JP3728352B2 - 電子管 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光を定量的に計測するための光検出器として利用され、特に、光電面より放出された電子を増倍して出力する半導体素子をもった電子管に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、光の入射によって光電面より放出された電子を、電子レンズで加速・収束した後、半導体素子に入射して高いゲインを得る電子管が知られている。この電子管は、例えば、特開平5−54849号公報、特開平7−320681号公報、文献 “Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A330(1993)93-99"「Test results of the first Proximity Focused Hybrid Photodiode Detector prototypes」(著者 S.Base et all)などに開示されている。特に、この文献には、図7に示す電子管が開示され、この電子管は電気絶縁性のバルブ102を有し、このバルブ102によりアノード電極100とカソード電極101との間で電気絶縁性を確保させている。また、バルブ102の径に対してカソード電極101の径を大きくすることにより、光電面103を大きくし、半導体素子104の有効面積(例えば100mm2)を大きくしている。従って、図7に示した電子管は大型であることが判る。また、この電子管に採用されているカソード電極101は、円筒状の2枚の平板101a,101bを並設させることにより中空状に形成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図7に示した電子管のカソード電極101は、2枚の平板101a,101bを組み合わせることにより、様々な大きさや形状のものを可能にするが、中空状になっているため、大型の電子管には適しているが、小型(例えば直径10mm程度)の電子管ではこの中空部分を確保しにくい。また、このようなカソード電極101は、2枚の平板101a,101bをプレス加工した後、溶接等で接合させる必要があるので、組立て作業効率が悪いといった問題点があった。
【0004】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、特に、小型化が可能であり、組立て作業性の極めて良い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】
本発明による電子管は、第1の開口と第1の開口と反対側に位置する第2の開口とを有するケースと、ケースの第1の開口側に設けられて、入射された光に対応して電子を放出する光電面をもった入力面板と、ケースの第2の開口側に設けられて、入力面板と共に真空領域を規定するステムと、ステムの真空側に固着して、光電面より放出した電子が照射される電子入射面を有する半導体素子と、半導体素子と光電面との間で半導体素子の近くに位置して、電子を通過させる開口部をもったアノード電極とを備えた電子管において、
ケースは、光電面側に位置して、光電面から放出した電子を半導体素子に照射する電子レンズをアノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、ステム側に位置して、一端をステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、カソード電極と溶接電極との間に位置して、一端をカソード電極の他端に固定すると共に、他端を溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、バルブを少なくとも2分割させると共にバルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、
カソード電極の外形とバルブの外形と溶接電極の筒状本体の外形とを略同じにし、カソード電極の内径をバルブの内径より小さくし、筒体をなすカソード電極及びバルブの厚み部分は中実をなし、カソード電極がバルブより肉厚に形成され、
カソード電極の一端から他端に亘って、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出することを特徴とする。
【0006】
この電子管においては、外部から入力面板に入射した光は光電面によって電子に変換され、電子は、カソード電極とアノード電極と中間電極との協働により形成される電子レンズ効果により収束させながら、半導体素子の電子入射面に到達する。ここで、カソード電極はリング体を構成しているので、コバール金属等の導電性の良い材料を利用して、プレス成形又は射出成形又は切削加工等の様々な一体成形方法で簡単に作り出すことができる。しかも、小さなカソード電極が要求される場合でも簡単に具現化することができ、電子管の小型化を更に促進させることができる。また、カソード電極、バルブ、中間電極及び溶接電極がそれぞれリング状に形成されているので、ケースを形成する際、同心状に簡単に積層させることができ、ケースの組立て作業が容易になる。そして、電子管の小型化により、限られたスペースに1000本〜1万本の電子管を並べて使用する高エネルギ分野や医療機器分野からの強い要求に応えることができる。また、ケースのカソード電極と入力面板との間に低融点金属(例えばインジウム)を介在させ、真空になったトランスファー装置内で、入力面板とカソード電極とを互いに押し付け合いながら、100kg程度の高圧をかけることにより電子管内に真空領域を簡単に作り出すことができる。従って、ケースに排気管を突設させる必要がなくなり、トランスファー装置内で電子管を大量生産することができる。
さらに、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出する。このように構成することで、光電面側の意図しない場所で生じた迷走電子がバルブに衝突するのを防止し、迷走電子の衝突によって発生するバルブの帯電や、これに起因する電子軌道への影響をなくすことができる。
【0007】
この場合、カソード電極の外形とバルブの外形と溶接電極の筒状本体の外形と中間電極の外形とを略同じにすると好ましい。このように構成することで、ケースの外面から凹凸を無くすことができ、引っ掛かりの無いシンプルな形状にすることができる。従って、多数本の電子管を密に配列させることができ、取り扱い易い電子管が可能になり、しかも、150kgの高圧に耐え得る構造を可能にしている。
【0009】
また、溶接電極は、ステムに抵抗溶接で接続させると好ましい。この場合、ケースの溶接電極にステムを抵抗溶接することで、ケースの第2の開口をステムによって簡単に塞ぐことができる。
【0010】
また、溶接電極に設けられた筒状本体の一端には、外方に突出する第1フランジ部が形成され、筒状本体の他端には、内方に突出する第2フランジ部が形成され、ステムの外周には、溶接電極の第1フランジ部に嵌合する切欠き縁部が形成されていると好ましい。このように構成することで、溶接電極の第1フランジ部をステムの切欠き縁部に嵌合させて抵抗溶接するだけの簡単な組付け作業で、溶接電極とステムとを接合させることがでる。更に、ステムに対するケースの着座性を良くすることもできる。また、溶接電極の第2フランジ部を電子管内に突出させているので、この第2フランジ部自体をアノード電極として機能させることもでき、第2フランジ部に任意の形状のアノード電極を溶接等で簡単に固定させることもできる。
【0011】
また、カソード電極には光電面と同一の電圧を供給し、アノード電極には溶接電極と同一の電圧を供給し、中間電極には、カソード電極の電圧とアノード電極の電圧のぼぼ中間の電圧を供給すると好ましい。このように構成することで、高い負電圧を光電面に印加しても絶縁破壊が起こることがなくなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による電子管の好適な実施形態について詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明に係る電子管の第1実施形態を示す断面図である。同図に示すように、電子管1は円筒状のケース10を有し、このケース10は、導電性の良いコバール金属を利用して、プレス成形又は射出成形又は切削加工等の様々な一体成形方法により作り出されたリング状の筒体をなすカソード電極11と、電気絶縁性材料(例えばセラミック)からなるリング状の筒体をなすバルブ12と、コバール金属からなるリング状の筒体をなす溶接電極13と、バルブ12を2分割することで形成された第1バルブ12Aと第2バルブ12Bとの間で、挟むようにして固定させたコバール金属製のリング状中間電極90とから構成され、これら部材11,12,13及び90は互いに同心状且つ管軸方向に積層配置されている。また、中間電極90をもったバルブ12は、カソード電極11と溶接電極13との間に設けられ、バルブ12の一端は、カソード電極11のフラットな端面11aに突き合わせた後、ろう付け等で固定され、バルブ12の他端は、溶接電極13のフラットな端面13aに突き合わせた後、ろう付け等で固定されている。また、バルブ12は、第1バルブ12Aと第2バルブ12Bとで中間電極90の外周端部を挟み、接合部分にろう付け作業を施すことで形成される。従って、ケース10は、ろう付けにより簡単に一体化が図られる。
【0014】
更に、カソード電極11とバルブ12と溶接電極13の筒状本体13Aとは略同じ外形(この場合「例えば直径14mmの円形」)に形成されている。従って、ケース10の外面から凹凸を無くすことができ、引っ掛かりの無いシンプルな形状にすることができる。その結果、狭い空間においても多数本の電子管を密に配列させることができ、取り扱い易い電子管が可能になり、しかも高圧に耐え得る構造を可能にしている。なお、リング体をなすカソード電極11、バルブ12、中間電極90及び溶接電極13の外形は多角形であってもよい。
【0015】
カソード電極11の内周壁面11bは、その全面に亘ってバルブ12の内周壁面12aより内側に位置し、バルブ12の内径に対してカソード電極11の内径を小さくしている。従って、後述する光電面22側の意図しない場所で生じた迷走電子がバルブ12に衝突するのを防止でき、迷走電子の衝突によって発生するバルブ12の帯電や、これに起因する電子軌道への影響をなくすことができる。この場合、内周壁面11b及び12aはそれぞれ円形に形成され、カソード電極11の内径は例えば10mm、バルブ12の内径は例えば11mmで形成されている。カソード電極11及びバルブ12の厚み部分は中実をなし、カソード電極11がバルブ12より肉厚に形成されている。なお、内周壁面11bと内周壁面12aとの形状は同じであっても異なっていてもよく、円形であっても多角形であってもよい。この場合、カソード電極11の長さは3.5mmが好適であり、第1バルブ12Aの長さは3.5mm、第2バルブ12Bの長さは3mmが好適である。
【0016】
ここで、中間電極90は、バルブ12の内周壁面12aから内方に突出し、中間電極90の開口部90aの内径は、電子軌道に干渉しない範囲内で極力小さくなっている(好適には7mmである)。従って、迷走電子によるバルブ12の帯電が防止されると共に、仮に何らかの理由でバルブ12が帯電しても、電子軌道に近い空間の電位を中間電極90により固定させているので、バルブ12の帯電が電子軌道に悪影響を与えるのを防止することができる。なお、中間電極90の厚さは、0.5mmが好適である。
【0017】
ケース10のカソード電極11には、光を透過させるガラス製の入力面板21が固設され、この入力面板21は、内側に光電面22を有すると共に、ケース10の第1の開口14側に配置されている。そして、この入力面板21は、光電面22を作製した後、低融点金属(この場合「インジウム」)23を介してカソード電極11の端部に一体化されている。光電面22の周辺部分には、光電面22とインジウム23とを電気的に接続するように、クロムの薄膜よりなる光電面電極25が配置されている。そして、光電面電極25の内径8mmが光電面22の有効径を規定している。また、インジウム23は、中空円筒状の支持体24の内側面で突出するように形成されている。そこで、カソード電極11の上にインジウム23、入力面板21の順に配置し、カソード電極11と入力面板21とを100kg程度の高圧で互いに押し付けることにより、インジウム23が変形して接着剤として機能し、入力面板21はケース10と一体化する。
【0018】
ケース10の溶接電極13には導電性材料(例えばコバール金属)よりなる円盤状のステム31が固設され、このステム31は、ケース10の第2の開口15側に配置されている。ここで、溶接電極13の筒状本体13Aの一端には、ステム31との接合に利用するために外方に突出した円形の第1フランジ部13Bが形成され、筒状本体13Aの他端には、バルブ12との接合に利用するために内方に突出した円形の第2フランジ部13Cが形成されている。また、ステム31の外周には、第1フランジ部13Bに嵌合させるための円形の切欠き縁部31aが形成されている。従って、溶接電極13の第1フランジ部13Bをステム31の切欠き縁部31aに嵌合させ、抵抗溶接を施すだけの簡単な組立て作業で、溶接電極13とステム31とを簡単に接合させることができる。また、抵抗溶接中において、ステム31に対するケース10の着座性は極めて良い。なお、ステム31にはガラス34で絶縁された貫通ピン32が固定され、電子管1は、ケース10と入力面板21とステム31とで一体化され、真空気密を保持している。
【0019】
図2に示すように、ステム31における真空側の面上には、APD(アバランシェ・フォトダイオード)として動作する半導体素子40が導電性の接着剤50を介して固着されている。半導体素子40は、n型の高濃度シリコン基板41を基板材料とし、中央部分には円板状でp型のキャリア増倍層42が形成されている。このキャリア増倍層42の外周には、キャリア増倍層42と同じ厚さで高濃度n型層よりなるガードリング層43が形成されている。キャリア増倍層42の表面には、高濃度p型層よりなる降伏電圧制御層44が形成されている。この降伏電圧制御層44の表面は電子入射面44aとして形成され、降伏電圧制御層44の周辺部分とガードリング層43とを架け渡すように、酸化膜45及び窒化膜46が形成されている。降伏電圧制御層44にアノード電位を供給するために、半導体素子40の最外面には、円環状にアルミを蒸着して形成された入射面電極47が設けられている。更に、半導体素子40の最外面には、ガードリング層43と導通する周辺電極48が設けられ、この周辺電極48は、入射面電極47に対して所定の間隔をもって離間させられている。なお、電子入射面44aの直径は入射面電極47の内方で3mmが好適である。
【0020】
この半導体素子40の高濃度n型シリコン基板41は導電性接着剤50を介してステム31に固着され、この導電性接着剤50を利用することで、ステム31と高濃度n型基板41とは電気的に導通する。また、半導体素子40の入射面電極47は、ステム31と絶縁させた貫通ピン32に対してワイヤー33により接続されている。
【0021】
図1及び図2に示すように、半導体素子40と中間電極90との間には板状のアノード電極60が配置され、このアノード電極60の外周端部は溶接電極13の第2フランジ部13Cに固定されている。また、アノード電極60は、半導体素子40に近い側に位置すると共に、厚さ0.3mmのステンレス製の薄板をプレス加工することで形成されている。なお、アノード電極60と半導体素子40との間隔は1mmが好適である。
【0022】
このアノード電極60の中央には、半導体素子40の電子入射面44aに対峙させた開口部61が形成され、アノード電極60には、開口部61を包囲するように突出した円筒状のコリメーター部(コリメーター電極)62が一体に形成され、このコリメーター部62は、光電面22に向けて突出すると共に、開口部61に対して同心的に配置されている。また、このコリメーター部62の内径は2.5mmが好適であり、この高さは1.5mmが好適である。なお、アノード電極60は、溶接電極13の第2フランジ部13Cの延長上に予め形成させておいて、溶接電極13がアノード電極60を兼ねるように構成することも可能である。
【0023】
次に、前述した構成に基づき、電子管1の組立について説明する。先ず、ステム31に半導体素子40をダイボンドし、続いて、ワイヤー33にて入射面電極47と貫通ピン32を結線する。一方、ケース10の溶接電極13には、アノード電極60を抵抗溶接にて固着し、溶接電極13とステム31とを抵抗溶接にて固着させる。そして、入力面板21と、インジウム23と、ステム31を一体化したケース10とを、別体にした状態でトランスファー装置と呼ばれる真空装置に入れ、300℃、10時間程度のべ一キングを施した後、入力面板21の片側に光電面22を作製する。この光電面22は、アンチモンを蒸着後、カリウム、ナトリウム、セシウムの蒸気を順に導入することで作製される。あるいは、予め入力面板21と一体化させているGaAs結晶にセシウム蒸気と酸素とを交互に導入することでも形成可能である。
【0024】
このようにして入力面板21に光電面22を形成後、ケース10と入力面板21とをインジウム23を介して接合させ、100kg程度の圧力をかけることで、最も柔軟なインジウム23が押しつぶされる。その結果、インジウム23が接着剤として機能し真空気密を保持することで、電子管1内に真空が作り出される。最後に、トランスファー装置の真空をリークして、一連の行程を終了する。通常、トランスファー装置における電子管1の作製では、50本程度の材料を一度にセットして、光電面22を作製する。従って、このような製造方法では、大量の電子管1を均質に安く製造することができる。
【0025】
図1に示すように、電子管1の光電面22及びカソード電極11には−12kVを印加し、アノード電極60はアースして0Vを印加し、中間電極90にはその中間の−6kVを印加する。このとき、カソード電極11とアノード電極60と中間電極90との協働で電子レンズを形成し、有効径8mmの光電面22から放出された電子は、コリメーター部62の内径より小さい直径2mmに縮小して半導体素子40の電子入射面44aに導入される。一方、半導体素子40にはpn接合に逆バイアスが印加されるように、半導体素子40の降伏電圧制御層(アノ−ド)44に−150Vを印加し、シリコン基板41(カソード)をアースして0Vを印加する。従って、APDには約50倍のアバランシエ増倍ゲインが得られる。なお、光電面22の電圧とアノード電極60の電圧との中間の電圧を中間電極90に印加する方法としては、コッククロフトウォルトン型の電源で実現できる。また、抵抗を用いて電圧を分割する方法でもよい。
【0026】
そこで、電子管1に光が入射すると、光電面22から真空中に電子が放出され、この電子は電子レンズにて加速されると共に収束されて、12keVのエネルギ−をもってAPD40の電子入射面44aに入射する。この電子は、APD40内でエネルギーを3.6eV失う毎に1個づつの電子−正孔対を生成するので、この最初の増倍過程で約3000倍になり、続くアバランシエ増倍でさらに50倍になるので、トータルで約2×105のゲインとなる。
【0027】
この電子管1では、通常の光電子増倍管(以下「PMT」という)に比べて、初段の増倍率が3000と、約3桁高いので、S/Nの非常によい検出が可能である。現に、非常に微弱なパルス光が入射して、平均4電子程度が光電面22から放出されたとき、従来のPMTでは、弁別できなかった入力光電子数(入射光子数)を弁別できるようになった。前述した電子管1で得られるこのような特性は、生体微量物質から放出される蛍光を定量的に観察する際に非常に有効である。そして、電子管1自体が、長期に渡って安定に動作することは非常に重要なことである。
【0028】
一般的な電子管において、絶縁物であるバルブは、電位的に按分された状態から、迷走電子やイオン或いはX線の影響で帯電する。そして、バルブの内周壁面の帯電が絶縁破壊のトリガーとなる。
【0029】
しかしながら、本実施形態の電子管1において、セラミック製バルブ12は、同心状の第1バルブ12Aと第2バルブ12Bとで二分割され、バルブ12A,12B間に中間電極90が挿入され、中間電極90には光電面22とアノード電極60との中間的な電圧が印加されているので、高い負電圧を光電面22に印加しても絶縁破壊がおこらない。そして、セラミック製のバルブ12の中間に中間電極90が挿入されてるので、迷走電子、イオン、X線等によるバルブ12の帯電が起こりにくい。さらに、バルブ12が仮に帯電しても、中間電極90は中間的な電位で固定されているので、バルブ12の絶縁破壊には至らない。従って、この電子管1において、光電面22に高い負電圧を印加しても高いゲインを得ることができる。
【0030】
なお、中間的な電位で固定された中間電極90の開口部90aは、電子軌道に干渉しない程度の最小限な大きさに設定されているので、電子軌道に近い空間の電位を固定し、バルブ12の内周壁面12aの帯電が電子軌道に与える影響を抑制することができる。
【0031】
また、電子管1において、半導体素子40の電子入射面44aには−150Vが印加され、電子入射面44aはアノード電極60に対して負電位に保たれるので、入射電子によって電子入射面44aに吸着したガス分子が正にイオン化しても光電面22まで戻ることはない。従って、電子管1は、長期間に渡って安定な動作をする。そして、アノード電極60に設けたコリメーター部62は、光電面22側からアノード電極60の開口部61を超えて半導体素子40に向かう電界の侵入を最小限に抑制し、イオンフィードバックの防止効果を増強する。
【0032】
次に、図3及び図4に基づいて、本発明の第2実施形態に係る電子管100を説明する。なお、以下、第1実施形態との相違点について説明すると共に、図面において、第1実施形態の電子管1と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0033】
図3に示すように、電子管100は、カソード電極11の長さを2mmとし、バルブ12を第1〜第4のバルブ12C〜12Fで4分割し、各バルブ12C〜12F間でそれぞれ挟むように固定させた中間電極90Aを3枚の第1〜第3中間電極91〜93で形成している点、半導体素子80としてPD(フォトダイオード)を用いた点が電子管1と相違している。この第2実施形態では、カソード電極11の長さの変更によって電子レンズの作用が変化し、有効径8mmの光電面22から放出した電子は、直径約5mmに集束して半導体素子80に入射する。更に、アノード電極70は、溶接電極13の第2フランジ部13Cの延長上に予め形成させておいて、溶接電極13がアノード電極70を兼ねるように構成している。
【0034】
このように構成した電子管100は、1T(テスラ)を越える強磁界中での使用も想定している。このような強磁場中では、電子の進行方向は磁界の向きによってのみ決定され、電界は単に電子を加速するだけにしか使えない。すなわち、このような高磁界中では、電界による電子レンズを作用させることができない。従って、実質的な光電面22の有効径は半導体素子80の電子入射面84aの大きさで制限される。そこで、極力大きな光電面22の有効径を確保するために、大きな電子入射面84aを有する半導体素子80が必要となる。
【0035】
図4に示すように、PDである半導体素子80は、高抵抗n型ウェファの裏面からn型の不純物であるリンを高濃度に深く拡散させた拡散ウェファを基板材料とし、裏面がn型高濃度コンタクト層81となった高抵抗n型基板82の表面の周辺部分にリンを高濃度にイオン注入して形成したn型チャンネルストップ層83を有している。また、基板82の表面の中央部分には、ボロンを高濃度に拡散して形成した円板状のp型入射面層(降伏電圧制御層)84が形成され、入射面層84の周辺部分には、チャンネルストップ層83の表面を覆う酸化膜85及び窒化膜86が設けられている。更に、入射面層84には、これに接触して入射面層84に電圧を供給するアルミ膜の入射面電極87が設けられ、入射面電極87と離間した位置には、チャンネルストップ層83と接触しているアルミ膜の帯電防止電極88が設けられている。このPD80の電子入射面84aは、実質的には、入射面電極87の内径で規定されている。電子入射面84aの直径は7.2mmが好適である。
【0036】
そこで、電子管100の光電面22及びカソード電極11には−16kV、アノード電極70には+50Vを印加する。第1〜第3中間電極91〜93のそれぞれには、光電面22とアノード電極70との間の電圧を按分するように、−12kV、−8kV及び−4kVを印加する。このとき、カソード電極11とアノード電極70と中間電極90Aとの協働により電子レンズが形成され、有効径8mmの光電面22から放出した電子をアノード電極70の開口部71より小さい直径5mmに縮小してPDである半導体素子80の電子入射面84aに導入する。一方、PD80には逆バイアスがかけられ、PD80のカソード側には、ステム31を介して+50Vが印加され、アノード側には、貫通ピン32及びワイヤー33を介して外部回路(処理回路)のグランド電位が印加される。そして、貫通ピン32より直流信号成分が出力される。
【0037】
以上の電子管100に光が入射すると、光電面22から真空中に電子が放出する。この電子はカソード電極11と中間電極90Aとアノード電極70との協働で形成される電子レンズにて加速されると共に収束されて、中間電極90Aの開口部90Aa及びアノード電極70の開口部71を通過した後、16keVのエネルギーを有してPD80に入射する。この電子は、PD80内でエネルギーを3.6eV失う毎に1個づつの電子−正孔対を生成し、約4000倍され、これが電子管100のゲインとなる。
【0038】
また、セラミック製バルブ12を中間電極90Aで4分割し、第1〜第3の中間電極91〜93のそれぞれに、光電面22とアノード電極70との間を按分する電圧を印加している。従って、高い負電圧を光電面22に印加しても絶縁破壊がおこらず、より高い打ち込みゲインを得ることができる。さらに、電子軌道に近い部分の空間の電位は中間電極90Aによって固定されるので、仮にバルブ12の内周壁面12aが帯電しても、電子軌道に影響を与えない。
【0039】
前述した電子管100は、加速器を使った高エネルギー実験でも使用される。この実験では、4T(テスラ)の高磁界を発生する実験装置中に1万本を配置し、シンチレーターの発光を捕らえる。ここで、限られた実験スペースに多数の電子管を並べて配置するとき、電子管のサイズが小さいことや、特性が均一であることも重要である。そこで、この電子管100は、インジウム23による真空シール法を適用しているので、サイズを小さくできる。また、電子管100は、トランスファー装置内で、同時に且つ大量に作製されるので、光電面22の感度等の特性がそろった均質な電子管を実現できる。
【0040】
さらに、電子管100においては、光電面22から放出した電子を遮る遮蔽物がないので、高い磁場中でも、大きな有効径が得られる。一般に、4T程度の高磁界中では電界による電子レンズを作用することができないので、光電面22から放出した電子を電界を使って小さく集束させることはできない。そこで、このような使用に耐える電子管100では、有効径8mmの光電面22と、これにほぼ同等な有効径7.2mmの電子入射面84aをもつ半導体素子80とを配置し、それらの間には、直径7mmの開口部71を持つアノード電極70のみを配置している。そして、管軸と同じ向きをもった4Tの高磁界中で電子管100を動作させたとき、光電面22の中心領域(直径7mmの部分)から放出した電子は、遮られることなく半導体素子80に入射する。よって、この電子管100では、高磁界中で7mmの有効径が得られる。なお、言うまでもないが、このような高磁界中において一般的な光電子増倍管(PMT)は使用できない。
【0041】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第2実施形態の電子管100において、図5及び図6に示すように、アノード電極70の開口部71に格子状のメッシュ電極72を配置させてもよい。このメッシュ電極72は、ステンレス製のアノード電極70を部分的にエッチングすることで作り出される。この場合、メッシュ電極72の線幅は50ミクロンで、ピッチは1.5mmである。電子は、このようなメッシュ電極72の開口率(93%)の分だけ透過する。
【0042】
アノード電極70の開口部71にメッシュ電極72を設けた理由としては、アノード電極70の開口部71を半導体素子80の電子入射面84aに合わせて大きくしたためである。すなわち、アノード電極70の開口部71を大きくすると、光電面22側のマイナスの電位の谷が開口部よりしみこんで、半導体素子80の電子入射面84aで発生した正イオンのフィードバックを抑制させる効果が低減するためである。そこで、メッシュ電極72を追加すると光電面22からのマイナスの電位が電子入射面84側に侵入するのを防止できるので、イオンのフィードバック抑制効果を維持することができる。なお、アノード電極70の開口部71の最大径はPD80の電子入射面84aより小さくなっている。
【0043】
【発明の効果】
本発明による電子管は、以上のように構成されているため、次のような効果を得る。
【0044】
すなわち、ケースは、光電面側に位置して、光電面から放出した電子を半導体素子に照射する電子レンズをアノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、ステム側に位置して、一端をステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、カソード電極と溶接電極との間に位置して、一端をカソード電極の他端に固定すると共に、他端を溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、バルブを少なくとも2分割させると共にバルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出することにより、小型化が可能となり、限られた狭いスペースに多数の電子管を密に配列させることができ、組立て作業性の極めて良い電子管が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電子管の第1実施形態を示す断面図である。
【図2】図1の電子管に利用される半導体素子を示す断面図である。
【図3】本発明に係る電子管の第2実施形態を示す断面図である。
【図4】図3の電子管に利用される半導体素子を示す断面図である。
【図5】図3の電子管に適用するメッシュ電極を示す拡大平面図である。
【図6】図5のVI−VI線に沿う断面図である。
【図7】従来の電子管を示す断面図である。
【符号の説明】
1,100…電子管、10…ケース、11…カソード電極、11a…カソード電極の内端面、11b,12a…内周壁面、12…バルブ、13…溶接電極、13a…溶接電極の内端面、13A…筒状本体、13B…第1フランジ部、13C…第2フランジ部、14…第1の開口、15…第2の開口、21…入力面板、22…光電面、23…インジウム(低融点金属)、31…ステム、31a…切欠き縁部、40,80…半導体素子、44a,84a…電子入射面、60,70…アノード電極、61,71…開口部、90,90A…中間電極。
Claims (5)
- 第1の開口と前記第1の開口と反対側に位置する第2の開口とを有するケースと、
前記ケースの前記第1の開口側に設けられて、入射された光に対応して電子を放出する光電面をもった入力面板と、
前記ケースの前記第2の開口側に設けられて、前記入力面板と共に真空領域を規定するステムと、
前記ステムの真空側に固着して、前記光電面より放出した電子が照射される電子入射面を有する半導体素子と、
前記半導体素子と前記光電面との間で前記半導体素子の近くに位置して、電子を通過させる開口部をもったアノード電極とを備えた電子管において、
前記ケースは、
前記光電面側に位置して、前記光電面から放出した電子を前記半導体素子に照射する電子レンズを前記アノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が前記入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、
前記ステム側に位置して、一端を前記ステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、
前記カソード電極と前記溶接電極との間に位置して、一端を前記カソード電極の他端に固定すると共に、他端を前記溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、
前記バルブを少なくとも2分割させると共に前記バルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、
前記カソード電極の外形と前記バルブの外形と前記溶接電極の筒状本体の外形とを略同じにし、前記カソード電極の内径を前記バルブの内径より小さくし、前記筒体をなす前記カソード電極及び前記バルブの厚み部分は中実をなし、前記カソード電極が前記バルブより肉厚に形成され、
前記カソード電極の前記一端から前記他端に亘って、前記カソード電極の内周壁面は前記バルブの内周壁面より内側に位置し、前記中間電極は、前記バルブの内周壁面から内方に突出することを特徴とする電子管。 - 前記カソード電極の外形と前記バルブの外形と前記溶接電極の前記筒状本体の外形と前記中間電極の外形とを略同じにしたことを特徴とする請求項1記載の電子管。
- 前記溶接電極は、前記ステムに抵抗溶接で接続されたことを特徴とする請求項1又は2項記載の電子管。
- 前記溶接電極に設けられた前記筒状本体の一端には、外方に突出する第1フランジ部が形成され、前記筒状本体の他端には、内方に突出する第2フランジ部が形成され、前記ステムの外周には、前記溶接電極の第1フランジ部に嵌合する切欠き縁部が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の電子管。
- 前記カソード電極には前記光電面と同一の電圧を供給し、前記アノード電極には前記溶接電極と同一の電圧を供給し、前記中間電極には、前記カソード電極の電圧と前記アノード電極の電圧のぼぼ中間の電圧を供給することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の電子管。
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