JP4429750B2

JP4429750B2 - マイクロチャンネルプレートを用いた検出器

Info

Publication number: JP4429750B2
Application number: JP2004023683A
Authority: JP
Inventors: 貴之鈴木; 修士工藤; 淳田村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005216742A; US20050184249A1; US7049605B2

Description

本発明は、イオンや電子などの荷電粒子等を検出するためのマイクロチャンネルプレートを用いた粒子検出器に関する。

マイクロチャンネルプレート（以下ＭＣＰという）は、微弱なイオンや電子等を検出するために用いられている。ＭＣＰは、ガラス板に多数の孔を穿つと共に、ガラス板の両側の表面に導電膜を形成する。更に、穿たれた多数の孔の内部表面に適宜な高抵抗値の物質を塗布する。

この結果、ガラス板の両側の表面の導電膜の間に例えば、２ｋＶ程度の電圧を印加すると、孔の一方の端部と他方の端部との間には、電位勾配が形成される。なお、塗布される抵抗性の物質は、２次電子放出能の高い物質が選ばれ、孔の内部表面はダイノードとして作用する。

このような構成において、更に、イオンや電子が入射する面には、イオンや電子が加速して多数の孔の内部に入射するように加速電圧が印加される。ここで、加速して多数の孔の内部に入ったイオンや電子は、孔の内部の抵抗性物質に衝突して２次電子を発生させる。発生した２次電子は、電位勾配を有した孔の内部の抵抗性物質に加速して多重衝突し、その結果、電子が孔の内部で増倍される。増倍された電子は、孔の出口からアノードに向けて出射する。

図１は上記したＭＣＰを用いたイオン検出器の一例を示している。図中１ａ,１ｂはそれぞれＭＣＰであり、この２枚のＭＣＰは重ね合わせて用いられている。このＭＣＰ１ａのイオン入射面には、イオン加速高圧電源２から、例えば−４ｋＶの高電圧が印加されている。

また、重ね合わされた２枚のＭＣＰ１ａと１ｂのイオン入射面と増倍された電子の出射面との間には、例えば２．１ｋＶの高電圧を発生するＭＣＰ高電圧電源３から分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２により、例えば、２ｋＶ程度の高電圧が印加されている。この結果、ＭＣＰ１ｂの２次電子出射面の電位は−２ｋＶとなる。また、アノード４にも抵抗Ｒ３を介して、０．１ｋＶの電圧が印加され、アノード４の電位は−１．９ｋＶとなる。

ＭＣＰ１ｂの電子出射面は、コンデンサＣ２を介してグラウンドに接続されている。これは、ＭＣＰ１ｂの電子出射面から電子がまとまって出射された瞬間に、電子出射面の電位が変化することを防ぎ、結果として検出器の時間応答特性を改善し信号の歪みを最小限に抑えるためである。

アノード４に入射した電子の量に応じた信号は、コンデンサＣ１により直流分がカットされて取り出され、グラウンド電位で動作する増幅器７に供給されて増幅される。

このような構成において、ＭＣＰ１ａのイオン入射面に印加された負の高電圧により、イオンは加速されてＭＣＰ内に入射する。入射したイオンは、ＭＣＰの孔の内面に衝突して２次電子を発生させる。この発生した２次電子は、孔の内部に電位勾配が形成されているので、さらに孔の内面に多重衝突し、多量の２次電子を発生させる。

このようにして、孔の内部において入射したイオンの数に比例した２次電子がＭＣＰ１ｂの出射面から得られ、この２次電子は、ＭＣＰ１ｂの出射面の電位より高い電位のアノード４に向け加速され、このアノード４に衝突する。アノード４に入射した電子の量に応じた信号は、コンデンサＣ１により直流分がカットされて取り出され、グラウンド電位で動作する増幅器７に供給されて増幅される。

この種の装置の先行技術としては、ＭＣＰの出力側にアノード電極を配置し、アノード電極とグランド電極との間に誘電体部材を挟むようになし、アノード電極で捉えられた荷電粒子に基づく信号を同軸ケーブルで伝送するようになし、アノード電極と同軸ケーブルとのインピーダンスマッチングを誘電体部材の厚みの選択及び／又は比誘電率の選択により成しているものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−２７３８６７号公報

上記したＭＣＰ検出器は、現状では耐圧が３〜４ｋＶが限界であり、また、ＭＣＰ自体の大きさも直径が２０ｍｍ以下のものしかなく、更に大きなＭＣＰを用いた、高速・高耐圧のＭＣＰ検出器が望まれている。なお、高耐圧用コンデンサを真空内で用いた場合、３ｋＶ以上の電圧で動作させると、コンデンサを含む周辺のトリプルジャンクションの影響で、コンデンサを形成する電極や誘電体等の表面の微小な突起部分からのフィールドエミッションによる放電現象が生じるため、実用に耐えない。

また、高耐圧性の有機ポリマーをコンデンサとして用いると、ＭＣＰの大きさに依存することなく、また、耐圧を気にすることなく動作が可能となる。しかしながら、このアノードに接着される有機ポリマーの外縁の電圧が不安定となり、ポリマーの外縁において、フィールドエミッションによる放電が発生する。

また、ＭＣＰを用いた検出器の大きな特徴は応答信号の高速性である。高速でノイズの少ない信号を得るためには、図１のＣ１の容量と、Ｃ２の容量および接地位置からＣ２を介して１ｂ側ＭＣＰ電極までの距離に依存したインダクタンスを最適化する必要がある。特に信号の戻り経路であるＡ点からＢ点（図１参照）を最短で結ぶような検出器の構造を実現しなければならない。

更に、Ｃ２にもＣ１と同じ高耐圧性能が要求される。したがって、本発明において解決しようとする課題は、放電を抑制し高電圧下での動作に耐えかつ、同時に高速応答信号を取り出すことのできる検出器の構造を提供することにある。

本発明は、ＭＣＰからの２次電子をカップリングコンデンサの一部を形成するアノードに入射させるが、カップリングコンデンサのアノードの外側にリング状の電極を設けて第２のコンデンサを形成し、更にコンデンサを形成する誘電体の外縁部分に電極を設け、アノード電位と第２のコンデンサを形成する一方の電極の電位を接近させて、アノード周辺の電位勾配を低くすることによって、アノード近辺における放電を防止し、更に、外縁電極の電位を安定化させることにより、誘電体の外縁部分におけるフィールドエミッションを防止する。

本発明は、ＭＣＰからの２次電子をカップリングコンデンサの一部を形成するアノードに入射させるが、カップリングコンデンサのアノードの外側にリング状の電極を設けて第２のコンデンサを形成し、更にコンデンサを形成する誘電体の外縁部分に電極を設け、アノード電位と第２のコンデンサを形成する一方の電極の電位を接近させて、アノード周辺の電位勾配を低くするように構成したので、アノード近辺における放電を防止することができる。また、外縁電極の電位を安定化させたので、誘電体の外縁部分におけるフィールドエミッションを防止し、外縁部分での放電を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図２は本発明に基づく検出回路を含む検出器の全体を示しており、図１と同一ないしは類似の構成要素には同一番号を付してある。図中１ａ、１ｂはそれぞれＭＣＰであり、この２枚のＭＣＰは重ね合わせて用いられている。このＭＣＰ１ａのイオン入射面には、イオン加速高圧電源２から、例えば−７ｋＶの高電圧が印加されている。

また、重ね合わされた２枚のＭＣＰ１ａと１ｂのイオン入射面と増倍された電子の出射面との間には、例えば２．１ｋＶの高電圧を発生するＭＣＰ高電圧電源３から分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２により、２ｋＶ程度の高電圧が印加されている。この結果、ＭＣＰ１ｂの出射面の電位は−５ｋＶとなる。また、カップリングコンデンサ１０の一部を形成するアノード１１にも抵抗Ｒ３を介して、０．１ｋＶ程度の電圧が印加され、アノード１１の電位は−４．９ｋＶとなる。

さて、このカップリングコンデンサ１０の構成を図３を用いて説明する。図３（ａ）はカップリングコンデンサ１０の正面図、（ｂ）は側面図である。図中１２は、リング状に形成された有機ポリマーのごとき誘電体であり、誘電体１２の中心部分の一方の側面にリング状のアノード１１が貼り付けられており、誘電体１２を間に挟んでアノードに対向する位置にリング状の電極１３が貼り付けられている。

また、アノード１１と電極１３の外側には、アノード１１と電極１３と同心状にリング状の電極１４、１５が対向して誘電体１２に貼りつけられている。更に電極１４、１５の外側の誘電体１２の外縁部分に、リング状の電極１６、１７が設けられている。更に、誘電体１２の外縁部分を覆ってリング状の電極１８が設けられているが、この電極１８は、リング状電極１６、１７と電気的に接続されている。なお、リング状電極１４と１６は、分圧用抵抗Ｒ４によって接続されており、リング状電極１５と１７は、分圧用抵抗Ｒ５によって接続されている。

このような構成のカップリングコンデンサにおいて、アノード１１は抵抗Ｒ３を介してＭＣＰ高電圧電源３に接続されている。また、リング状電極１４は、ＭＣＰ１ｂの２次電子出射面と同電位にされており、電極１５はグラウンド電位とされている。更に、電極１３は増幅器７に接続されている。なお、ＭＣＰ１およびカップリングコンデンサ１０は、真空中に配置されている。

このようにして、孔の内部において入射したイオンの数に比例した２次電子がＭＣＰ１ｂの出射面から得られ、この２次電子は、ＭＣＰ１ｂの出射面の電位より高い電位のアノード１１に向け加速され、このアノード１１に衝突する。アノード１１に入射した電子の量に応じた信号は、コンデンサカップリングにより電極１３より取り出され、グラウンド電位で動作する増幅器７に供給されて増幅される。

さて、カップリングコンデンサ１０のアノード１１の電位は−４．９ｋＶの高い電位とされているが、アノード１１の外側のリング状の電極１４には−５ｋＶの電圧が印加されている。その結果、アノード１１と電極１４との間の電位差は小さくなり、電界が緩和されるため、アノード１１の周辺での放電は防止される。

また、誘電体１２の外縁には電極１８が設けられ、この電極１８は、分圧抵抗Ｒ４，Ｒ５によって、例えば、−２．５ｋＶの安定した電位に維持される。その結果、誘電体１２の外縁において、電位が不安定となって、フィールドエミッションが生じることはなくなり、放電も生じないことになる。この結果、ＭＣＰをより高い電圧で動作させることができる。

また、図２の１４と１５の電極は１２の誘電体を介して第２のコンデンサを形成している。これは、図１で示したＣ２に相当する機能を実現するようにできている。このように接地電極とＭＣＰを結ぶコンデンサＣ２をアノード１１の直近に一体構造として構成することにより、接地位置からＭＣＰ電極までを最短でつなぐことが可能になっていると同時に、Ｒ４、Ｒ５の分圧抵抗で周辺電極との電位差が緩和されているので、この部分の放電も抑制される。

また、ＭＣＰ１ｂの電子出射面は、誘電体１２を電極１４，１５で挟んで構成されたコンデンサＣ２（図示せず）を介してグラウンドに接続されているため、ＭＣＰ１ｂの電子出射面から電子がまとまって出射された瞬間に、電子出射面の電位が変化することを防ぎ、結果として検出器の時間応答特性を改善し、信号の歪みを最小限に抑えることができる。

以上本発明の一実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることなく幾多の変形が可能である。例えば、ＭＣＰやカップリングコンデンサの各部分の電位の値は例示であり、その電位に限定されるものではない。また、リング状電極１４をＭＣＰ１ｂの２次電子出射面に接続し、２次電子出射面と同電位としたが、別の電源を用いてリング状電極１４の電位を設定するようにしても良い。更に、イオンを検出する場合について説明したが、電子やＸ線などの検出にも本発明を適用することができる。

本発明は、微弱なイオンや電子等を検出する分野で利用される。

従来のＭＣＰを用いた検出器を示す図である。本発明に基づくＭＣＰを用いた検出器を示す図である。図２の検出器に用いられるカップリングコンデンサの正面図と側面図を示す。

符号の説明

１ａ、１ｂマイクロチャンネルプレート
２イオン加速高圧電源
３ＭＣＰ高電圧電源
１０カップリングコンデンサ
１１アノード
１２誘電体
１３リング状電極
１４、１５、１６、１７リング状電極
１８外縁電極

Claims

マイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートの２次電子出射面に対向して配置された円盤状のアノードと、アノードが中心部分に取り付けられた誘電体と、誘電体を間に挟んでアノードと対向して配置され、アノードと共にコンデンサを形成する円盤状の電極と、アノードと円盤状の電極の、半径方向外側に配置され、前記誘電体と共通の誘電体を間に挟んで第２のコンデンサを形成する第１と第２のリング状電極と、マイクロチャンネルプレートの粒子入射面に高電圧を印加するための電源と、マイクロチャンネルプレートの粒子入射面と２次電子出射面との間に電位勾配を設けるための電源とを備えており、アノードがある面の側に設けた第１のリング状電極の電位をアノードの電位に放電が起きない程度に接近した電位とするマイクロチャンネルプレートを用いた検出器。
マイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートの２次電子出射面に対向して配置された円盤状のアノードと、アノードが中心部分に取り付けられた誘電体と、誘電体を間に挟んでアノードと対向して配置され、アノードと共にコンデンサを形成する円盤状の電極と、アノードと円盤状の電極の、半径方向外側に配置され、前記誘電体と共通の誘電体を間に挟んで第２のコンデンサを形成する第１と第２のリング状電極と、第１と第２のリング状電極の半径方向外側に配置され、誘電体の外縁部分を覆うように配置された外縁電極と、アノードがある面の側に設けた第１のリング状電極と外縁電極との間に設けられた分圧用抵抗と、第２のリング状電極と外縁電極との間に設けられた分圧用抵抗と、マイクロチャンネルプレートの粒子入射面に高電圧を印加するための電源と、マイクロチャンネルプレートの粒子入射面と２次電子出射面との間に電位勾配を設けるための電源とを備えており、第１のリング状電極の電位をアノードの電位に放電が起きない程度に接近した電位とし、外縁電極の電位を分圧抵抗により安定化させるように構成したマイクロチャンネルプレートを用いた検出器。
第１のリング状電極の電位をチャンネルプレートの２次電子出射面の電位と等しくした請求項２記載のマイクロチャンネルプレートを用いた検出器。
マイクロチャンネルプレートと誘電体を間に挟んだカップリングコンデンサは、真空中に配置されている請求項２又は３記載のマイクロチャンネルプレートを用いた検出器。
マイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートの２次電子出射面に対向して配置されたアノードと、接地電極とマイクロチャンネルプレートを接続するコンデンサとを備え、該コンデンサはアノードの近くに配置されてアノードと同一の誘電体上に形成されていることを特徴とするマイクロチャンネルプレートを用いた検出器。