JP4356996B2 - 入出力面を漏斗形状にしたマイクロチャネルプレート - Google Patents

Description

本発明は電子光学デバイス、特にマイクロチャネルプレート及びその製造方法に関する。

暗視装置は利用可能な低強度の環境光を可視イメージに変換する。これらの装置は動作のために月または星の光のようなわずかな残光を必要とする。概してこのような光には人間の目に見えない赤外線放射が豊富である。環境光は人間の目に見える出力イメージを生成するよう暗視装置により増強される。イメージ増強処理は、受光した環境光を電子パターンに変換し、続いて目に見えるイメージを生成するべく該電子パターンを受光器に投影する工程を含む。典型的に、受光器は接眼レンズとして与えられるレンズを通じて見る蛍光スクリーンである。

マイクロチャネルプレート増幅の特定の例として、警察官、夜間監視用及び兵器使用目的の軍人によって通常使用される暗視装置のイメージ増強管がある。しかし、マイクロチャネルプレートは、光電陰極及び光電陰極の特定の部品に注がれる光のフラックスまたは強度を示す増強電気信号を生成するのにも使用される。生成された電気信号はビデオディスプレイを駆動するためまたはイメージの電気的アナログ信号に存在する情報を処理するためのコンピュータへ送られるのに使用される。

周知の暗視装置において、光電的に応答する光電陰極エレメントが低レベル光イメージからの光子を受信するのに使用される。典型的に、低レベル光イメージは肉眼で見るには暗すぎて見えず、赤外線放射によって照らされるのみである。その波長の放射は夜間の空では豊富である。光電陰極は低レベルイメージからの光子のパターンと対応する電子のパターン（以下、光電子と呼ぶ）を生成する。静電場を使用することにより、光電陰極から放出される光電子のパターンはマイクロチャネルプレートの表面へ向けられる。

その後、光電子のパターンはプレートの表面上にある多数の小さいチャネル（または、マイクロチャネル）開口に導入され、それは電子の二次放出により低レベルイメージに対応するパターンで電子のシャワーを生成する。すなわち、マイクロチャネルプレートはそのマイクロチャネルから比例する数の二次放出電子を放出する。この二次放出電子は電子シャワーを形成し、それによって最初の低レベルイメージに応答して光電陰極により生成された電子を増幅する。光電陰極により生成されるより以上の強度の電子シャワーはその後蛍光スクリーンに向けられる。スクリーンの燐は低レベルイメージを模写した可視イメージを生成する。

特に、従来マイクロチャネルプレート自身は非常に小さい円筒管または微小管の束から形成され、並列方向に一緒に融接されていた。その後その束がスライスされマイクロチャネルプレートが形成される。これらの小さい円筒管の束はマイクロチャネルプレートの厚さ方向に沿った長さを有する。すなわち、束のスライスまたはプレートの厚さは、サイズまたは横方向の長さに比べあまり大きくはないが、個々のマイクロチャネルは非常に小さくマイクロチャネルプレートの厚さ方向の長さはその直径の数倍になる。したがって、マイクロチャネルプレートは平行な対向面を有する薄いプレートの外観を有する。

当該プレートはマイクロチャネルプレートの面の間を連結する数百万本の微視的な管またはチャネルを含む。各管はプレートの対向面の対端において通路またはチャネル開口を形成する。また、各管はプレートの平行な対向面から垂直方向に関してわずかに傾斜しており、その結果プレートに垂直に近づく電子は内側面と相互作用せずに多くのマイクロチャネルのひとつを単純に通過することができない。

可視イメージを生成するためにマイクロチャネルプレートから蛍光スクリーンへ電子シャワーを向ける代わりに、電子シャワーは、光電陰極に入射する光または他の放射フラックスを示す電気信号を生成するために陽極に向けられてもよい。陰極線スクリーンに表示するための電気的操作によりモザイクイメージを生成するよう電気的アナログ信号が採用される。他に、このようなマイクロチャネルプレートは電子の自由空間の流れを有するデバイスにおいて利得ブロックとして使用される。すなわち、マイクロチャネルプレートは、入力パターンよりかなり高い電子密度で、入力パターンを模写する電子の空間的出力パターンを与える。このような装置は電子を生成する高エネルギー粒子相互作用を検出するための粒子カウンタとして有用である。

選択されたデータ出力フォーマットと無関係に、マイクロチャネルプレートを利用するイメージ増強管または他の装置の感度はマイクロチャネルプレートにより与えられた電子増幅の量または利得に直接関連する。すなわち、各々の光電子がマイクロチャネルに入射しその壁をたたく際、二次電子は光電子が最初に衝突した場所からたたき出されるかまたは放出される。マイクロチャネルの壁は概して、ひとつの活性電子が壁に触れる度に複数の電子が放出されるような物理的特性を有する。言い換えれば、壁の材料は二次電子放出の高い効率を有し、壁の電子放出率は１より大きい。

マイクロチャネルプレートを横切る静電場により促がされると、二次電子は光電陰極及び入射地点からマイクロチャネルプレートの離れた面の方向へ進行する。経路の途中、各二次電子は繰返しマイクロチャネルプレートの壁と相互作用して、付加的な電子の放出が生じる。統計的に、いくつかの電子はマイクロチャネルプレートの材料中に吸収され、その結果光電子はプレートから逃げない。しかし、二次電子はマイクロチャネルプレートの長さ方向に沿って増加または流れ続ける。これらの電子はマイクロチャネル管に沿ってさらに付加的な電子の放出を促進する。放出された電子数はマイクロチャネルプレートの長さ方向に沿って増加し、管に入るオリジナルの光電子の各々から生じる電子のカスケードを与える。上記したように、この電子カスケードはマイクロチャネルプレートの個々の通路に存在し、他の静電場の影響下でディスプレイ電極または蛍光スクリーン上の対応する位置方向へ加速される。他のマイクロチャネルから放出された電子と平均化すると、マイクロチャネルから放出される電子数はマイクロチャネルプレートの理論的増幅または利得と同等である。

オリジナルイメージの強度が数回増幅される間に、さまざまな要因が処理効率を妨害し、それによって装置の感度が低下する。例えば、マイクロチャネルプレートの固有のひとつの問題は、光電陰極から放出された光電子はわずかに傾斜したマイクロチャネルプレートのひとつに入射できないかもしれないが、マイクロチャネル管の開口間領域内のプレートの絶壁導体面に衝突する。この跳ね返った光電子は、その後光電陰極の適正な位置と位置合わせされていないマイクロチャネルプレートの一部から多くの二次電子を生成し、信号対ノイズ比を減少させ、イメージ増強管により生成されるイメージを視覚的に歪ませる。それ以外に、迷走する電子はプレートの金属化導体面により単純に吸収され、検出器の陽極により生成されたイメージまたは信号の一部を生成するのに増幅されない。

もちろん、この問題に対する１つの解は、Richard E. Wilcoxによる１９８８年４月１２日発行の米国特許第4,737,013号に記載されるように、マイクロチャネルプレートの入力面上のマイクロチャネル孔数を増加させることである。
米国特許第4,737,013号

各マイクロチャネルの回りにエッチングバリアを使用することにより、この特定のマイクロチャネルプレートは、プレート面積に対するマイクロチャネルの総開口面積の比率を改善する。特定的に、プレート内に組み込まれたエッチングバリアにより、プレート中のマイクロチャネル管のより精確なエッチングが可能となる。この技術により、プレートはプレート活性面の９０％までの理論的開口率(OAR)で製造されることが可能になる。結果として、光電子はマイクロチャネルプレートのひとつをはずし難くなり、マイクロチャネルプレート面に衝突して他のマイクロチャネル内に跳ね返され難くなる。この高いOARによりイメージ増強管の信号対ノイズ比が改善される。

OARを増加させる第２の方法はRobert L. Pierleらによる、１９９６年２月２０日発行の米国特許第5,493,169号、及びその分割である１９８８年７月７日発行の米国特許第5,776,538号に開示されている。当該方法は、第１及び第２クラッドガラス並びにコアガラスからマイクロチャネルプレートを形成する工程と、その後３つの異なるエッチング処理工程から成る。複数のエッチング工程及び少なくとも３種類のガラスが、マイクロチャネルプレートを形成するよう選択されたガラス部分をエッチングするのに必要である。第１クラッドガラスは酸がマイクロチャネルプレートの壁を通じて完全にエッチングされるのを防ぐために使用される（米国特許第5,493,169号第１５欄第６１行〜６３行）。

上記文献は多くの利点及び技術的な改良を紹介しかつ開示しているが、本発明により達成される特定の目的を完全に実現していない。

本発明の目的は、増加した電子放出利得及び改善された信号対ノイズ比の両方を有する改良されたマイクロチャネルプレートを与えることである。

本発明の他の目的、利点及び特徴は、本発明の好適実施例が示される以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明に従い、光電子を受けるためのマイクロチャネルプレートは、一種類のクラッドガラスから成る複数の微小管から形成され、一対の対向面を画成するプレート状の基板ウエブを含む。基板ウエブはさらに対向面間で伸長しかつ対向面の両方に開口を有する複数のマイクロチャネル通路を含む。マイクロチャネル開口は少なくとも１つの対向面を有する基板ウエブに形成された漏斗状の開口を有する。

以下に、本発明の特定の好適実施例が図面を参照して詳細に説明されるが、好適実施例は例示であって、発明の態様を制限するものではない。

本発明の上記目的、利点及び特徴を達成する方法を詳細に理解できるように、本発明の特定の説明が図面に示された好適実施例を参照して為される。すべての図面において、同一符号は同一要素を示す。

光電子を受け取るためのマイクロチャネルプレート(P)は一種類のクラッドガラス(12)から成る複数の微小管(10)から形成され、一対の対向面(14a及び14b)を画成するプレート状の基板ウエブ(W)を含む。基板ウエブWはさらに対向面(14a及び14b)の間に伸長しかつ対向面(14a及び14b)の両方に開口(18a及び18b)を有する複数のマイクロチャネル通路(16)を含む。マイクロチャネル開口(18)は少なくとも１つの対向面(14)により基板ウエブ(W)に形成された漏斗状の入口または開口(20)を有する。

本発明のマイクロチャネルプレート(P)の製造工程において、コアガラス(24)及び第１クラッドガラス(12)を含む２つの対向面(14)を有するマイクロチャネルプレートのプリフォーム(22)が最初に所望の時間間隔でエッチングされる。第１エッチングにより、コア(24)と第１クラッドガラス(12)との接触部分に漏斗状開口(20)が形成される。第１エッチングは所望により対向面の片方または両方で実行される。第１エッチングされたマイクロチャネルプレート(22)はその後、残りのコアガラス(24)を完全に除去するべく第２エッチング処理にさらされ、それによりプレート状の基板ウエブWが形成される。

第１クラッドガラス(12)とコアガラス(24)との化学的性質の違いにより、コアガラスロッド(24)を包囲するクラッドガラス製の複数の微小管(10)が一緒に融接するところのプリフォーム状態で、マイクロチャネルプレートから選択的かつ直接的にコアガラスが除去される。このような処理はここに参考文献として組み込む米国特許第4,737,013号及び第5,776,538号に記載されている。

本発明において、マイクロチャネルプレートウエブWを形成するのに、コア24及びクラッド12の２種類のガラスのみが使用される。漏斗状開口20は、フッ化水素酸のような適当な周知の酸によりプリフォーム状態でコアガラス及びクラッドガラスをエッチングすることにより実際に形成される。最初に、酸は両者のガラスが接触する壁面26を攻撃する。コア24はチャネルの深さ方向を保護するためのマスクとして機能する。

続いて、コアガラス24は、塩酸のような第２のエッチング酸により完全にエッチング除去される。コアガラス24の除去により、ウエブWを形成するマイクロチャネル16が現れる。

付加的に、漏斗形状の入口20はマイクロチャネルプレートPの両側14に形成され、例えば隣接するチャネル16を分割する壁厚は３０００オングストローム以下である。チャネルの直径及び漏斗の深さは既存の技術を使って高精度で測定することができる。

開口率(OAR)は、プリフォーム22が第１エッチング酸にさらされる時間の長さ（エッチング時間）を調節することにより制御され、それにより漏斗開口部のサイズ及び深さを制御することができる。

マイクロチャネルプレートPに漏斗状開口20を形成する本発明に係る方法は概して、従来技術より高い信号対ノイズ比を得ることができる。１.８以下のノイズ因子が達成される。また、改良された変調伝達関数(MTF)も得られる。

アクリルのようなレジストまたは簡単に除去できる他のマスク材料によってマイクロチャネルプレートPの片方14をマスクすることにより、例えば片方の入力側のみをエッチングすることが可能となり、所望により両側を同時にエッチングすることもできる。

上記本発明の開示及び説明は例示に過ぎず、発明の思想から離れることなく構成上のさまざまな変更が可能である。

図１は、本発明のマイクロチャネルプレートの一部の平面図である。 図２は、図１の線２−２に沿って取られた部分断面図である。 図３Aは、コアガラスが完全にエッチングされる前の部分的にエッチングされたマイクロチャネルプレートのアイソマー図である。 図３Bは、コア及びクラッドガラスの両方を有する１つのマイクロチューブの断面図である。 図４は、本発明のマイクロチャネルのアイソマー図である。 図５は、マイクロチャネルプレートの両対向面の漏斗を示す、図１の線２−２に沿って取られた他の断面図である。 図６は、漏斗状開口を有する本発明のマイクロチャネルプレートを製造するためのフローチャートである。

Claims (7)

1. 光電子を受け取るためのマイクロチャネルプレートであって、
   一種類の溶性クラッドガラスから成る複数の微小管から形成され、一対の対向面を画成するプレート状の基板ウエブであり、該基板ウエブは、対向面の間に伸長し対向面の両側にマイクロチャネル開口を有する複数のマイクロチャネル通路を含み、該マイクロチャネル開口は対向面の少なくとも一方の基板ウエブに形成された漏斗状開口を有する、ところの基板ウエブから成り、
   マイクロチャネルプレートは前記一種類の溶性クラッドガラスと、化学的性質の異なるコアガラスとの二種類のガラスから成るマイクロチャネルプレートのプリフォームから形成され、該マイクロチャネルプレートのプリフォームは対向面の少なくとも一方において前記コアガラスと前記クラッドガラスの接触部に漏斗状開口を作成するべく選択された第１の酸により所望の時間間隔の間第１エッチング処理され、その後第１エッチングされた前記マイクロチャネルプレートの前記プリフォームは残った前記コアガラスを除去するべく選択された第２の酸により第２エッチング処理され、それによりプレート状基板ウエブが形成される、ところのマイクロチャネルプレート。
2. マイクロチャネルプレートを製造するための方法であって、
   対向面の一方または両方においてコアガラスとクラッドガラスの接触部に漏斗状開口を作成するべく、一種類の溶性クラッドガラスと、化学的性質の異なるコアガラスとの二種類のガラスから成る２つの対向面を有するマイクロチャネルプレートのプリフォームを選択された第１の酸によって所望の時間間隔の間エッチング処理する工程と、
   第１エッチング処理されたマイクロチャネルプレートのプリフォームを残ったコアガラスを除去するべく選択された第２の酸によって第２エッチング処理し、プレート状の基板ウエブを形成する工程と、
   から成る方法。
3. 請求項１に記載のマイクロチャネルプレートであって、第１の酸はフッ化水素酸である、ところのマイクロチャネルプレート。
4. 請求項１に記載のマイクロチャネルプレートであって、第２の酸は塩酸である、ところのマイクロチャネルプレート。
5. 請求項２に記載の方法であって、第１の酸はフッ化水素酸である、ところの方法。
6. 請求項２に記載の方法であって、第２の酸は塩酸である、ところの方法。
7. マイクロチャネルプレートのプリフォームであって、
   一種類の溶性クラッドガラスから成る複数の隣接する微小管から形成され、一対の対向面を画成するプレート状基板であり、該微小管は前記一種類の溶性クラッドガラスと、その内部の化学的性質の異なる溶性コアガラスとの二種類のガラスから成るところのプレート状基板から成る、マイクロチャネルプレートのプリフォーム。

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