JP3598184B2 - 透過型２次電子面及び電子管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射電子を２次電子増倍する透過型２次電子面及びそれに用いる電子管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子管に用いられる電子増倍手段として、ダイヤモンドを用いたものが注目されている。ダイヤモンドが注目されるのは、ダイヤモンドが負の電子親和力を有して、その２次電子生成効率を高めているためである。ダイヤモンドを用いた電子増倍手段の一例として、反射型２次電子面がシィン・ソリッド・フィルムズ（Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ）２５３（１９９４）１５１に報告されている。すなわち、Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔｉ又はＡｌＮ等の基板上に、その最表面を水素終端して形成された多結晶ダイヤモンド薄膜が形成され、その２次電子放出効率を向上させている。また、反射型２次電子面に１次電子が入射することにより、反射型２次電子面の最表面の水素終端が脱離し、その２次電子放出効率が低下する。このため、反射型２次電子面を１×１０^−６Ｔｏｒｒ程度の水素雰囲気中で比較的安定に動作させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べた反射型２次電子面では、１次電子が入射する面と２次電子が放出される面が同じである。このため、１次電子が２次元状に分布して２次電子面に入射したとき、２次電子面から２次電子が同様に２次元状に分布して放出されても、その２次元分布の情報を保ったまま信号として取り出すことは、電子源と２次電子面と陽極との幾何学的配置から本質的に不可能である。したがって、このような反射型２次電子面の場合は位置検出をすることができない。
【０００４】
そこで、本発明は、高い２次電子生成効率を備えると共に位置検出もできる透過型２次電子面及び電子管を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の透過型２次電子面は上記目的を達成するためになされたもので、ダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなる薄膜と、薄膜の剛性を補うためにこの薄膜に取り付けられる補強手段とを有している。２次電子放出効率の高いダイヤモンドを薄膜にすることによって、２次電子増倍により生成される電子はその薄膜を効率よく透過できるようになる。
【０００６】
また、かかる薄膜は大量生産及び生産コストの面から、多結晶又はポーラス状の各々独立した粒子の集合体からなるのが望ましい。
【０００７】
また、補強手段が薄膜の周縁部に取り付けられた補強枠である場合、薄膜の剛性を十分に補う。
【０００８】
本発明の電子管では、電子が放出される陰極と、陰極に対して正の電圧が保持された陽極と、陰極と陽極との間に配置され、陰極から放出される電子を２次電子増倍するための透過型２次電子面と、陰極、陽極及び透過型２次電子面を収容するための気密容器とが備えられており、透過型２次電子面はダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなる薄膜と、薄膜の剛性を補うためにこの薄膜に取り付けられる補強手段とを有していることを特徴としている。この構成では、陰極からの放出された２次元電子を透過型２次電子面によって効率よく２次電子増倍して、陽極に入射させることができる。
【０００９】
また、陰極が２次元の被検出光の入射位置に対応した２次元光電子を放出する光電子放出面からなり、陽極が、２次元光電子が入射する前記透過型２次電子面の位置に対応して放出される２次元の２次電子が入射することにより発光する蛍光膜を有していれば、被検出光が画像化されうる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。
【００１１】
図１には本発明が適用される電子管が示されており、２次元の微弱光を画像増強して検出できるようにした画像増強管１０である。内部が減圧された気密容器１２には、被検出光を内部に入射させるための入射窓１４と、増強された被検出光を外部に出射させるための検出窓１６とが対向配置して備えられている。入射窓１４の内面には光電子放出面からなる陰極１８が形成され、検出窓１６の内面には蛍光体（蛍光膜）２２を塗布したガラス面板２４で構成された陽極２０が設けられている。陽極２０の側面部にはステムピン２６ａ，２６ｂの一端が接続され、その他端は気密容器１２を貫通して外部に延びている。また、ステムピン２６ａ，２６ｂはハーメチックガラス２８によって気密容器１２に対して固定されているので、陽極２０が固定される。このステムピン２６ａ，２６ｂを介して、陰極１８に対して所定の正電圧が陽極２０に印加されるようになる。
【００１２】
陰極１８と陽極２０との間には透過型２次電子面３０が配置されている。本実施形態の透過型２次電子面３０には、図１及び図２に示されるように、負の電子親和力を有する円形状の多結晶のダイヤモンド薄膜３２が、大量生産及び生産コストの観点から備えられている。このとき、ダイヤモンド薄膜３２は２次電子の平均自由行程以下の膜厚を有しているのが望ましいのであるが、その平均自由行程はダイヤモンド薄膜３２の結晶性に強く依存する。
【００１３】
一方では、ダイヤモンド薄膜３２それ自体が機械的な強度を備えた膜厚を有していることも必要である。そして、その機械的強度はダイヤモンド薄膜３２の結晶性、ダイヤモンド薄膜３２に含まれる非ダイヤモンドの割合、ダイヤモンド薄膜３２の密度或いは電子放出面の面積に依存する。したがって、ダイヤモンド薄膜３２の膜厚は、ダイヤモンド薄膜３２を成膜する際の諸条件を勘案して得られた膜質によって決定すべきである。
【００１４】
さらに、本実施形態ではダイヤモンドが薄膜状のものであるため、その剛性が低く変形したり、破損しやすい。そこで、ダイヤモンド薄膜の周縁には、例えばモリブデン（Ｍｏ）からなる円環状の金属製の補強枠３４がその薄膜を挟持して取り付けられ、ダイヤモンド薄膜３２の低い剛性を補っている。
【００１５】
図示実施形態では、ステムピン３８ａ，３８ｂが、気密容器１２を貫通して延びた状態で、ハーメチックガラス２８によって気密容器に対して固定されている。また、このステムピン３８ａ，３８ｂにはその上端において、挟持部３６ａ，３６ｂが備えられ、補強枠３４の周縁部を挟持している。これにより、透過型２次電子面３０が陰極１８及び陽極２０の間に固定して配置される。また、このステムピン３８ａ，３８ｂを介して、好適には、透過型２次電子面には陰極に対して数１００Ｖ〜数１０００Ｖの正電圧が印加され、陽極に対しては数１００Ｖ〜数１０００Ｖの負電圧が印加されるようにしている。
【００１６】
透過型２次電子面３０を作製するためには、図示されないが、マイクロ波プラズマ化学気相堆積（以下「マイクロ波プラズマＣＶＤ」という。）法が用いられる。まず、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の堆積チャンバ内に市販のＳｉ基板を配置させる。このＳｉ基板を用いたのは品質が安定しているため、ダイヤモンド薄膜を作製する上で有利であるからである。つぎに、励起ガスとしての水素を堆積チャンバ内に導入するときにマイクロ波によってプラズマ状態にする。
【００１７】
この状態で、ダイヤモンド薄膜の原料であるメタン（ＣＨ_４）を堆積チャンバ内に導入させると、堆積チャンバ導入口付近で水素イオンによりＣＨ_４が解離する。ＣＨ_４が解離して得られたカーボンはダイヤモンド型の結晶構造を有しながらＳｉ基板上に堆積するので、このとき、例えば膜厚が約６μｍのダイヤモンド薄膜を成膜させる。
【００１８】
ここでは、基板をＳｉとしたため、大面積で均一なダイヤモンド薄膜が形成可能である。なお、ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）も合わせて導入して、ダイヤモンド薄膜をホウ素（Ｂ）をドープした導電型がｐ型のものにしてもよい。Ｂのドープは必ずしも必要不可欠なものではないが、実験結果によれば、Ｂのドープを行わないものに比較してＢのドーブを行ったものは、特に高い加速電圧で用いた場合により２次電子生成効率が高くなっている。それを成膜した後に、Ｓｉ基板はフッ酸＋硝酸（ＨＦ＋ＨＮＯ_３）混合溶液でエッチング除去され、ダイヤモンド薄膜が得られる。このダイヤモンド薄膜の周縁を接着剤（図示せず）を介してＭｏからなる補強枠に接着させるより、ダイヤモンド薄膜が機械的に挟持される。
【００１９】
図１の画像増強管１０に２次元の被検出光（ｈν）が入射窓１４に入射すると、１次電子たる光電子（ｅ⁻）が２次元の被検出光に対応した２次元光電子像となって陰極１８の下面から放出される。ステムピンによって透過型２次電子面３０に陰極１８に対して所定の電圧が印加されているので、２次元光電子像は加速して透過型２次電子面に入射する。
【００２０】
このように入射した２次元光電子像を構成する光電子は、図６に示されるように、膜厚が一様なダイヤモンド薄膜３２内でエネルギを失って電子−正孔対を作り、２次電子が増倍生成される。このとき、ダイヤモンド薄膜３２は負の電子親和力を有しているために、２次電子生成効率は高い。このような２次電子は、ダイヤモンド薄膜３２が多結晶からなるために主として結晶粒界を通って下面まで効率的に移動する。また、２次電子は光電子の入射位置に対応して、ダイヤモンド薄膜の下面から実用上問題とならない数μｍの広がりで、図６の矢印のように一様に放出される。したがって、この透過型２次電子面３２は位置検出が可能となり、２次元光電子像に対応して増倍生成された２次電子像が透過型２次電子面の下面から放出される。
【００２１】
陽極２０には透過型２次電子面３０に対して上に述べたような正の電圧が印加されているので、２次電子像は陽極２０へ入射する。入射により失われる運動エネルギでもって蛍光体２２が蛍光を発するので、２次電子像に対応した２次元画像が検出窓１６から観察可能となる。したがって、本実施形態の透過型２次電子面３０を用いることにより、２次元の微弱な被検出光に対応した２次元画像が効率よく増強された状態で得られるようになる。
【００２２】
なお、上記実施形態の透過型２次電子面３０を構成する多結晶のダイヤモンド薄膜３２はポーラス状に形成されて、２次電子をより効率よく放出させてもよい。このようなダイヤモンド薄膜３２を作製するためには、第１実施形態と同様に、Ｓｉ基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法が用いられる。この方法では、成膜条件によって、例えば成膜時の水素ガスの圧力により、ダイヤモンド薄膜の密度はある程度制御可能であり、その圧力を比較的高くすれば、比較的密度が低いいわゆるポーラス状の多結晶ダイヤモンド薄膜が得られる。
【００２３】
このとき得られたダイヤモンド薄膜３２は各々独立した粒子の集合体と実質的にみなすことができる。したがって、このダイヤモンド薄膜３２自体の機械的強度が弱くなるので、上記よりも厚い薄膜３２にして作製される必要がある。
【００２４】
なお、ポーラス状のダイヤモンド薄膜３２を作製する方法は上記に限定されず、例えば微粒子状の粒状の単結晶ダイヤモンドを焼結する方法によって、かかるダイヤモンド薄膜３２を作製してもよい。
【００２５】
また、補強枠３４はダイヤモンド薄膜の周縁部を挟持した第１実施形態に限定されない。すなわち、図３及び図４に透過型２次電子面の第２実施形態が示されるように、上記多結晶ダイヤモンド薄膜３２の上周縁部に、Ｓｉからなる環状の補強枠３４が取り付けられて、その剛性を補ってもよい。
【００２６】
この多結晶ダイヤモンド薄膜３２に補強枠３４取り付けた透過型２次電子面を作製するためには、Ｓｉ基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法により緻密な多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した後に、Ｓｉ基板の周縁部をフォトレジスト等でマスクする。つぎに、Ｓｉ基板をＨＦ＋ＨＮＯ_３混合溶液でＳｉ基板の中央部分をエッチング除去することにより、かかる透過型２次電子面が作製される。
【００２７】
なお、第２実施形態の透過型２次電子面３０の補強枠３４によって支持・補強されるダイヤモンド薄膜３２はポーラス状のものでもよいことはもちろんである。
【００２８】
また、上記実施形態ではダイヤモンド薄膜３２が円形状のものであり、補強枠３４が円環状であったが、本発明はこれに限られるものではなく、他の形状、例えば矩形状のものでもよい。また、透過型２次電子面３０の補強枠３４は、図５にその斜視図が示されるように、格子状のものでも構わない。このような形状のものは最近のリソグラフィー技術により任意の大きさ、形状のものが作製可能である。
【００２９】
さらに、上に述べた透過型２次電子面は多結晶ダイヤモンド薄膜又はポーラス状の多結晶ダイヤモンド薄膜であったが、その一部は単結晶、グラファイト又はダイヤモンドライクカーボンでもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の透過型２次電子面及び電子管によれば、２次電子生成効率の高いダイヤモンドを薄膜にして透過型２次電子面が形成されることにより、位置検出できる。このため、この透過型２次電子面を備えた電子管は微弱光の画像増強が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の透過型２次電子面及び電子管の第１実施形態を概略的に示した側断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａについての端面図である。
【図３】本発明の透過型２次電子面及び電子管の第２実施形態を概略的に示した側断面図である。
【図４】図３の線Ｂ−Ｂについての端面図である。
【図５】本発明の透過型２次電子面の第３実施形態を概略的に示した斜視図である。
【図６】本発明の透過型２次電子面における２次電子放出過程を拡大模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１０…画像増強管、１２…気密容器、１８…陰極、２０…陽極、２２…蛍光体、２６ａ，２６ｂ…ステムピン、３０…透過型２次電子面、３２…ダイヤモンド薄膜、３４…補強枠、３８ａ，３８ｂ…ステムピン。

Claims (6)

1. ダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなる薄膜と、
   前記薄膜の剛性を補うためにこの薄膜に取り付けられる補強手段と
   を有する透過型２次電子面。
2. 前記薄膜は多結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の透過型２次電子面。
3. 前記薄膜がポーラス状の各々独立した粒子の集合体からなることを特徴とする請求項１に記載の透過型２次電子面。
4. 前記補強手段は、前記薄膜の周縁部に取り付けられた補強枠であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の透過型２次電子面。
5. 電子が放出される陰極と、
   前記陰極に対して正の電圧が保持された陽極と、
   前記陰極と前記陽極との間に配置され、前記陰極から放出される電子を２次電子増倍するための透過型２次電子面と、
   前記陰極、前記陽極及び前記透過型２次電子面を収容するための気密容器と、とを備え、
   前記透過型２次電子面はダイヤモンド又はダイヤモンドを主成分としたものからなる薄膜と、
   前記薄膜の剛性を補うためにこの薄膜に取り付けられる補強手段と
   を有していることを特徴とする電子管。
6. 前記陰極は、２次元の被検出光の入射位置に対応した２次元光電子を放出する光電子放出面からなり、
   前記陽極は、２次元光電子が入射する前記透過型２次電子面の位置に対応して放出される２次元の２次電子が入射することにより発光する蛍光膜を有していることを特徴とする請求項５に記載の電子管。

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