JP2019526159A

JP2019526159A - 半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ

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Inventors: イオシフ・イサーコヴィチ・ゴルドバーグ; アレクサンドル・ウラジーミロヴィチ・ドルギフ; ウラディミール・イリッチ・ロクチオノフ
Original assignee: アクツィオネルノエ・オプシチェストボ・カトッド
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Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2019-09-12
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Abstract

本発明は、紫外線スペクトルで動作し、窒化ガリウム化合物をベースとする光電陰極を含む真空光電装置用の光電陰極アセンブリであって、光電陰極とハウジング部品の別々の処理によって製造される、近接集束直視型光電変換器、光電子増倍管およびマイクロチャンネル増感光位置検出器に使用することができる光電陰極アセンブリに関する。半透明光電陰極を有する真空光電素子用の光電陰極アセンブリにおいて、ヘテロエピタキシャル窒化ガリウム化合物構造の層は、サファイアディスクに設けられた入口ポートの内面上に半透明光電陰極として成長する。入口ポートの外面には、入口ポートを真空光電素子のハウジングに接合するためのバイメタル製の要素が、入口ポートの周囲に真空気密に固定されている。入口ポートの外側表面と接触していないバイメタルの層は、２０℃から２００℃の温度範囲内でサファイアの線熱膨張係数と１０％以下だけ異なる線熱膨張係数を有する材料からなる。本発明は、半透明光電陰極を有する真空光電素子用の光電陰極アセンブリの使用範囲を広げ、真空光電素子用の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極の量子効率を高め、光電陰極アセンブリが近接集束直視型光電変換器に使用される場合には、真空光電素子のスクリーンの動作領域にわたる均一な解像力の要件を満たす。

Description

本発明は、紫外スペクトル領域で動作し、窒化ガリウム化合物に基づく光電陰極を備える真空光電素子（以下、ＰＥＤ）の分野に関し、より具体的には、そのような真空光電素子の光電陰極アセンブリに関し、光電陰極部とハウジング部を別々に処理することによって製造される、近接集束直視型光電変換器（以下、ＥＯＣ）、光電子増倍管およびマイクロチャネル増感型光位置検出器の設計に使用することができる。

紫外線スペクトル領域に反応する半透明光電陰極として、窒化ガリウム化合物、特にＧａＮ、ＡｌＧａＮ化合物に基づくヘテロエピタキシャル構造の使用が知られている。このような目的のために窒化ガリウム化合物に基づくヘテロエピタキシャル構造の層を製造するための既知の技術は、０．４から０．７ミリメートルの厚さを有する薄いサファイア基板上にそれらを成長させることを提案している。既知のように、光電陰極の最も重要な特性は、入射光子当たりの放出光電子の数によって決定されるその量子収率（量子効率）である。光電陰極材料の量子収率は、その特性、その表面の状態、および光電陰極材料の仕事関数を超えなければならない光子エネルギーによって決定される。サファイア基板上に成長したヘテロエピタキシャル構造の仕事関数を減少させるためには、その表面を原子的に清浄化するような方法で表面汚染を除去することが必要である。ＩＩＩ‐Ｖ族化合物の表面は、それらを真空下で分解点に近い温度まで加熱することによって十分に清浄化される。この化合物群に属する窒化ガリウム化合物の場合、加熱温度は６００から６２０℃である。このような温度では、サファイア基板上に成長させた窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造には、ＰＥＤ真空ユニット内に配置する前に、超高真空下でサーマルクリーニングが施され、かつ吸着された電気的に陽性の原子、例えばセシウムの層を適用することによって、さらに電気陰性原子、例えば酸素の添加によって活性化される。光電陰極のヘテロエピタキシャル構造を活性化することは、光電子閾値（電子仕事関数）を著しく低下させ、従って、ヘテロエピタキシャル構造表面上に負の電子親和性の状態を与え、それによって光電陰極の高レベルの量子収率（光電子放出）を保証する。

サファイア基板上に成長させた窒化ガリウム化合物をベースとするヘテロエピタキシャル構造を含む真空光電素子の光電陰極アセンブリの解決法は公知であり、非特許文献１および特許文献１（公開１０．０８．２０１４、ＩＰＣＨ０１Ｊ３１／５０、Ｈ０１Ｊ９／２４）の発明の説明に記載されている。

Ｉ．Ｍｉｚｕｎｏらによる文献によれば、ＥＯＣに使用するためにマグネシウムをドープした窒化ガリウム化合物ｐ‐ＧａＮのヘテロエピタキシャル構造が、直径１インチ、厚さ０．７ｍｍの薄いサファイア基板上に成長され、次いで、直径２０ｍｍのディスクがそこから切断され、必要な輪郭に作られた厚さ５ｍｍのサファイア入力窓と結合された。光電素子の真空ユニットのハウジング内に光電陰極を設置する前に、セシウムおよび酸素蒸気中で加熱および活性化された。Ｉ．Ｍｉｚｕｎｏらによる文献に記載されている既知の真空光電素子の光電陰極アセンブリを図１に示す。既知の真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、ヘテロエピタキシャル構造層２がその上に成長された薄いサファイア基板１（図１）は、厚い輪郭のサファイアディスクの形態で作られた入力窓３に接合される。接着剤コーティング５が、入力窓３のサファイアディスクの周囲に位置する端面４上に塗布されて、光電陰極アセンブリの端面４での光電素子のハウジング部（図示せず）との真空気密結合を確実にする。これは、例えばインジウムのような延性金属のガスケット（図には示されていない）を介して冷間結合する既知の方法によって作られる。Ｉ．Ｍｉｚｕｎｏらによる文献から知られている光電陰極アセンブリの解決策の欠点は、サファイア入力窓が複雑な形状をしており、したがってサファイアのかなりの硬度に起因して、窓の製造が技術的に困難であり時間がかかるという事実に起因する。同時に、入力窓のサファイアディスクを薄いサファイア基板上の窒化ガリウム化合物ＧａＮのヘテロエピタキシャル構造と結合させる技術もまた技術的な問題を提示する。光電陰極アセンブリの既知の解決法の別の欠点は、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造、この場合にはＧａＮ化合物の構造を真空下で、活性化の後続プロセスのために好ましい状態を形成するために必要な６００から６２０℃の温度まで加熱することが困難な点にある。ヘテロエピタキシャル構造を加熱することの困難さは、真空下での加熱が大部分がサファイアを通過する熱放射によってのみ行われるため、サファイア入力窓は十分に加熱されず、熱をヘテロエピタキシャル構造の層まで伝達しないことに起因する。活性化前のヘテロエピタキシャル構造の加熱が不十分であると、光電陰極の高レベルの量子収率が得られない。また、光電陰極アセンブリの既知の解決法の欠点は、真空ユニットの冷インジウムシーリングの間の機械的強度の要件、入力窓の端面およびサファイア基板の隣接する表面ならびに入力窓のサファイアディスクの存在によって生じる入力窓の大きな厚さにある。既知の光電陰極アセンブリのこのような解決策は、端面および隣接面からの光の多重反射による像コントラストの低下を招く。さらに、入力窓の厚さが厚いために、かなり高価なサファイア材料を大量に使用する必要がある。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの解決策は、特許文献１の発明の説明から既知であり、そこでは窒化ガリウム化合物ＧａＮ、ＡｌＧａＮのヘテロエピタキシャル構造の層が、厚さが０．５ｍｍから０．７ｍｍの薄いサファイアディスク上に成長される。薄いサファイアディスクは同時に、成長した窒化ガリウム化合物ＧａＮ、ＡｌＧａＮのヘテロエピタキシャル構造の層、および入力窓のための基板でもある。入力窓のサファイアディスクの周囲には、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素がアルミニウムガスケットを介して真空気密に熱圧着されており、該要素はフランジの形態でできている。特許文献１の開示内容は、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素がチタン製であることを教示している。入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素は、延性金属、例えばインジウムの層を介して常温接合によって接合される。半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリのための特許文献１から知られている技術的解決法は、特許請求の範囲に記載の発明に最も近い先行技術として採用される。最も近い先行技術の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの解決策は、Ｉ．Ｍｉｚｕｎｏらによる文献に記載されている真空ＰＥＤの光電陰極アセンブリの欠点を排除する。すなわち、最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの解決策は、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するためのチタンフランジの形態で作られた要素の存在により、入力窓のサファイアディスクの厚さを低減することができ、それによって光電陰極アセンブリの設計が簡単になる。サファイアディスクの厚さが薄いこと、および光を反射する端面および隣接面が存在しないことに起因して、最も近い先行技術の設計は、完成した真空光電素子における画像コントラストの劣化の原因を排除する（ＥＯＣにおける使用の場合）。また、最も近い先行技術の設計におけるチタンフランジの形態の、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素の存在に起因して、この要素は熱を良好に吸収し、ヘテロエピタキシャル構造の層に伝達し、活性化の前に構造を必要な温度まで加熱するために熱を入力することがより容易である。しかしながら、最も近い先行技術の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリは欠点を有する。したがって、最も近い先行技術の設計では、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素の機能を有するチタンフランジは、サファイアディスクの表面に真空気密に取り付けられる。真空気密接合は、アルミニウムガスケットを介して熱圧着法により、アルミニウムの融点に近い６４０℃の温度で行われる。この温度では、サファイアとチタンの線熱膨張係数（以下、ＣＬＴＥ）は互いに近く（サファイアのＣＬＴＥは９７．７×１０^-７Ｋ^-１であり、チタンのＣＬＴＥは９２．７×１０^-７Ｋ^-１）、したがって、熱圧着の過程で、結合される要素（入力窓をＰＥＤハウジングと結合するためのチタン要素および入力窓のサファイアディスク）の高い加熱温度では、それらの長さ寸法は、ほぼ等しい比例範囲で変化する。しかしながら、より低い温度では、チタンおよびサファイアの線熱膨張係数は大きな範囲で一致しない。例えば、２０から２００℃の温度範囲では、チタンの線熱膨張係数の平均値は８１×１０^-７Ｋ^-１であり、サファイアの線熱膨張係数の平均値は５０×１０^-７Ｋ^-１である。すなわち、この温度範囲で光電陰極アセンブリ要素間に結合されたシール（結合）を形成する過程において、入力窓をＰＥＤハウジングに結合するためのチタン要素の長さ寸法の変化は、入力窓のサファイアディスクの長さ寸法の変化よりも大きく生じる。これにより、接合部に大きな応力が発生し、その影響を受けてサファイアディスクの弾性変形が生じ、その結果、サファイアディスクの平面の凸状湾曲が現れる。光電陰極を形成するヘテロエピタキシャル構造の層がサファイアディスクの表面上に成長するため、入力窓のサファイアディスク表面の凸状湾曲は、光電陰極表面の対応する凸状湾曲をもたらす。実際の試験の結果が示すように、最も近い先行技術の技術的解決策に従って作られた光電陰極アセンブリにおいて、その凸面および対応する光電陰極の凸曲面の形態の入力窓のサファイアディスクの平坦度からの偏差は、５０μｍであり得る。近接集束直視型光電変換器において光電陰極アセンブリを使用する場合、光電陰極のこのような程度の凸面度は、ＥＯＣスクリーン上の画質に以下のような悪影響を及ぼし、その影響はＥＯＣの解像力によって決定される。知られているように、ＥＯＣスクリーン上の高い解像力はスクリーンの中央とその周辺部の両方で達成されるべきである（ＥＯＣスクリーンの動作領域にわたる解像力の均一性の要件）。近接集束直視型光電変換器の解像力は、入力電極間ギャップのサイズ、すなわち光電陰極の表面とそれに続くマイクロチャネルプレートとの間の距離によって大部分が決定される。近接集束直視型ＥＯＣでは、スクリーン上の最高の解像力度は、その値が１００μｍであり得る最小の可能な入力電極間距離によって達成される。近接集束直視ＥＯＣにおいて入力電極間距離の値が１００μｍであると同時に光電陰極の５０μｍの凸部がある場合、その周辺部における入力電極間距離の値は、中心における入力電極間距離の値とは５０％上方向に異なる。このように入力電極間距離が中心から周辺に向かって大きく増加すると、スクリーンの中心から周辺に向かう方向においてＥＯＣスクリーン上の画像解像力が著しく低下する。したがって、最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの技術的解決策は、近接集束直視型ＥＯＣに課される主な要件の１つを満たすことができず、そのスクリーン上の画質、すなわちＥＯＣスクリーンの動作領域全体にわたる解像度の均一性を決定することができない。この状況は、近接集束直視型光電変換器における最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの解決策の使用を制限する、すなわちその適用範囲を狭める。同時に、比較的低い温度でのサファイアとチタンの線熱膨張係数の不一致のために結合に生じる応力が光電陰極アセンブリの完全な冷却の後に残ることは明らかである。光電陰極アセンブリの接合部に著しい残留応力が存在すると、それによって接合が形成されるアルミニウムガスケット層に微小亀裂が形成される。これは、半透明光電陰極として入力窓上に成長したヘテロエピタキシャル構造を加熱するためのその後の光電陰極アセンブリの高温再加熱が、アルミニウムガスケット層における微小亀裂の数およびサイズの増加および結合の真空気密の完全な損失までこの層の破壊をもたらし得、その結果、真空光電素子の一部としてさらに使用するための光電陰極アセンブリの不適切性をもたらし得るため、光電陰極アセンブリの全体的な信頼性の欠如をもたらし、また、活性化の後のヘテロエピタキシャル構造の６００から６２０℃の必要な加熱温度の達成を妨げる。最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの真空気密が損なわれる可能性が高いので、半透明光電陰極のヘテロエピタキシャル構造の同時加熱を提供するその加熱は、より低い温度で行われるべきであり、結果として達成されるべき半透明光電陰極の量子収率の高い値を可能にしない。光電陰極の標準直径が大きくなり、それに対応して光電陰極アセンブリの入力窓のサファイアディスクの直径が大きくなると、接合部の真空気密性が損なわれる可能性が高くなる。明らかに、これは、公知の温度応力に対する耐性が接合部の特徴的な寸法に依存していることに起因するものである。例えば、接合部の特性的寸法がサファイアディスクの直径である場合、接合部の温度応力に対する耐性は、直径が大きくなるにつれて減少する。したがって、サファイアとチタンの線熱膨張係数の不一致の結果として光電陰極アセンブリの接合部に存在する温度応力の影響下で、接合部は、入力窓のサファイアディスクの比較的小さな直径よりも比較的大きな直径で大きく弱化される。したがって、サファイアディスクの直径のある特定の値では、接合部の温度応力の大きさが接合部のアルミニウム層の最大強度よりも大きく、そのためその中に微小亀裂が形成され、続いて異なる温度曝露および機械的衝撃で真空気密が損なわれる。最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの接合部に発生する残留応力の大きさは、比較的大きな標準直径、すなわち１８ｍｍまたはそれより大きい光電陰極への使用を可能にしない程度の設計不確実性をもたらすことが明らかである。また、最も近い先行技術の全体として、接着シール、ひいては光電陰極アセンブリの真空気密性が損なわれる可能性もまた、加熱温度が上昇するにつれて増大することが明らかである。実際、最も近い先行技術の技術的解決法に従って作製され、１８および２５ｍｍの標準直径を有する光電陰極を有する光電陰極アセンブリに対して行われた試験の結果は、４５０から５００℃の温度に加熱された場合、真空気密性が維持されることを示す。しかしながら、６００から６２０℃の温度に加熱された場合、１８ｍｍの標準光電陰極直径を有する光電陰極アセンブリにおける真空気密の破壊が試験の３％において観察され、２５ｍｍの標準光電陰極直径を有する光電陰極アセンブリでは、試験の１００％で真空気密の破壊が見られた。この状況は、比較的大きな標準直径、すなわち１８ｍｍ以上の光電陰極において最も近い先行技術の既知の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ設計の使用を制限し、したがってその応用分野を制限する。同時に、最も近い先行技術の技術的解決策に従って作製された光電陰極アセンブリに対して行われた試験の結果は、そこに含まれる半透明光電陰極の４５０から５００℃の温度に制限される不十分な加熱のために、その後の活性化の結果として得られる半透明光電陰極の量子収率が、半透明光電陰極を６００から６２０℃の温度に加熱することによって得られる量子収率よりも４０から５０％低いことを示している。しかしながら、その結合部に残留応力が存在することによって引き起こされる最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの全体的な信頼性の欠如は、振動、機械的衝撃、非常に高いおよび低い周囲温度、温度および湿度の周期的な変化などの機械的および気候的要因に対する光電陰極アセンブリの耐性を低減する。最も近い先行技術の光電陰極アセンブリの機械的および気候的要因に対する不十分な耐性は、最も近い先行技術の光電陰極アセンブリが使用される真空光電素子の動作性の損失をもたらし得る。最も近い先行技術の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの既知の解決法の列挙された欠点は、その技術的および動作性能を損なう。

ロシア特許第２５２４７５３号公報

Ｉ．Ｍｉｚｕｎｏ，Ｔ．Ｎｉｈａｓｈｉ，Ｔ．Ｎａｇａｉ，Ｍ．Ｎｉｉｇａｋｉ，Ｙ．Ｓｈｉｍｉｚｕ，Ｋ．Ｓｉｍａｎｏ，Ｋ．Ｋａｔｏｈ，Ｔ．Ｉｈａｒａ，Ｋ．Ｏｋａｎｏ，Ｍ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｍ．Ｔａｃｈｉｎｏ、「ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＵＶｉｍａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒｔｕｂｅｗｉｔｈＧａＮｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ」、Ｐｒｏｃ．ＯｆＳＰＩＥＶｏｌ．６９４５，２００８、

特許請求の範囲に記載された発明において解決されるべき技術的課題は、半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの技術的性能および動作性能を改善することである。

前記技術的課題は、特許請求の範囲に記載された発明に従って、サファイアディスクの形態で作られた入力窓と、半透明光電陰極としての窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層であって、前記入力窓の内面上に成長された層と、前記入力窓を前記真空光電素子のハウジングと結合するための要素であって、その周囲で前記入力窓の外面に真空気密に取り付けられた要素と、を備える半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、前記入力窓を前記真空光電素子の前記ハウジングと結合するための前記要素を、前記入力窓の外面と接触していない層が２０℃から２００℃の温度範囲でのサファイアの線形熱膨張係数との差異が１０％以下である線形熱膨張係数を有する材料からなるバイメタルで作製することによって解決される。

特許請求の範囲に記載の半透明光電陰極を有する真空光電装置の光電陰極アセンブリにおいて、入力窓を真空光電装置のハウジングと結合するための要素は、入力窓の外面と接触しない層が２０℃から２００℃の温度範囲でのサファイアの線熱膨張係数との差異が１０％以下である線熱膨張係数を有する材料からなるバイメタルで作製される。このような構成によって、入力窓ディスクを構成するサファイアの線熱膨張係数値と、サファイアディスクに接合されるバイメタル層および入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素を構成する材料の線熱膨張係数値との差に起因して光電陰極アセンブリの接合部に真空気密熱圧着の間に発生する内部応力は、入力窓のサファイアディスクに接合された層の材料および入力窓のサファイアディスクの外面と接触しない層の材料の線熱膨張係数値の差異に起因して発生するほぼ同等（釣り合って）かつ逆方向の応力によって大部分が補償される。発生した応力のこの補償の結果として、入力窓のサファイアディスクの平面の凸状曲率および対応する半透明光電陰極の凸状の程度は、１８ｍｍ以上の比較的大きい直径のものを含めて最小である。これにより、近接集束直視型光電変換器に課されるスクリーンの全動作領域にわたる解像力の均一性の要件を満たすことが可能となり、従って、特許請求の範囲に記載された変換器内の光電陰極アセンブリ、特に１８ｍｍ以上の比較的大きな標準直径の光電陰極を有するものを制限なく使用することが可能となる。同時に、接合の間に発生する応力の補償の結果として、このような加熱が繰り返される場合を含めて、アルミニウム（真空気密熱圧着用ガスケットの材料）の融点に近い温度まで高温加熱される場合の光電陰極アセンブリの残留応力もまた、光電陰極アセンブリの要素の接合の真空気密の損失の原因となるほど重大ではない。したがって、入力窓のサファイアディスクと、入力窓を真空光電素子のハウジングと結合するための要素との強い真空気密接合が保証される。高温で真空気密接合の完全性を維持することで明らかとなった特許請求の範囲に記載の光電陰極アセンブリの信頼性は、光電陰極アセンブリを真空下で６００から６２０℃の温度に加熱することを可能にし、その効果的な活性化に必要な窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の表面清浄化を確保し、従って、真空光電素子の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極の高レベルの量子収率を確保することを可能にする。同時に、６００から６２０℃の温度までの高温加熱で得られる特許請求の範囲に記載の光電陰極アセンブリの真空気密接合の信頼度もまた、その真空気密性、および１８ｍｍ以上の比較的大きな標準直径の光電陰極を有する真空光電素子への適用性を確実にし、すなわち真空光電素子の光電陰極アセンブリの適用範囲を拡大する。

従って、真空光電素子の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極の量子収率を高めること、半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの適用範囲を拡大すること、および特許請求の範囲に記載の光電陰極アセンブリを近接集束直視型光電変換器に使用する場合の真空光電素子のスクリーンの動作領域にわたる均一な解像力の要件をみたすことからなる技術的結果が特許請求の範囲の本質的な特徴の組み合わせによって得られる。半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの技術的および動作性能を改善するという技術的課題は、達成される技術的結果によって解決される。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、２０℃から２００℃の温度範囲でのサファイアの線熱膨張係数との差異が１０％以下である線熱膨張係数を有する材料として、例えばコバールが使用され得る。コバールは、２９％の量のニッケル（Ｎｉ）、１７％の量のコバルト（Ｃｏ）、および残りの量の鉄（Ｆｅ）に基づく合金であり、この合金は、２０℃から２００℃の温度範囲で（４６−５２）×１０^-７Ｋ^-１（または４９×１０^-７Ｋ^-１の平均値）の線熱膨張係数値を有する。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層は、ＧａＮ化合物を含み得る。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層は、ＡｌＧａＮ化合物を含み得る。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、前記入力窓を前記真空光電素子の前記ハウジングと結合するための前記要素は、所定の形状の輪郭を有する回転図形の形態で作製される。

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリにおいて、前記サファイアディスクの厚さは、０．４ｍｍから０．７ｍｍとすることができる。

非特許文献１から知られている真空光電素子の光電陰極アセンブリを示す。特許請求の範囲に記載された窒化ガリウム化合物に基づく半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリを示す。

特許請求の範囲に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリは、入力窓６と、半透明光電陰極としての窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７と、入力窓６を真空光電素子のハウジング（図示せず）に結合するための要素８とを備える（図２）。入力窓６はサファイア製のディスク（これは図には示されていない）の形状をしており、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７は入力窓６の内面上に成長し、入力窓６を真空光電素子のハウジングに結合するための要素８は、その周囲で入力窓６の外面に真空気密に取り付けられている。入力窓６を真空光電素子のハウジングに結合するための要素８は、入力窓６の外面と接触していない層（図示せず）が２０℃から２００℃の温度範囲で、サファイアの線熱膨張係数との差異が１０％以下である線熱膨張係数を有する材料からなるバイメタルで作製されている。

特許請求の範囲に記載された半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの技術的解決策は、以下の通りである。真空光電素子の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極を製造するために、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７がサファイアディスク上に成長される。ここで、サファイアディスクの直径は、特に１８ｍｍまたはそれ以上であり得る標準的な光電陰極の直径の１つに対応するように選択される。サファイアディスクの厚さは、０．４ｍｍから０．７ｍｍであり得る。窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７は、特にヘテロエピタキシャル構造の活性層として、ＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ化合物を含むことができる。窒化ガリウム化合物のヘテロ構造は、既知の方法の１つによってエピタキシャル成長される。例えば、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）法または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法が、ＧａＮおよびＡｌＧａＮ化合物のエピタキシャル成長に使用される。このようにして成長され、半透明光電陰極を形成する窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７のための基板として使用されるサファイアディスクは、真空光電素子の光電陰極アセンブリの入力窓６として同時に使用される。ここで、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７がその上に成長する入力窓６の表面は、真空光電素子の製造の間に、真空ＰＥＤハウジングの内部空間内に配置されるように構成された内面として画定される。入力窓６の他の自由表面は、真空光電素子の光電陰極アセンブリの製造の間に入力窓６を真空光電素子のハウジングと結合するための要素８の、真空気密取り付け用に構成された外面として画定される。入力窓６を真空光電素子のハウジングと結合するための要素８は、バイメタル部品を製造するための既知の方法の１つによって所定の形状の輪郭を有する回転図形として形成されるバイメタルの層によって製造される。ここで、完成した光電陰極アセンブリにおける入力窓６の外面と接していないバイメタル層には、２０℃から２００℃の温度範囲で、サファイアの線熱膨張係数との差異が１０％以下である線熱膨張係数を有する材料が使用される。例えば、２９％の量のニッケル（Ｎｉ）、１７％の量のコバルト（Ｃｏ）、および残部の量の鉄（Ｆｅ）をベースとする合金であり、２０℃から２００℃の温度範囲で（４６−５２）×１０^-７Ｋ^-１（または４９×１０^-７Ｋ^-１の平均値）である線形熱膨張係数値を有するコバールが前記材料として使用される。入力窓６を真空光電素子のハウジングと結合するための要素８がバイメタル層によって完成した光電陰極アセンブリにおける入力窓６の外面に取り付けられ、バイメタル層のために、入力窓６のディスクを構成するサファイアに結合する真空気密性を確実にする材料が選択される。この材料としては、例えばチタンが用いられる。入力窓６を真空光電素子のハウジングと結合するための要素８は、例えば、ブランクがバイメタル層を形成し、そのうちの１つが完成した光電陰極アセンブリの入力窓６の外面と接触しないように、所定の形状の輪郭を有する回転図形の形態に作られた２つのブランクの部品を互いに熱圧着することによって製造することができる。入力窓６を真空光電素子のハウジングと結合するために製造された要素８は、例えばアルミニウムの中間層を使用した熱圧着によって、入力窓６の外面にその周囲で真空気密に取り付けられる。こうして形成された半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリは、６００から６２０℃の温度まで真空加熱され、したがって、窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層７の表面は清浄化される。窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の清浄化された表面は、既知の方法によってセシウムおよび酸素で活性化され、それによって真空光電素子の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極の高レベルの量子収率が保証される。

こうして製造された真空光電素子の光電陰極アセンブリは、最も近い先行技術の技術的解決策とは対照的に、より広い応用範囲、より高レベルの半透明光電陰極の量子収率、および特許請求の範囲に記載の光電陰極アセンブリを近接集束直視型光電変換器内で使用する場合に真空光電素子のスクリーンの動作領域にわたって一様な解像力の要件を満たす能力によって特徴付けられ、これは光電陰極アセンブリのサンプルの試験結果によって証明される。従って、実施された試験の結果は、最も近い先行技術の技術的解決策を具体化し、かつ１８ｍｍの標準直径を有する半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリサンプルは試験の３％で、２５ｍｍの標準直径を有するものでは試験の１００パーセントで真空気密性を失い、さらに、これは６００から６２０℃の温度で１回加熱した後に発生する。この場合、最も近い先行技術の光電陰極アセンブリサンプルにおける入力窓のサファイアディスクの平坦度のずれは５０μｍである。これとは対照的に、特許請求の範囲の技術的解決策に従って製造され、２５ｍｍの標準直径を有する半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリサンプルは、６００から６２０℃の温度で最大１０回加熱した場合にも試験の１００％で真空気密を保持する。これらの試験結果は、最も近い先行技術の技術的解決策とは対照的に、特許請求の範囲に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの技術的解決策のより広い適用範囲を確認する。同時に、これらの試験結果は、これらの温度条件で真空気密を維持しながら、半透明光電陰極の高レベルの量子収率をもたらすために必要である、活性化前のヘテロエピタキシャル構造の加熱の温度条件の実現可能性、ひいては真空光電素子内で使用するための光電陰極アセンブリの適合性を確認する。さらに、６００から６２０℃の温度に加熱することによって特許請求の範囲に記載された光電陰極アセンブリサンプルを試験するすべての場合において、その入力窓のサファイアディスクの平面度外れは１０μｍを超えない。入力窓のサファイアディスクの、従って特許請求の範囲に記載された真空光電素子の光電陰極アセンブリの半透明光電陰極の表面のこのようなわずかな平面度外れは、特許請求の範囲の技術的解決策による光電陰極アセンブリが使用される場合には、近接集束直視型光電変換器のスクリーンの動作領域にわたる解像力分布の十分な均一性を保証する。従って、試験結果は、最も近い先行技術の技術的解決策と比較して、半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリの特許請求の範囲の技術的解決策のより優れた技術的性能および動作性能を示す。

１サファイア基板
２ヘテロエピタキシャル構造の層
３入力窓
４端面
５接着剤コーティング
６入力窓
７ヘテロエピタキシャル構造の層
８結合要素

Claims

半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリであって、サファイアディスクの形態で作られた入力窓と、半透明光電陰極としての窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層であって、前記入力窓の内面上に成長された層と、前記入力窓を前記真空光電素子のハウジングと結合するための要素であって、その周囲で前記入力窓の外面に真空気密に取り付けられた要素と、を備え、前記入力窓を前記真空光電素子の前記ハウジングと結合するための前記要素が、前記入力窓の外面と接触していない層が２０℃から２００℃の温度範囲でのサファイアの線形熱膨張係数との差異が１０％以下である線形熱膨張係数を有する材料からなるバイメタルで作られている、半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。
２０℃から２００℃の温度範囲でのサファイアの線熱膨張係数との差異が１０％以下である線熱膨張係数を有する材料としてコバールが使用されている、請求項１に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。
窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層がＧａＮ化合物を含む、請求項１に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。
窒化ガリウム化合物のヘテロエピタキシャル構造の層がＡｌＧａＮ化合物を含む、請求項１に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。
前記入力窓を前記真空光電素子の前記ハウジングと結合するための前記要素が、所定の形状の輪郭を有する回転図形の形態で作製されている、請求項１に記載の真空半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。
前記サファイアディスクの厚さが０．４ｍｍから０．７ｍｍである、請求項１に記載の半透明光電陰極を有する真空光電素子の光電陰極アセンブリ。