JP3650654B2

JP3650654B2 - 電子管

Info

Publication number: JP3650654B2
Application number: JP22361295A
Authority: JP
Inventors: 本比呂須山; 公嗣中村; 益保伊藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: DE69604635T2; EP0760525A1; US5780967A; DE69604635D1; EP0760525B1; JPH0969348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光を入射し増強して検出する電子管に関し、より詳細には、入射した光の入力像に対し歪みのない出力像を出力できる電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子管は、微弱な二次元的な入射光を増幅して電気信号として検出する機器であって、天体観察や夜間の動物の生態観察などで用いられるイメージインテンシファイヤの構成部品などとして用いられている。
【０００３】
この電子管は、受光面板とステムが所定距離隔てて対向して配設され、その受光面板のステム対向面には光の入射により光電子を放出する光電面が設けられ、ステムの受光面板と対向する面には光電子を受けて電気信号を出力する半導体素子が設けられると共に、受光面板とステムとの間を真空状態としその真空空間に放出された光電子の軌道を制御する電子レンズが設けられた構造となっている。
【０００４】
この電子管によれば、受光面板の表面に入力像である光が入射されると、光電面により光電子に変換されて半導体素子へ向けて放出され、電子レンズにより半導体素子上に結像され、この半導体素子により電気信号として出力像を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その電子管にあっては、光による入力像に対し、半導体素子で検出される出力像が歪んでしまうという問題が発生する。すなわち、前述のように光電面から放出された光電子は電子レンズの電界によりその走行軌道が制御されるわけであるが、その電界の電位変化は光電面と半導体素子を結ぶ軸線から離れるほど急峻となるため、その軸線から遠く離れた位置を通過する光電子はその電界により必要以上に曲げられ、半導体素子上の所要の位置からずれて結像することになる。そのため、出力像に歪みを生じてしまう。
【０００６】
このような歪みを低減する方法として、特開平３ー３４２４２号公報に記載された試みがなされているが、理想的な状態を除いて、現実的には、この歪みを完全に除去するのは不可能である。また、電子レンズによる歪みを回避するためには、電子レンズによる電界領域において電子管軸付近のごく狭い範囲をだけを利用する方法がある。しかし、この方法を用いると、電子管の外形に対し有効径が小さくなるという問題がある。このため、電子管の大きさを自由に設定できる場合にはこのような方法が適用できるが、電子管の外形に制限のある場合には適用できなくなる。
【０００７】
また、前述の歪みを低減する方法として、光電面を球面状に形成して電子管を構成する方法がある。すなわち、光電子の放出軌道が交差するクロスオーバー点を中心として光電面を球面状に形成し、光電面の各部からクロスオーバー点までの距離を等しくし、電子レンズによる歪みを低減しようとする方法である。この場合、出力面である半導体素子も光電面のように球面状とすれば歪みがいっそう改善される。しかし、光電面を球面状とすると、平板状のシンチレータ（入射した放射線に応じて蛍光を発する部材）を受光面板の全面に渡って均一にコンタクトが取れないという問題が発生する。また、出力面である半導体素子の表面を球面状することはほとんど不可能である。
【０００８】
更に、前述の歪みの問題を解決しようとしたものとして、特公平２ー１５９８１号公報にはイメージ管の技術が記載されている。このイメージ管は、受光面板（入力面）が矩形状であり、それに伴う出力面での画像の歪みに対し、電子管側部へ縞状の電圧を印加して球対称に近い電界を作り出すことでその低減を図ろうとするものである。しかしながら、この公報の技術を適用するには、電子管の側部に電圧供給用の真空貫通端子を多数取り付ける必要がある。また、この技術によっても出力画像の歪みを完全に取り除くことは非常に困難である。
【０００９】
そこで本発明は、このような技術課題を解消するためになされたもので、入射する光の像を全く歪みのない電子像の信号として出力する電子管を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、裏面に光電面が設けられ表面への光の入射によりその光電面から光電子を放出する受光面板と、その受光面板の前記光電面と対向して配置され前記受光面板と対向する面に設けられた入射窓で前記光電子を受けて電気信号として出力する半導体素子と、前記受光面板と前記半導体素子の間に形成される真空空間内に配設され前記光電子の放出軌道を制御する電子レンズとを備えて構成される電子管において、前記受光面板は平板状とされ、前記入射窓はその外形が前記受光面板の外形に対し中心より遠方になるほど外側へ引き延ばされた形状とされ、かつ複数の画素に分割されたことを特徴とする。
【００１１】
このような発明によれば、平板状である受光面板に入射した光は、その内側に取り付けられた光電面で光電子に変換されて半導体素子へ向けて放出される。その際、光電子は電子レンズにより歪んだ結像状態で半導体素子上へ入射されるが、半導体素子の入射窓がその光電子の結像の歪み状態と同形状に形成されると共に、複数の画素に分割化されているので、受光面板への入射した光の入力像と全く歪みのない状態の出力像が電気信号として半導体素子から出力される。また受光面板が平板状であるから平板状部材、例えばシンチレータへの接合性に優れる。
【００１２】
また本発明は、受光面板の外形が矩形とされ、かつ前記入射窓の外形が矩形の角部をほぼ対角線延長方向へ引き延ばした形状とされたことを特徴する。
【００１３】
このような発明によれば、前述と同様に、受光面板へ入射した光を増倍して全く歪みのない電気信号として出力されると共に、複数の電子管を隣接して配列した場合、デッドスペースがほとんど生じないので、入射した光を忠実に電気信号として出力できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明に係る電子管を説明する。尚、各図において同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００１５】
図１は電子管の全体概要図である。図２は半導体素子の拡大図である。図３は電子管の使用例を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、電子管１０は、所定距離隔てて受光面板１とステム２が対向して配設され、その間の空間が真空状態に保たれた構造となっている。例えば、一方へ向けて先細り状とした筒形の側管３の大開口部に受光面板１、小開口部にステム２がそれぞれ各端の開口部を閉塞するように配設され、その側管３内が密閉されており、その内部が真空状態とされている。
【００１７】
前述の受光面板１は、入力像である光を受けるためのものであって、外形を矩形とした平板状の板体で構成され、具体的にはガラス板などが用いられる。その受光面板１の裏面、すなわちステム２との対向面には光電面１１が形成されている。この光電面１１は透過型の光電変換材であって、例えば、Ｃｓ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂなどのアルカリ金属、ＧａＡｓなどの化合物半導体又はＡｇＯ等により形成され、受光面板１の外側に光が入射するとその内側（ステム２側）へ光電子を放出するようになっている。
【００１８】
また、受光面板１とステム２の間に位置する側管３の内部空間には、電子レンズ４が形成されている。この電子レンズ４は、光電面１１から放出された光電子の軌道を制御するためのものであって、例えば、円筒型の第一電極４１、第二電極４２、第三電極４３をそれぞれ電子管１０の管軸方向へ所定距離隔てて同心状に順次配設した構造とされる。これらの各電極４１〜４３へ電圧を印加することにより、側管３内に電界が形成され、光電面１１から放出された光電子の軌道が制御され、受光面板１に入る光の入力像が半導体素子６上へ縮小されて結像されることとなる。この受光面板１として外形１００ｍｍ×１００ｍｍのものを採用し、電子レンズとして画像を１０分の１程度に縮小するものを用いるのが好ましい。尚、電子レンズ４は、放出される光電子の軌道を制御できるものであれば、前述のものに限られるものでなく、その他の構造又は形態のものを採用してもよい。
【００１９】
一方、前述のステム２は、多層構造のセラミックからなる平板で形成されており、その周縁部に断面をクランク形としたリング状のコバールフランジ５がろう付けされており、そのコバールフランジ５を介して側管３の開口部へ取り付けられている。また、このステム２の裏面（受光面板１に対向する面）に半導体素子６が取り付けられている。半導体素子６は、光電面１１から発せられる光電子を受けて増倍させ電気信号として出力する素子であり、その表面に光電子を直接受ける入射窓６１が形成されている。この入射窓６１は、その外形が矩形の角部を略対角線延長方向へ引き延ばした形状とされ、かつ複数の画素６２に分割されている。すなわち、入射窓６１は、受光面板１への光の入射像に対し入射窓６１への光電子の歪んだ入射状態を補正するために、その歪み状態に合わせて矩形の角部を略対角線延長方向へ引き延ばしたピンクッション形とされており、また受光面板１のどの位置に光が入射したかを正確に把握するために複数の画素６２ａ、６２ｂ、…に分割されている。この入射窓６１の外形及び画素６２の形状は、光電子の入射状態の歪み程度に応じて決定される。それらの形状の具体的な設定は、電子レンズ４の各電極４１〜４３で形成される電界を計算することにより、光電面１１の各部から放出される光電子の各軌道が算出できるから、その光電子の軌道に基づいて決定すればよい。尚、図２においては、入射窓６１が４×４の１６個の画素６２に分割されているが、必要に応じてそれ以下又はそれ以上の分割状態としてもよい。また画素６２をその他の形状として分割しても勿論よい。
【００２０】
また、前述の半導体素子６としては、例えば、マルチチャンネルＰＤなどが採用され、その具体的な構造としては、図２に示すように、１０ｋΩｃｍ程度の高抵抗としたｎ型シリコンの基板６３を基本材として、その表面（受光面板１に対向する面）に前述の入射窓６１以外の部分に電極６４が被覆され、その裏面（ステム２接触面）側の縁部分を取り巻いてｎ+ チャネルストップ層６５が形成され、そのｎ+ チャンネルストップ層６５に囲まれた部分に入射窓６１と同形状とされ画素６２ａ、６２ｂ、…６２ｐに対応して分割された複数のｐ型層６６が形成され、その各ｐ型層６６上に接続されて電極６７が形成され、前述の電極６４下層に基板６３全面にわたってｎ+ 層６８が形成されて構成される。また、電極６４は前述のコバールフランジ５とワイヤーボンディングにより電気的に接続されている。尚、前述のｎ+ チャネルストップ層６５はリンの拡散により、ｐ型層６６はボロンの拡散により、またｎ+ 層６８はリンの拡散により形成すればよい。
【００２１】
更に、前述のステム２の裏面（半導体素子６接触面）には、図２の如く、半導体素子６の各電極６７と対面するように複数のボンディングパット２１が形成され、前述の各ｐ型層２６とその表面に配置された金製のバンプ６９を介してバンプボンディングされ電気的に接続されている。また、この各ボンディングパット２１に対応して複数のピン２２がステム２の表面に突設され、個々のボンディングパット２１と結線されており、電子管１０への光の入射に対応した電気信号を出力するようになっている。
【００２２】
次に、電子管１０の動作について説明する。図１において、まず、光検出を行う前に、コバールフランジ５及び半導体素子６表面の電極６４を０Ｖとして、光電面１１に−８ｋＶ、電子レンズ４の電極４１に−７．５ｋＶ、電極４２に−５ｋＶ、電極４３に０Ｖを印加しておく。また、半導体素子６には光電面１１側の表面からその裏面に向けて２００Ｖの逆バイアスを印加しておく。その状態において、受光面板１の表面へ光が入射すると、その裏面側の光電面１１により光電子に変換され、電子管１０内のステム２へ向けて放出される。
【００２３】
一方、電子管１０内では電子レンズ４の円筒状の電極４１〜４３により所定の電界が形成され、その電界により光電子が加速されてステム２上の半導体素子６の入射窓６１へ入射される。その際、光電面１１の中心から離れた位置から放出される光電子ほど電子レンズ４の電界により必要以上に大きく曲げられて入射窓６１へ入射されることとなる。この現象を二次元的に考察すると、受光面板１への光の入力像に対し、半導体素子６の入射窓６１への光電子の入射像はその中心から離れるほど外側へ引き延ばされた形状となって歪んでしまうこととなる。また、受光面板１及び光電面１１が平板状である場合では、光電面１１の端部分と中心部分では光電子軌道のクロスオーバー点（図１では電極４３付近）までの距離が大きく異なるので、光電子の入射像の歪みは更に助長される。
【００２４】
しかし、歪んだ状態で入射してくる光電子の軌道が予め計算され、その計算に基づき入射窓６１が矩形の角部を略対角線延長方向へ引き延ばした形状とされており、かつ複数（１６個）の画素６２に分割されているから、受光面板１から放出された光電子はその受光面板１に対応した画素６２へ入射することとなる。そして、画素６２へ入射した光電子は半導体素子６内でエネルギーを失いながら１５００個程度の電子−正孔対を生成し増倍されて、電極６７及びボンディングパット２１を介してピン２２から電気信号として出力されていく。
【００２５】
このように電子管１０によれば、受光面板が矩形の平板状であるのにかかわらず、入射してくる光の入力像を増倍して全く歪みのない出力像の電気信号として出力することができる。
【００２６】
次に、前述の電子管１０をガンマカメラへ適用した場合の使用例について説明する。図３において、ガンマカメラ２０は、入射したγ線を可視光に変換する平板状のシンチレータ７の裏面に、ガラスよりなる平板状の拡散板８を介して、受光面板１を当接した状態で複数の電子管１０の配列して構成される。図３中の９は電子管１０の出力信号を読み出す初段の回路である。このガンマカメラ２０にあっては、電子管１０の受光面板１外形が矩形であるから隣接する各受光面板１の間に隙間を生じさせることなく配列することが可能である。このため、シンチレータ７へ入射するγ線をいずれかの電子管１０で確実に受光できる。また、電子管１０の受光面板１が平板状であるから各受光面板１をシンチレータ７裏面へ拡散板８を介し当接して、また平行状態として配置できる。このため、シンチレータ７へ入射するγ線を歪みなく正確に電子管１０で受光できる。このように、ガンマカメラ２０によれば、シンチレータ７へのγ線入射状態を正確で、かつ歪みない電気信号として出力できる。
【００２７】
尚、前述の電子管１０の受光面板１の外形は矩形に限られるものでなく、隙間なく隣接できる形状であれば、六角形や三角形などその他の形状であってもよい。そのような電子管１０であっても、前述の如く、入射してくる光の入力像を増倍して全く歪みのない出力像の電気信号として出力することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
【００２９】
すなわち、光を受ける受光面板が平板状とされ、光電変換された光電子を受ける半導体素子の入射窓の外形が受光面板の外形に対し中心より遠方になるほど外側へ引き延ばされた形状とされ、且つ入射窓が複数の画素に分割されたことにより、受光面板への光の入力像に対し半導体素子への光電子の歪んだ入射像が半導体素子で補正されるから、入射する光を増倍して全く歪みのない電気信号として出力することができる。
【００３０】
また、受光面板の外形が矩形とされ、かつ前記入射窓の外形が矩形の角部をほぼ対角線延長方向へ引き延ばした形状とされたことにより、前述と同様に、受光面板へ入射した光を増倍して全く歪みのない電気信号として出力できると共に、複数の電子管を隣接して配列した場合デッドスペースがほとんど生じないので、入射した光に忠実な電気信号として出力できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子管の全体斜視図である。
【図２】半導体素子の拡大図である。
【図３】図３は電子管の使用例を示す図である。
【符号の説明】
１０…電子管、１…受光面板、２…ステム、３…側管、４…電子レンズ
５…コバールフランジ、６…半導体素子、６１…入射窓
６２…画素

Claims

裏面に光電面が設けられ表面への光の入射によりその光電面から光電子を放出する受光面板と、その受光面板の前記光電面と対向して配置され前記受光面板と対向する面に設けられた入射窓で前記光電子を受けて電気信号として出力する半導体素子と、前記受光面板と前記半導体素子の間に形成される真空空間内に配設され前記光電子の放出軌道を制御する電子レンズとを備えて構成される電子管において、
前記受光面板は平板状とされ、
前記入射窓は、その外形が前記受光面板の外形に対し中心より遠方になるほど外側へ引き延ばされた形状とされ、かつ複数の画素に分割されたことを特徴とする、
電子管。
前記受光面板の外形が矩形とされ、かつ前記入射窓の外形が矩形の角部をほぼ対角線延長方向へ引き延ばした形状とされたことを特徴する、
請求項１に記載の電子管。