JP5290804B2 - 光電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明は、外部からの入射光を検出する光電子増倍管に関するものである。

従来から、微細加工技術を利用した小型の光電子増倍管の開発が進められている。例えば、透光性の絶縁基板上に光電面、ダイノード、及びアノードが配置された平面型の光電子増倍管が知られている（下記特許文献１参照）。このような構造によって、微弱光の検出が高い信頼度で実現されるとともに、装置の小型化も図られている。

米国特許第５，２６４，６９３号明細書

しかしながら、上述したような従来の光電子増倍管では、各段のダイノード間に挟まれた絶縁基板の表面に増倍された電子が入射しやすい傾向にある。そのため、絶縁基板が帯電してしまって耐電圧が低下してしまう場合があった。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、ダイノード間の絶縁部分への電子の入射を防止して、耐電圧の改善を図ることが可能な光電子増倍管を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光電子増倍管は、絶縁材料からなる平面が形成された基板を有する筐体と、基板の平面上の一端側から他端側に向けて、順に離間して配列された第１段〜第Ｎ段（Ｎは２以上の整数）の電子増倍部と、一端側に電子増倍部と離間して設けられ、外部からの入射光を光電子に変換して、光電子を放出する光電面と、他端側に電子増倍部と離間して設けられ、電子増倍部によって増倍された電子を信号として取り出す陽極部と、を備える光電子増倍管であって、基板の平面上には、隣接する２つの電子増倍部間に、表面が絶縁材料からなる溝部が形成され、第１段〜第Ｎ段の電子増倍部は、基板の溝部に隣接し、絶縁材料からなる凸部上に固定されている、ことを特徴とする。

このような光電子増倍管によれば、入射光が光電面に入射することによって光電子に変換され、この光電子が基板上の複数段の電子増倍部に入射することによって増倍され、増倍された電子が電気信号として陽極部から取り出される。その際、隣接する電子増倍部間の基板の表面には絶縁性の溝部が形成されているので、隣接する電子増倍部間を通過する電子の基板表面への入射を防ぐことができる。これにより、基板表面の帯電による耐電圧の低下を防止することができる。

溝部は、第Ｋ−１段目の電子増倍部の他端側の縁部から第Ｋ段目（Ｋは２以上Ｎ以下の整数）の電子増倍部の一端側の縁部で挟まれる範囲にわたって形成されている、ことが好適である。この場合、隣接する電子増倍部間の電子軌道を基板の表面から確実に分離させることができるので、基板表面への電子の入射を効果的に防止することが出来る。

また、溝部は、第Ｋ段目の電子増倍部の一端側の縁部よりも他端側に拡がって形成されている、ことも好適である。かかる構成を採れば、隣接する電子増倍部間を通過する電子が溝部の他端側に入射することが少なくなるので、基板表面への電子の入射をより一層防止することが出来る。

さらに、溝部は、第Ｋ−１段目の電子増倍部の他端側の縁部よりも一端側に拡がって形成されている、ことも好適である。この場合、隣接する電子増倍部間を通過する電子が溝部の一端側に入射することが少なくなるので、基板表面への電子の入射をより一層防止することが出来る。

またさらに、基板の前記平面上には、凸部の端部において隣接する溝部の間を連通する溝部がさらに形成されていることも好適である。こうすれば、凸部上の電子増倍部が基板から分離されることになり、耐電圧がさらに改善される。

本発明によれば、ダイノード間の絶縁部分への電子の入射を防止して、耐電圧の改善を図ることができる。

本発明の好適な一実施形態に係る光電子増倍管の斜視図である。 図１の光電子増倍管の分解斜視図である。 図１の光電子増倍管の内部構造を示す一部破断斜視図である。 図３の電子増倍部及び下側フレームのIV−IV線に沿った一部拡大断面図である。 図３の電子増倍部における電子軌道を示す側面図である。 図３の電子増倍部の加工方法を説明するための断面図である。 図３の電子増倍部及び下側フレームの変形例を示す一部拡大断面図である。 図３の電子増倍部及び下側フレームの変形例を示す一部拡大断面図である。 図３の電子増倍部及び下側フレームの変形例を示す一部拡大断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光電子増倍管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る光電子増倍管１の斜視図、図２は、図１の光電子増倍管１の分解斜視図である。

図１に示す光電子増倍管１は、透過型の光電面を有する光電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された筐体を備える。この光電子増倍管１は、光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の増倍方向が交差する、つまり図１の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に二次電子をカスケード増幅し、陽極部から信号を取り出す電子管である。

なお、以下の説明においては、電子増倍方向に沿って、電子増倍経路の上流側（光電面側）を“一端側”とし、下流側（陽極部側）を“他端側”とする。引き続いて、光電子増倍管１の各構成要素について詳細に説明する。

図２に示すように、上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０には、その主面２０ａおよび主面２０ａに対向する面２０ｂとの間を貫通し、後述する光電面２２や集束電極３７、電子増倍部３１、及び陽極部３２と電気的に接続されて外部からの給電や信号の取り出しを行う複数の導電性端子２０１が設けられている。なお、図１及び図２中において、導電性端子２０１は図面の簡略化のために一部省略して記載されている。また、上側フレーム２は、導電性端子２０１を設けたガラス基板に限らず、外部からの給電や信号の取り出しを行う回路構造を内蔵させた、積層セラミックからなる板状部材でもよい。なお、光電面２２と集束電極３７が同電位の場合には、共通の導電性端子としても良い。

側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、枠状の側壁部３０２に囲まれた貫通部３０１が形成されている。この貫通部３０１はその開口が矩形であって、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。

この貫通部３０１内には、一端側から他端側に向かって、集束電極３７、電子増倍部３１、及び陽極部３２が形成されている。これらの集束電極３７、電子増倍部３１、及び陽極部３２は、シリコン基板３０をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工等によって加工することにより形成され、シリコンを主要材料としている。集束電極３７は、後述する光電面２２から放出された光電子を電子増倍部３１へと導くための電極であり、光電面２２と電子増倍部３１との間に設けられている。電子増倍部３１は、光電面２２から陽極部３２に向う電子増倍方向に沿って異なる電位に設定されるＮ段（Ｎは２以上の整数）のダイノード（電子増倍部）から構成されており、各段毎に複数の電子増倍路（チェンネル）を有している。陽極部３２は光電面２２とともに電子増倍部３１を挟む位置に配置される。これら電子増倍部３１、陽極部３２は、それぞれ、下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、さらには低融点金属（例えばインジウム）等の封止材を用いた接合等によって固定されており、これにより該下側フレーム４上に二次元的に配置される（詳細は後述する）。なお、貫通部３０１内には、光電面２２と光電面２２用の導電性端子２０１とを電気的に接続する柱状部（図示せず）も同様に形成されている。また、電子増倍部３１及び収束電極３７も対応する導電性端子２０１とそれぞれ接続されており、導電性端子２０１を介して所定電位に設定される。例えば、ダイノードが１０段で構成されている場合には、ダイノードには１００Ｖ間隔で、光電面２２に対して１００〜１０００Ｖの電圧が段階的に印加され、陽極部３２には、光電面２２に対して１１００Ｖの電圧が印加される。

下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。このガラス基板４０は、絶縁材料であるガラスによって主面４０ａ（平面）を形成している。主面４０ａ上における、側壁フレーム３の貫通部３０１に対向する部位（側壁部３０２との接合領域以外の部位）であって、陽極部３２側と反対側の端部には、透過型光電面である光電面２２が形成されている。

さらに、主面４０ａ上の光電面２２、集束電極３７、電子増倍部３１、陽極部３２が固定される範囲には、複数段のダイノードの配列方向（電子増倍方向であって図２の矢印Ｂの方向）に交差する方向に沿って複数の直線状の溝部４４が形成されている。この溝部４４は、光電面２２、集束電極３７，電子増倍部３１、陽極部３２が主面４０ａ上に固定された際の、側壁部３０２と光電面２２の間、光電面２２と集束電極３７の間、集束電極３７と電子増倍部３１の間、電子増倍部３１における各段ダイノードの間、電子増倍部３１と陽極部３２の間、及び陽極部３２と側壁部３０２の間に設けられる。この溝部４４により、光電面２２、集束電極３７，電子増倍部３１、及び陽極部３２の主面４０ａへの固定部となる凸部４５が形成される。さらに、凸部４５の電子増倍方向に対する垂直方向の端部において、隣接する溝部４４の端部を連通させる２本の溝部４６が電子増倍方向に沿って形成されている。この溝部４４，４６により、各凸部４５はそれぞれ溝を介して離間するとともに、側壁部３０２とも溝を介して離間する。なお、本実施形態においては、側壁部３０２と光電面２２の間、及び陽極部３２と側壁部３０２の間に設けられる溝部４４と２本の溝部４６は、側壁３０２の内壁面（真空側面）に沿うように設けられている。

次に、図３及び図４を参照して、光電子増倍管１の内部構造についてより詳細に説明する。図３は、光電子増倍管１の内部構造を示す一部破断斜視図であり、図４は、図３の電子増倍部３１及び下側フレーム４のIV−IV線に沿った一部拡大断面図である。

図３に示すように、電子増倍部３１は、主面４０ａ上の一端側から他端側に向けて（矢印Ｂの示す方向に向けて）、順に離間して配列された複数段のダイノードから構成されている。ダイノードの段数は特定の段数には限定されないが、同図では第１段〜第１０段のダイノード３１ａ〜３１ｊから構成される場合を例示している。

光電面２２は、この第１段のダイノード３１ａから集束電極３７を挟んだ主面４０ａ上の一端側に離間して設けられており、この光電面２２は、ガラス基板４０の主面４０ａに透過型光電面として形成されている。外部から下側フレーム４であるガラス基板４０を透過した入射光が光電面２２に到達すると、この入射光に応じた光電子が放出され、その光電子は集束電極３７によって電子増倍部３１へと導かれる。

陽極部３２は、第１０段のダイノード３１ｊから主面４０ａ上の他端側に離間して設けられており、この陽極部３２は、電子増倍部３１によって矢印Ｂの示す方向に増倍してきた電子を電気信号として外部に取り出すための電極である。

図４は図３の電子増倍部及び下側フレームのIV−IV線に沿った一部拡大断面図であり、電子増倍方向に沿った、ガラス基板４０の厚さ方向の断面図である。図４に示すように、第１段のダイノード３１ａと第２段のダイノード３１ｂは、互いに離間した状態で主面４０ａ上に固定され、それぞれのダイノード３１ａ，３１ｂの電子増倍路となる面には、アルミニウム（Ａｌ）及びアンチモン（Ｓｂ）を蒸着後、アルカリ活性することにより二次電子面３５ａ，３５ｂが形成されている。そして、主面４０ａ上の隣接する２段のダイノード３１ａ，３１ｂ間には、直線状の溝部４４ａが、矢印Ｂの示す方向に直交する方向に沿って形成されている。この溝部４４ａは、ガラス基板４０にサンドブラスト加工等の機械的な加工を施すことにより形成され、それ故に絶縁材料であるガラスによって形成された表面を有する。ここで、溝部４４ａは、フッ化水素等によるウェットエッチング、ドライエッチング等の化学的な加工によって形成してもよい。

また、第３段のダイノード３１ｃは、第２段のダイノード３１ｂから他端側に離間して主面４０ａ上に固定され、主面４０ａ上の２段のダイノード３１ｂ，３１ｃ間には、直線状の溝部４４ｂが、溝部４４ａと同一方向に沿って形成されている。同様に、第４段〜第１０段のダイノード３１ｄ〜３１ｊは、複数の溝部４４を挟んで順に離間して主面４０ａ上に固定されている。

これらの溝部４４ａ，４４ｂの存在により、第１段〜第３段のダイノード３１ａ〜３１ｃは、それぞれ、溝部４４ａ，４４ｂに隣接し溝部４４ａ，４４ｂの延在方向に沿って直線状に延びる凸部４５ａ〜４５ｃ上に接合されることになる。同様に、第４段〜第１０段のダイノード３１ｄ〜３１ｊも、複数の溝部４４に隣接する凸部４５上に接合される。凸部４５のダイノードとの接合面は平面となっており、ダイノード底面の平面との間で安定的な接合を行うことができる。

ここで、溝部４４ａは、第１段目のダイノード３１ａの主面４０ａの他端側の縁部３３ａから、第２段目のダイノードの主面４０ａの一端側の縁部３４ｂで挟まれる範囲を超えるように形成されている。すなわち、溝部４４ａは、第２段目のダイノード３１ｂの縁部３４ｂよりも主面４０ａの他端側に拡がって形成され、かつ、第１段目のダイノード３１ａの縁部３３ａよりも主面４０ａの一端側に拡がって形成されており、その底面は平面状になっている。また、溝部４４ｂも、第２段目のダイノード３１ｂの主面４０ａの他端側の縁部３３ｂと、第３段目のダイノード３１ｃの主面４０ａの一端側の縁部３４ｃとで挟まれる範囲を超えるように形成されている。同様に、ダイノード３１ｃ〜３１ｊで挟まれる全ての溝部４４が、ダイノード３１ｃ〜３１ｊの２つの縁部で挟まれる範囲を超えて形成されている。

上記のような溝部の構造によって、それぞれのダイノード３１ａ〜３１ｊの主面４０ａ上の配列方向（図３の矢印Ｂに沿った方向）に沿った接合面の幅Ｌ１が、主面４０ａの凸部４５の同方向の接合面の幅Ｌ２よりも大きくなるように設定される。なお、本実施形態では凸部の幅方向の中心とダイノードの幅方向の中心が一致するように配置されているが、一端側または他端側に偏っていても良い。

以上説明した光電子増倍管１によれば、入射光が光電面２２に入射することによって光電子に変換され、この光電子がガラス基板４０上の複数段の電子増倍部３１に入射することによって増倍され、増倍された電子が電気信号として陽極部３２から取り出される。その際、隣接する電子増倍部３１間のガラス基板４０の主面４０ａ上には絶縁性の溝部４４が形成されているので、ダイノードの二次電子面からガラス基板４０が遠ざけられ、電子増倍部３１のダイノード間を通過する電子の主面４０ａへの入射を防ぐことができる。例えば、平坦な面を持つガラス基板４０上にダイノード３１ａ，３１ｂ，３１ｃを接合した場合には（図５（ａ））、ダイノード間を通過する電子の軌道がガラス基板４０に近接しており、電子がガラス基板４０に入射しやすいのに対して、ダイノード３１ａ，３１ｂ，３１ｃ間に溝部４４ａ，４４ｂを有するガラス基板４０の場合には（図５（ｂ））、ダイノード間を通過する電子の軌道をガラス基板４０から隔離することができる。これにより、ガラス基板４０の帯電による耐電圧の低下を防止するとともに、ガラス基板４０からの発光に起因するノイズの発生の低減や電圧ヒステリシス特性および光ヒステリシス特性の改善を実現することができる。また、増倍電子によって仮にガラス基板４０が帯電したとしても、帯電領域とダイノードとの離間距離が大きくなるために、やはり耐電圧の低下を防止することができる。

さらには、光電子増倍管１によれば、電子増倍部３１の加工時の生産性の向上という利点も有する。図６は、光電子増倍管１における電子増倍部３１の加工方法を説明するための概念図である。まず、シリコン基板３０の面３０ｂ上にＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工等により各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部３６が形成され（図６（ａ）及び図６（ｂ））、それと並行して、ガラス基板４０の４０ａ上に溝部４４が形成される（図６（ｃ）及び図６（ｄ））。この除去部３６は、例えば、ダイノードの段間距離が１５０μｍとなるように形成され、溝部４４は、その深さが１５０μｍとなるように形成される。なお、ここでは溝部４４をサンドブラスト加工で掘ることにより形成しているが、平面から突出する凸部を相互に離間させて形成することで溝部４４を設けるようにしてもよい。その後、シリコン基板３０の面３０ｂとガラス基板４０の主面４０ａとが、除去部３６と溝部４４とを重ね合わせた状態で陽極接合によって接合される（図６（ｅ））。そして、シリコン基板３０の主面３０ａにＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が施されることにより、各段のダイノードが、例えば高さ８００μｍで形成される（図６（ｆ））。

上記のようにして、ガラス基板４０上にダイノードが形成された後に、Ａｌ及びＳｂが蒸着後にアルカリ活性されて二次電子面が形成される。このとき、溝部４４が存在しているためＡｌやＳｂ等の二次電子面構成材料（導電性材料）がガラス基板４０に付着して隣接ダイノード間が電気的に接続されてしまうことを防止できる。これに対して、溝部４４が無い場合には、導電性材料の付着によるダイノード段間の耐電圧低下を防ぐために、ＳＵＳ等のマスクを用いてダイノードの段間に導電性材料が付着しないようにする必要がある。従って、本実施形態の光電子増倍管１ではそのようなマスクが必要なくなり、製造効率が大幅に向上する。

さらに、光電面２２や集束電極３７、陽極部３２、側壁部３０２との間にも溝４４を設けることで、各構造間の耐電圧を改善することができる。さらに、各溝部４４の端部を連通させる溝部４６を設けることで、各凸部４５が完全に溝部４６で離間され、各構造間の耐電圧が改善される。さらに、電子増倍経路を外れた迷走電子が生じた場合にも、当該電子の基板４０への入射を防止することができるとともに、側壁部３０２を介しての外部からの影響を抑制することができる。また、製造時にもＳＵＳ等のマスクを用いて各構造間に導電性材料が付着しないようにする必要がなくなる。

なお、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、ガラス基板４０上に形成される溝部４４ａの範囲は、第１段のダイノード３１ａの縁部３３ａから第２段のダイノード３１ｂの縁部３４ｂで挟まれる範囲で形成されていればよい。

例えば、図７に示すように、溝部１４４ａの形成範囲がダイノード３１ａの縁部３３ａからダイノード３１ｂの縁部３４ｂまでの範囲と一致していてもよい。また、図８に示すように、溝部２４４ａの一端側の縁部がダイノード３１ａの縁部３３ａの位置と一致し、他端側のみがダイノード３１ｂの縁部３４ｂから拡がって形成されていてもよいし、図９に示すように、溝部３４４ａの他端側の縁部がダイノード３１ｂの縁部３４ｂの位置と一致し、一端側のみがダイノード３１ａの縁部３３ａから拡がって形成されていてもよい。なお、増倍電子の軌道をガラス基板４０の表面から分離させるという点では、図８のように電子増倍方向と対向する溝部２４４ａの他端側をダイノードの縁部よりも拡げることが望ましく、さらに好ましくは、図４のように溝部４４ａの両端側をダイノードの縁部より拡げることがより望ましい。

なお、本実施形態においては、光電面２２は透過型光電面であったが、反射型光電面でも良い。また、陽極３２は、ダイノード３１ｉとダイノード３１ｊの間に配置されても良い。

１…光電子増倍管、３１ａ〜３１ｊ（３１）…ダイノード（電子増倍部）、４５…凸部、２２…光電面、３２…陽極部、３３ａ，３３ｂ，３４ｂ，３４ｃ…縁部、４０…ガラス基板、４０ａ…主面、４４，４４ａ，４４ｂ，４６，１４４ａ，２４４ａ，３４４ａ…溝部。

Claims (5)

1. 絶縁材料からなる平面が形成された基板を有する筐体と、
   前記基板の前記平面上の一端側から他端側に向けて、順に離間して配列された第１段〜第Ｎ段（Ｎは２以上の整数）の電子増倍部と、
   前記一端側に前記電子増倍部と離間して設けられ、外部からの入射光を光電子に変換して、前記光電子を放出する光電面と、
   前記他端側に前記電子増倍部と離間して設けられ、前記電子増倍部によって増倍された電子を信号として取り出す陽極部と、
   を備える光電子増倍管であって、
   前記基板の前記平面上には、隣接する２つの前記電子増倍部間に、表面が絶縁材料からなる溝部が形成され、
   前記第１段〜第Ｎ段の電子増倍部は、前記基板の前記溝部に隣接し、絶縁材料からなる凸部上に固定されている、
   ことを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記溝部は、第Ｋ−１段目の電子増倍部の前記他端側の縁部から第Ｋ段目（Ｋは２以上Ｎ以下の整数）の電子増倍部の前記一端側の縁部で挟まれる範囲にわたって形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
3. 前記溝部は、前記第Ｋ段目の電子増倍部の前記一端側の縁部よりも他端側に拡がって形成されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
4. 前記溝部は、前記第Ｋ−１段目の電子増倍部の前記他端側の縁部よりも一端側に拡がって形成されている、
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の光電子増倍管。
5. 前記基板の前記平面上には、前記凸部の端部において隣接する前記溝部の間を連通する溝部がさらに形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電子増倍管。

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