも１つを含む材料からなる反射防止膜が設けられていれば、光電子放出層３００に光ｈνをより効率良く入射させることができる。なお、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００を反射防止膜として機能させるためには、下地層２００の膜厚は、３５０Å〜４５０Åの範囲内で選択されることが好ましい。

一方、図４（ｂ）に示されるように、光電子放出層３００の構造Ｎｏ．１は、Ｋ−ＣｓＳｂ（Ｋ_２ＣｓＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．２は、Ｎａ−ＫＳｂ（Ｎａ_２ＫＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．３は、Ｃｓ−Ｎａ−ＫＳｂ（Ｃｓ（Ｎａ_２Ｋ）Ｓｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．４は、Ｃｓ−Ｔｅ（Ｃｓ_２Ｔｅ）単層である。

上述したＭｎＯ_Ｘ、ＭｇＯ等は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料として知られている。また、薄膜材料であるＨｆＯ_２は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光に対して高い透過率を示す。

以上、下地層２００の構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５と光電子放出層３００の構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４との組合せの各サンプルについて分光感度特性を測定した結果、優れた分光感度特性が得られた。

図５は、本発明に係る光電陰極の実施例として用意されたサンプルの分光感度特性、及び比較例として用意されたサンプルの分光感度特性を示すグラフである。実施例として用意されたサンプルにおいては、下地層が上記構造Ｎｏ．１であり、光電子放出層が上記構造Ｎｏ．１である。一方、比較例として用意されたサンプルにおいては、光電子放出層が上記構造Ｎｏ．１であるが、下地層がＭｎＯ_Ｘからなる。なお、両サンプルは、支持基板が硼珪酸ガラスからなる透過型光電陰極として用意されたものである。

実施例として用意されたサンプルにおいて、下地層２００の厚さは２００Åであり、光電子放出層３００の厚さは１６０Åであって、下地層２００の厚さに対する光電子放出層３００の厚さの比は０．８である。また、比較例として用意されたサンプルにおいて、下地層の厚さは３０Åであり、光電子放出層の厚さは１６０Åであって、下地層の厚さに対する光電子放出層の厚さの比は５．３である。なお、下地層の好適な厚さは５〜８００Åであり、光電子放出層の好適な厚さは５０〜２０００Åである。

図５から分かるように、実施例として用意されたサンプルは、比較例として用意されたサンプルに比べ、使用波長領域の大部分において量子効率が向上している。特に、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、比較例として用意されたサンプルでは２６．９％であるのに対し、実施例として用意されたサンプルでは３７．９％であり、およそ４割程度の感度増加が確認された。

このように実効的な量子効率を飛躍的に向上させるためには、光電陰極１Ａ，１Ｂにおいて、下地層２００の厚さに対する光電子放出層３００の厚さの比が０．０６〜４００であることが好ましい。このとき、下地層２００の厚さは、５Å〜８００Åの範囲に収まるように設定され、光電子放出層３００の厚さは、５０Å〜２０００Åの範囲に収まるよう設定されることが好ましい。

上述したように、実施例として用意されたサンプルが比較例として用意されたサンプルよりも著しく分光感度が向上するのは、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００がバリア層として機能することに起因していると考えられる。すなわち、当該光電陰極の製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓ等）は、拡散によって当該光電子放出層３００に隣接する層に移動してしまうと考えられる。この場合、実効的な量子効率の低減はその結果によるものと推察される。一方、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００が隣接層として光電子放出層３００に接触した状態で設けられると、製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓ等）の拡散が効果的に抑制されると考えられる。Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００を備えた光電陰極において高い実効的量子効率を実現できるのは、その結果によるものと推察される。更に、この下地層２００は、光電子放出層３００内で発生した光電子のうち、支持基板１００側へ向かう光電子の進行方向を該光電子放出層３００側に反転させるよう機能していると推察される。このため、当該光電陰極全体の量子効率を飛躍的に向上すると考えられる。

光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属の種類が複数の場合、複数回に渡ってアルカリ蒸気を送らなければならない。そのため、熱処理による量子効率の低減が抑制されることは、非常に有効である。

次に、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００（光電子放出層３００に直接接触）を備える光電陰極１Ａ，１Ｂが、ランタンガラスからなる下地層（光電子放出層に直接接触）を備える光電陰極に比べ、優位であることについて説明する。

図６は、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）のＸ線回折の結果及びランタンガラスのＸ線回折の結果を示すグラフである。図６に示されるように、ランタンガラスには、結晶性を示すピーク値が存在しない。これはランタンガラスが非晶質の材料であることを示している。一方、Ｌａ_２Ｏ_３には、Lanth（１１０）のピーク値が存在する。これは、Ｌａ_２Ｏ_３が（１１０）面で結晶化した材料であることを示している。このLanth（１１０）のピーク値は、Ｌａ_２Ｏ_３に他の元素が混合されていても、理論的には存在し得るものである。なお、使用したＸ線回折装置は、メーカー名：株式会社リガク、装置名：薄膜用Ｘ線回折装置（SmartLab）であり、使用条件は、管電圧：４５kＶ、管電流：２００ｍＡ、In-Plane測定である。

このように、ランタンガラスからなる下地層は、非晶質である点で、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００と相違している。これにより、Ｌａ_２Ｏ_３を含む結晶性の材料からなる下地層２００（光電子放出層３００に直接接触）を備える光電陰極１Ａ，１Ｂは、ランタンガラスからなる下地層（光電子放出層に直接接触）を備える光電陰極に比べ、次のような優位点を有している。

すなわち、ランタンガラスの屈折率は１．８未満であるのに対し、Ｌａ_２Ｏ_３の屈折率は１．９５であることから、Ｌａ_２Ｏ_３からなる下地層２００は、反射防止膜として適切である。また、ランタンガラスは酸化バリウム（Ｂａ_２Ｏ_３）やアルカリ土類金属の酸化物等の不純物の含有率が高いのに対し、Ｌａ_２Ｏ_３は不純物の含有率を低く抑えることが可能であるため、直接接触する光電子放出面に悪影響が生じるのを防止することができる。また、ランタンガラスは、直接接触する光電子放出面からのアルカリ金属の移動を誘起するのに対し、Ｌａ_２Ｏ_３は、直接接触する光電子放出面からのアルカリ金属の移動を抑制するので、感度の低下を防止することができる。更に、ランタンガラスは数ｍｍ以下の厚さに薄く製膜することが困難であるのに対し、Ｌａ_２Ｏ_３は数Åオーダで薄く製膜することが可能であるため、紫外領域等の光の吸収を抑制することができる。

図７は、他の実施例として用意されたサンプルに適用されている下地層構造の種類を説明するための表である。つまり、他の実施例として用意されたサンプルは、図７に示される４種類の下地層２００と図４（ｂ）に示された４種類の光電子放出層３００との組合せにより得られる１６種類である。

図７に示されるように、下地層２００の構造Ｎｏ．１１は、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層とランタンガラス単層との２層構造である（ただし、Ｌａ_２Ｏ_３単層が光電子放出層３００に接触している）。すなわち、下地層２００の構造Ｎｏ．１１は、支持基板１００上にランタンガラス単層が設けられ、このランタンガラス上にＬａ_２Ｏ_３単層が形成されたものである。なお、この構造Ｎｏ．１１の製造では、透明容器３２の内面にランタンガラスを固定した状態で、このランタンガラス上にＬａ_２Ｏ_３がスパッタリング蒸着される。

下地層２００の構造Ｎｏ．１２は、Ｌａ_２Ｏ_３とＢｅＯとの混晶を含む層である。この構造Ｎｏ．１２では、Ｌａ_２Ｏ_３がＢｅＯと共に光電子放出層３００に接触している。なお、構造Ｎｏ．１２の製造では、Ｌａ及びＢｅが同時に或いは順次に支持基板１００に蒸着され、その後酸化される。下地層２００の構造Ｎｏ．１３は、Ｌａ_２Ｏ_３とＹ_２Ｏ_３との混晶を含む層である。この構造Ｎｏ．１３では、Ｌａ_２Ｏ_３がＹ_２Ｏ_３と共に光電子放出層３００に接触している。なお、構造Ｎｏ．１３の製造では、Ｌａ及びＹが同時に或いは順次に支持基板１００に蒸着され、その後酸化される。下地層２００の構造Ｎｏ．１４は、Ｌａ_２Ｏ_３とＨｆＯ_２との混晶を含む層である。この構造Ｎｏ．１４では、Ｌａ_２Ｏ_３がＨｆＯ_２と共に光電子放出層３００に接触している。なお、構造Ｎｏ．１４の製造では、Ｌａ及びＨｆが同時に或いは順次に支持基板１００に蒸着され、その後酸化される。

以上、下地層２００の構造Ｎｏ１１〜Ｎｏ．１４と光電子放出層３００の構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４との組合せの各サンプルについて分光感度特性を測定した結果、優れた分光感度特性が得られた。

図８は、本発明に係る光電陰極の他の実施例として用意されたサンプルの分光感度特性、及び他の比較例（以下、第２比較例という）として用意されたサンプルの分光感度特性を示すグラフである。ここでは、他の実施例として、第２実施例〜第５実施例に相当する４種類のサンプルが用意された。

第２実施例として用意されたサンプルにおいては、下地層が上記構造Ｎｏ．１１である。第３実施例として用意されたサンプルにおいては、下地層が上記構造Ｎｏ．１２である。第４実施例として用意されたサンプルにおいては、下地層が上記構造Ｎｏ．１３である。第５実施例として用意されたサンプルにおいては、下地層が上記構造Ｎｏ．１４である。また、第２実施例〜第５実施例として用意された各サンプルにおいては、光電子放出層が上記構造Ｎｏ．１である。一方、第２比較例として用意されたサンプルにおいては、光電子放出層が上記構造Ｎｏ．１であるが、下地層がランタンガラス単層からなる。なお、これら第２実施例〜第５実施例の各サンプル及び第２比較例のサンプルは、支持基板が硼珪酸ガラスからなる透過型光電陰極として用意されたものである。

第２実施例として用意されたサンプルにおいて、下地層２００の厚さは１ｍｍ＋３００Å（ランタンガラス１ｍｍ＋結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３３００Å）であり、光電子放出層３００の厚さは２００Åである。また、第３実施例〜第５実施例として用意された各サンプルにおいて、下地層２００の厚さは２５０Åであり、光電子放出層３００の厚さは２００Åである。また、第２比較例として用意されたサンプルにおいて、下地層の厚さは１ｍｍであり、光電子放出層の厚さは２００Åである。

図８からわかるように、第２実施例として用意されたサンプルは、第２比較例として用意されたサンプルに比べ、使用波長領域の大部分において量子効率が向上している。特に、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、第２比較例として用意されたサンプルでは２５．４％であるのに対し、第２実施例として用意されたサンプルでは３０．１％であり、およそ２割程度の感度増加が確認された。このように、結晶構造を有するＬａ_２Ｏ_３単層とランタンガラス単層との２層からなる下地層２００（Ｌａ_２Ｏ_３単層が光電子放出層３００に接触）を備える光電陰極１Ａ，１Ｂが、ランタンガラス単層からなる下地層（ランタンガラス単層が光電子放出層に接触）を備える光電陰極に比べ、優位であることが確認された。

また、図９からわかるように、第３実施例〜第５実施例として用意されたサンプルでも、優れた量子効率が得られた。特に、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、第３比較例として用意されたサンプルでは３８．７％であり、第４比較例として用意されたサンプルでは４１．０％であり、第５比較例として用意されたサンプルでは３１．１％であった。このように、Ｌａ_２Ｏ_３とＢｅＯとの混晶、Ｌａ_２Ｏ_３とＹ_２Ｏ_３との混晶、又はＬａ_２Ｏ_３とＨｆＯ_２との混晶を含む層からなる下地層２００（いずれもＬａ_２Ｏ_３が光電子放出層３００に接触）を備える光電陰極１Ａ，１Ｂが、ランタンガラス単層からなる下地層（ランタンガラス単層が光電子放出層に接触）を備える光電陰極に比べ、優位であることが確認された。

１Ａ，１Ｂ…光電陰極、１０Ａ，１０Ｂ…光電子増倍管（電子管）、３２…容器、３８…陽極、４０…増倍部、１００，１００Ａ，１００Ｂ…支持基板、２００…下地層、３００…光電子放出層。

Claims (15)

1. 光の入射に応答して光電子を放出する光電陰極であって、
   支持基板と、
   前記支持基板上に設けられた下地層と、
   前記下地層上に設けられ、アルカリ金属を含む材料からなる光電子放出層と、を備え、
   前記下地層は、酸化ランタンを含む結晶性の材料からなり、前記光電子放出層と接触していることを特徴とする光電陰極。
2. 前記下地層の厚さに対する前記光電子放出層の厚さの比は０．０６〜４００であることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
3. 前記光電子放出層は、前記アルカリ金属とアンチモンとの化合物を含む材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の光電陰極。
4. 前記光電子放出層は、セシウム、カリウム及びナトリウムの少なくとも１つを前記アルカリ金属として含む材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電陰極。
5. 前記下地層は、前記酸化ランタンと酸化ベリリウムとの混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
6. 前記下地層は、前記酸化ランタンと酸化マグネシウムとの混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
7. 前記下地層は、前記酸化ランタンと酸化マンガンとの混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
8. 前記下地層は、前記酸化ランタンと希土類元素との混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
9. 前記下地層は、前記酸化ランタンとアルカリ土類元素との混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
10. 前記下地層は、前記酸化ランタンとチタン族元素との混晶を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電陰極。
11. 前記支持基板と前記下地層との間には、酸化ハフニウム及び酸化イットリウムの少なくとも１つを含む材料からなる反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項記載の光電陰極。
12. 前記支持基板は、前記光を透過する材料からなり、
    前記光電子放出層は、前記支持基板側から前記光を入射させ、前記支持基板の反対側に前記光電子を放出することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の光電陰極。
13. 前記支持基板は、前記光を遮断する材料からなり、
    前記光電子放出層は、前記支持基板の反対側から前記光を入射させ、前記支持基板の反対側に前記光電子を放出することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項記載の光電陰極。
14. 請求項１記載の光電陰極と、
    前記光電陰極から放出された光電子を収集する陽極と、
    前記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。
15. 請求項１記載の光電陰極と、
    前記光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、
    前記電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、
    前記光電陰極、前記電子増倍部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光電子増倍管。

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