JP2013522821A - 真空管において使用されるフォトカソードおよびそのような真空管 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は真空管において使用されるフォトカソードに関する。このフォトカソードは、入口面および出口面を有するカソード層であって入口面はカソード層に衝突する光子を吸収可能であり出口面は光子の衝突の際電子を放出するカソード層と、電子の放出を改善するためにカソード層の出口面と対向関係にある電子出口層と、電子出口層とカソード層とを結合するためにカソード層の出口面と電子出口層との間に設けられた炭素含有層と、を少なくとも備える。本発明は、そのようなフォトカソードを使用する真空管にも関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空管において使用されるフォトカソードに関する。このフォトカソードは、入口面および出口面を有するカソード層であって入口面はカソード層に衝突する光子を吸収可能であり出口面は光子の衝突の際電子を放出するカソード層と、電子の放出を改善するためにカソード層の出口面と対向関係にある電子出口層と、を少なくとも備える。

本発明は、本発明に係るフォトカソードを伴う真空管にも関する。

本願では、真空管構成はイメージ増倍管や光電子増倍管などの密封されたデバイスを含むことに注意されたい。そのようなデバイスは個別のダイノードおよびマイクロチャネルプレートなどの要素またはサブアセンブリを組み入れている。ダイノードやマイクロチャネルプレートは二次電子放出現象をゲインのメカニズムとして使用する。

そのような真空管は周知である。そのような真空管はカソードを含む。カソードは光やＸ線や他の素粒子（電子）などの入来放射の影響の下、光電子などの電子を放出する。放出された光電子は電場の影響の下、アノードに向けて移動する。アノードに衝突する電子は情報信号を形成し、その情報信号は適切な処理手段によってさらに処理される。

電子親和力（ＥＡ）は物理的パラメータであり、自由電子がカソードから真空へ放出されたときにその自由電子が失うエネルギを提案する。電子親和力の値は特にカソードの物性によって決まる。大抵の物質は正の電子親和力を有し、非常に低い量子効率（ＱＥ）を示す。量子効率は、入来光子毎の真空に放出される電子の量である。他のいくつかの物質は負の電子親和力（ＮＥＡ）を有する。ＮＥＡを伴う物質では、電子は真空に入る際にエネルギを得る。したがって、電子が真空に放出される可能性はかなり高く、ＮＥＡカソードのＱＥは正の電子親和力を伴うカソードのそれよりもかなり高い。これらのＮＥＡカソードは周知である。

ＱＥが低い場合、フォトカソード層に電子出口層を付着させることで、ＱＥを改善できる。電子出口層はＮＥＡを有する。しかしながら、これらの付着は超高真空において実行されなけらばならず、またＩＩＩ−Ｖベースのカソード層と電子出口層との間の結合はファンデルワールス力に基づくものであり非常に弱い。

ＮＥＡ特性を伴い電子出口層を含むいくつかの（すなわち、ＩＩＩ−Ｖベースの）カソードは高いＱＥを有し、典型的には約４０％である。しかしながら、電子出口層を使用することのデメリットは、弱い結合力のために、真空管の真空チャンバ内に設けられたマイクロチャネルプレートや大抵のアノードに付与されている蛍光面によって放出されるガスの化学的攻撃から電子出口層を保護しなければならないことでである。

他の現象はいわゆるイオンフィードバックであり、電子出口層をそのイオンフィードバックから保護しなければならない。（負に帯電した）電子が加速電場において十分な運動エネルギを得、真空内に依然として存在するまたは電子が衝突する表面に吸着されている原子や分子に衝突してそれをイオン化する場合に、そのようなイオンフィードバックが生じる。

原子の電子雲の外側領域から電子を蹴り出す電子衝突によって中性であったガス原子または分子が正に帯電すると、そのイオンは同じ電場に曝されるが、その正の電荷により反対向きに動き、運動エネルギを得てデバイスの入口側の表面に衝突するであろう。

これらのイオンフィードバックのインパクトは大抵の場合顕著であり、ほとんどの場合デバイスによって出力される信号を、デバイスのイメージにおけるいわゆるアフタパルスまたはイオンスポットによって乱すまたは低下させる。従来のデバイスの多くでは、イオンフィードバックの影響を避けるか低減するために、デザインや製造や動作圧力範囲または動作電圧に対する制限に対して特別な注意が払われている。

従来技術、特に脆弱な単原子負電子親和力層からなるまたはそれを含むコンポーネント表面（例えば、Ｃｓベースの表面層を伴うＧａＡｓ）を有するイメージ増倍管デバイスにおいてよく用いられる解法は、迷走イオンからそのようなコンポーネントの表面をシールドするために真空チャンバにいわゆるイオンバリア膜を付着させることである。そのような膜は、迷走イオンがカソードを永久的に損傷させ、カソードの放出ＱＥを低減させることを防止するであろう。

しかしながら、イオンバリア膜を使用することには基本的な弱点がある。イオンバリア膜は迷走イオンのフィードバックを遮るだけでなく、１次電子の量をも顕著に低減させる。この１次電子はデバイスの中でアノードに向けて信号またはイメージ情報を運ぶものと考えられうる。したがって、放出ＱＥがかなり低減されてしまう。

高い放出ＱＥを可能としつつマルチチャネルプレート（ＭＣＰ）やアノードからの迷走イオンフィードバックや化学的攻撃に対して耐性を有する電子出口層を備えるフォトカソードを提供することが、本発明のひとつの目的である。

この目的のため、本発明に係るフォトカソードが提供される。このフォトカソードは、入口面および出口面を有するアクティブカソード層であって入口面はカソード層に衝突する光子を吸収可能であり出口面は光子の衝突の際電子を放出するアクティブカソード層と、電子の放出を改善するためにフォトカソード層の出口面と対向関係にある電子出口層と、電子出口層とフォトカソード層とを結合するためにフォトカソード層の出口面と電子出口層との間に設けられた炭素含有層と、を備える。

薄い炭素含有層は、電子出口層をフォトカソード層に結合させるために使用される。この場合、電子出口層とフォトカソード層との間に非常に強固な結合が生まれる。その層は薄くまた炭素は有利な物性を有するので、電子はその層をトンネル的に通過することができ、電子出口層によって真空へ放出される。電子出口層は強固な結合を有するので、カソードは保護用のイオンバリア膜を必要とせず、カソードの寿命を延ばし放出ＱＥを改善することができる。

さらに、電子出口層は負の電子親和力（ＮＥＡ）を示してもよく、この場合電子が真空に放出される可能性が高まり、カソードのＱＥがさらに高くなる。

より具体的には、炭素含有層は酸化されている。

本発明の特定の実施の形態では、炭素含有層は、単結晶ダイヤモンド含有層、多結晶ダイヤモンド含有層、ナノダイヤモンド粒子含有層のコーティングまたは少なくとも１層の炭素単原子層（すなわち、グラフェン）から構成されてもよい。

本発明のさらに別の実施の形態では、フォトカソードのフォトカソード層はＩＩＩ−Ｖ型のフォトカソード層である。

本発明のさらなる実施の形態では、電子出口層は少なくともアルカリ金属を含む。

より具体的には、電子出口層のアルカリ金属はセシウムまたはルビジウムである。

本発明の他の実施の形態では、フォトカソードのフォトカソード層はアルカリ金属フォトカソード層である。

本発明のさらに別の実施の形態では、入口面および出口面はフォトカソード層の同じ側に設けられている。

本発明の他の実施の形態では、フォトカソードはさらに、フォトカソード層の入口面および出口面が設けられている側とは反対側に取り付けられた不透明キャリア層を備える。

本発明のさらに別の実施の形態では、入口面と出口面とはフォトカソード層の互いに反対となる側に設けられている。

そのようなフォトカソードを伴いイメージ増倍管や光電子増倍管として使用されるべき真空管の実施の形態もまた、従来のデバイスに対して有利である。

添付の図面を参照して以下に本発明をより詳細に説明する。

先端技術に係るフォトカソードを備える真空管を示す図である。 本発明に係るフォトカソードを備える真空管の実施の形態を示す図である。 本発明に係るフォトカソードの別の実施の形態を示す図である。

明確性を向上させるために、以下の詳細な説明では、同様の部材を同じ参照符号で表す。

図１は、イメージ増倍管などの真空管の一例の模式的な断面を示す。イメージ増倍管は、入口窓２および出口窓３を有するチューブ状のハウジング１に形成される。チューブ状のハウジングはガラスにより形成されてもよく、フォトカソード層４およびアノード層５もまたガラスにより形成されてもよい。チューブ状のハウジング１の内部は超高真空となっている。

入口窓の入口面において光子（ｈ．ｖ）がチューブ状のハウジング１に入り、フォトカソード層４によって吸収される。フォトカソード層４は衝突する光子の吸収に際して電子を生成し、そのように生成された電子はチューブ状のハウジング１の内部の真空に向けて放出される。真空に向けて放出される電子はチャネルプレート６の入口面７に向けて移動する。ある場合では、フォトカソード層４はチャネルプレート６の上に直接配置される。そのような変形は知られており、したがって図１には示されておらず、また詳述もされない。既知のタイプのチャネルプレート６はマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）である。マイクロチャネルプレートにおいて電子は増倍され（２次電子放出）、そのような電子のほとんどはチャネルプレート６の出口面８からアノード５に向けて真空内に放出される。アノード５は検出／出口窓３に配置される。この窓３はガラスにより形成されてもよい。この窓３は光ファイバプレートから構成される場合があり、またはシンチレーティングスクリーンとして、あるいは要素のピクセル型アレイ（例えば、半導体アクティブピクセルアレイ）として構成されてもよい。

イメージ増倍管の最も重要な性質のひとつは、量子効率（ＱＥ）である。量子効率は、入来光子毎の真空に放出される電子の数である。

フォトカソード層４によって光子が吸収される場合、これらの光子がどのように吸収されるかは、入口窓２およびフォトカソード層４の光学的性質ならびにその厚さによって決定される。厚いフォトカソード層４はより良い吸収特性を有し、薄いフォトカソード層４はより良い電子輸送を生じさせる。カソードは、光子を吸収すると電子を放出する。フォトカソード層４単体は比較的低いＱＥを有する。電子全てが真空に放出されるわけではないからである。電子が真空に放出されるには小さすぎる運動エネルギを有するために、そのような電子はカソード内の正孔と再結合したり、表面に捕らわれたりしうる。フォトカソードおよびフォトカソード層４の物性および結晶の質は、キャリアの寿命およびキャリアの拡散距離を決める。長いキャリアの寿命および長い拡散距離を達成し、電子が再結合されることなく真空に放出される可能性を高めるために、粒界が少なく欠陥が少ない良い結晶の質が必要とされる。

電子の真空への放出について、電子親和力（ＥＡ）は非常に重要である。ＥＡは、自由電子がバルクから真空へ放出されたときにその自由電子が失うエネルギである。ＥＡの値はフォトカソードを構成する複数の層によって決まる。大抵の物質のＥＡは正である。したがって、電子を真空に放出するためには、電子はエネルギしきい値を超えるのに十分なエネルギを必要とする。正のＥＡを有する大抵のフォトカソード層は低いＱＥを示す。他のいくつかの物質またはフォトカソードの物質層の組み合わせは負の電子親和力（ＮＥＡ）を有する。したがって、電子が真空に近い場合、電子が真空に放出されるとその電子はエネルギを得る。したがって、放出可能性はかなり高く、非常に高いＱＥを示す。セシウム（Ｃｓ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）などであるがそれらに限定されないアルカリ金属の使用、特にＣｓ_２ＯやＣｓＦをセシウムと組み合わせて使用する形態はＮＥＡを生じさせる。これらは周知である。電子出口層は、ＱＥをかなり増大させるためにこれらの物質が使用される層である。

図１では、この例ではＣｓ含有層である電子出口層１０が示される。他のタイプの電子出口層は知られており、したがって図１には示されておらず、また詳述もされない。

これらの電子出口層は３つのタイプのカソード層に対して使用される。その３つのタイプとは、白金や金や銀のカソードなどの金属フォトカソード、通常Ｎａ、Ｋ、およびアンチモンＳｂの組み合わせであるアルカリ金属ベースのフォトカソード、およびＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ型フォトカソードである。

金属フォトカソードは堅牢であるがＱＥが低い。

アルカリベースのフォトカソードはよく使用されており、電子出口層は大抵の場合Ｃｓに基づく。Ｃｓ含有電子出口層はカソード層に対する強力な化学結合を有している。そのカソード層の結晶の質は限られており、キャリアの拡散距離は短くなる。したがって、厚さは通常２００ｎｍ以下に制限され、その結果光学吸収は制限され、ＱＥは比較的低くなる。

ＩＩＩ−Ｖ型フォトカソードは、例えば半導体業界において広く使用されている物質から形成される。カソードの厚さおよびドーピングのレベルを好適に制御することができる。結晶の質は良いので、キャリアの寿命の値および拡散距離の値は大きい。しかしながら、ＱＥは非常に低く、ＱＥを増大させるためには電子出口層の使用が必要である。ＩＩＩ−Ｖ型フォトカソードにおいてよく使用される電子出口層は、大抵の場合金属性Ｃｓと組み合わされているＣｓ_２ＯまたはＣｓＦである。電子出口層を使用すると、ＱＥをかなり増大させることができる。

しかしながら、この電子出口層の付着は超高真空内で行われなければならず、またフォトカソード層と電子出口層との間の結合は純粋にファンデルワールス力に基づく。結合はファンデルワールス力に基づくのでその結合は非常に弱く、その結合を化学的攻撃や迷走イオンフィードバックから保護しなければならない。電子出口層を保護するための既知の解法は、イオンバリアの使用である。これらのイオンバリアは化学ガスや迷走イオンフィードバックから電子出口層を保護するものの、そのバリアに電子が捕らわれることとなり、ＱＥをかなり下げることとなる。

図２もまた真空管を示すが、ここではフォトカソード層４と電子出口層１０との間に結合層１１がある。この結合層は炭素を含む。この場合、電子出口層１０とカソード層４との間に非常に強固な結合が生まれる。ある実施の形態では、炭素含有層１１はセシウム化されているので、ＮＥＡを有しより高いＱＥを示す。結合は単にファンデルワールス力に基づくのではなく強固な化学結合であるから、電子出口層は化学ガスや迷走イオンフィードバックに対してより良い耐性を示す。他の重要な利点は、結合が強固であるためＮＥＡを失うことなくその結合を周囲の環境に曝すことができることである。したがって、真空管を作成するプロセスが単純化される。全ての工程においてフォトカソード層および強固に結合された電子出口層を備える入口窓を超高真空内に維持するという必要性がなくなる。

さらに、他の実施の形態では、図２に示されるように結合層１１を酸化することにより、電子出口層１０とフォトカソード層４との結合をさらに強固にするよう結合層１１をさらに改善できる。

フォトカソード層４上の電子出口層１０に対する結合層１１として使用されうる炭素含有層の例は以下の通りであるが、これらに限定されない。単結晶ダイヤモンド含有層、多結晶ダイヤモンド含有層、ナノダイヤモンド粒子層のコーティング、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）含有層、グラフェン含有層。

図３は、本発明に係るフォトカソードの別の実施の形態を示す図である。この実施の形態では、フォトカソードは入口面および出口面を有する。入口面および出口面はフォトカソード層の同じ側に配置されまたは設けられている。光子が衝突する側（入口面）と同じ側（出口面）から電子が放出される。反対側には、フォトカソード層に不透明キャリア１２が取り付けられている。この不透明キャリア１２はカソード層の材料に放出された電子に対する反射性バリアとして機能する。

Claims (19)

1. 真空管において使用されるフォトカソードであって、
   入口面および出口面を有するカソード層であって入口面は前記カソード層に衝突する光子を吸収可能であり出口面は前記光子の衝突の際電子を放出するカソード層と、
   前記電子の前記放出を改善するために前記カソード層の前記出口面と対向関係にある電子出口層と、
   前記電子出口層と前記カソード層とを結合するために前記カソード層の前記出口面と前記電子出口層との間に設けられた炭素含有層と、を少なくとも備えるフォトカソード。
2. 前記電子出口層は負の電子親和力（ＮＥＡ）特性を示す、請求項１に記載のフォトカソード。
3. 前記炭素含有層は酸化されている、請求項１または２に記載のフォトカソード。
4. 前記炭素含有層は単結晶ダイヤモンド含有層である、請求項１から３のいずれかに記載のフォトカソード。
5. 前記炭素含有層は多結晶ダイヤモンド含有層である、請求項１から３のいずれかに記載のフォトカソード。
6. 前記炭素含有層はナノダイヤモンド粒子含有層のコーティングである、請求項１から３のいずれかに記載のフォトカソード。
7. 前記炭素含有層はグラフェン状構造を有する少なくともひとつの炭素層である、請求項１から３のいずれかに記載のフォトカソード。
8. 前記カソード層はＩＩＩ−Ｖ型半導体である、請求項１から７のいずれかに記載のフォトカソード。
9. 前記電子出口層は少なくともアルカリ金属を含む、請求項１から８のいずれかに記載のフォトカソード。
10. 前記電子出口層は少なくともセシウムを含む、請求項９に記載のフォトカソード。
11. 前記電子出口層は少なくともルビジウムを含む、請求項９に記載のフォトカソード。
12. 前記カソードは少なくともアルカリ金属を含む、請求項１から７のいずれかに記載のフォトカソード。
13. 前記カソードは少なくともセシウムを含む、請求項１２に記載のフォトカソード。
14. 前記入口面および前記出口面は前記カソード層の同じ側に設けられている、請求項１から１３のいずれかに記載のフォトカソード。
15. 前記カソード層の前記入口面および前記出口面が設けられている側とは反対側に取り付けられた不透明キャリア層をさらに備える、請求項１４に記載のフォトカソード。
16. 前記入口面と前記出口面とは前記カソード層の互いに反対となる側に設けられている、請求項１から１３のいずれかに記載のフォトカソード。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載のフォトカソードを少なくとも有する真空管。
18. 前記真空管はイメージ増倍管として構成されている、請求項１７に記載の真空管。
19. 前記真空管は光電子増倍管として構成されている、請求項１８に記載の真空管。

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