JP5789021B2 - 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、筐体を構成する基板上に光電面、ダイノード、アノード等が配置された薄型の光電子増倍管が知られている（下記特許文献１参照）。このような構造を採用することで、２段階の製造プロセスで装置の微細加工が実現される。

米国特許第５，５６８，０１３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、光電面から放出された光電子は、筐体の電位によってはその一部が電子増倍部に入射することなく筐体を構成する側管や基板等に入射してしまう場合がある。このように光電子が電子増倍部以外に逸れて入射してしまうと検出感度の低下の原因となってしまう。

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、光電面から放出された光電子を効率的に電子増倍部に入射させることにより検出感度を向上させ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、互いに対向して配置され、それぞれの対向面が絶縁材料からなる第１及び第２の基板と、第１及び第２の基板と共に筐体を構成する側壁部と、第１の基板の対向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複数段の電子増倍部と、一端側に電子増倍部から離間して設けられ、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から離間して設けられ、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、対向面と正対する方向から見て、内壁が光電面を取り囲むように配置され、他端側の電子増倍部と対向する部位に切り欠き部が形成された壁状電極と、光電面と対向するように対向面上に配置された導電膜と、を備える。

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、この光電子が第１の基板の対向面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。ここで、光電面は基板の対向面と正対する方向から見て、壁状電極によって取り囲まれており、その壁状電極の他端側には切り欠き部が形成されているので、光電面からの光電子が電子増倍部に向けて効率的に導かれる結果、光電面への入射光の検出感度を向上させることができる。

壁状電極と導電膜とが電気的に接続されている、ことが好適である。

また、壁状電極はシリコンからなる、ことも好適である。

さらに、壁状電極の隅部には、導電膜との接続用の給電部が立設されている、ことも好適である。

またさらに、切り欠き部の内側には、光電面から放出された光電子を集束して電子増倍部に導くための集束電極が設けられている、ことも好適である。この場合、光電子を電子増倍部に向けてより効率的に導くことができ、入射光の検出感度のさらなる向上が実現される。

さらにまた、集束電極は、切り欠き部の両端部をつなぐように設けられた薄板状部材から対向面に対してほぼ垂直に延びるように形成されている、ことも好適である。

また、壁状電極には、第２の導電膜を介して光電面と電気的に接続するための平板状の接続部が形成されている、ことも好適である。

本発明によれば、光電面から放出された光電子を効率的に電子増倍部に入射させることにより検出感度を向上させることができる。

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の側壁フレームの平面図である。 （ａ）は、図１の上側フレームを裏面側から見た底面図、（ｂ）は、図１の側壁フレームの平面図である。 図４の上側フレームと側壁フレームとの接続状態を示す斜視図である。 本発明の変形例に係る光電子増倍管の分解斜視図である。 本発明の別の変形例に係る光電子増倍管の分解斜視図である。 本発明の別の変形例に係る光電子増倍管の分解斜視図である。 本発明の別の変形例に係る光電子増倍管の分解斜視図である。 図３の側壁フレームから壁状電極を取り除いた側壁フレームの平面図である。

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、図３は、図１の側壁フレーム３の平面図である。

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（第２の基板）２と、側壁フレーム（側壁部）３と、上側フレーム２に対して側壁フレーム３を挟んで対向する下側フレーム（第１の基板）４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（電子増倍チャネル）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、矩形平板状の絶縁性のセラミックスを主材料とする配線基板２０を基材として構成されている。このような配線基板としては、微細な配線設計が可能で、かつ表裏の配線パターンを自由に設計できるＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）等の多層配線基板が用いられる。配線基板２０には、その主面２０ｂ上に、側壁フレーム３、後述する光電面４１、集束電極３１、壁状電極３２、電子増倍部３３、及び陽極部３４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２０１Ａ〜Ｄが設けられている。導電性端子２０１Ａは側壁フレーム３の給電用として、導電性端子２０１Ｂは、光電面４１、集束電極３１、及び壁状電極３２の給電用として、導電性端子２０１Ｃは、電子増倍部３３の給電用として、導電性端子２０１Ｄは、陽極部３４の給電及び信号取り出し用として、それぞれ設けられている。これらの導電性端子２０１Ａ〜Ｄは、配線基板２０の内部で主面２０ｂに対して対向する絶縁性の対向面２０ａ上の導電膜や導電性端子（詳細は後述する。）と相互に接続され、これらの導電膜、導電性端子と側壁フレーム３、光電面４１、集束電極３１、壁状電極３２、電子増倍部３３、及び陽極部３４とが接続される。また、上側フレーム２は、導電性端子２０１を設けた多層配線基板に限らず、外部からの給電や信号の取り出しを行う導電性端子が貫通して設けられた、ガラス基板等の絶縁材料からなる板状部材でもよい。

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、壁状電極３２、集束電極３１、電子増倍部３３、及び陽極部３４が配置されている。これらの壁状電極３２、集束電極３１、電子増倍部３３、及び陽極部３４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。

壁状電極３２は、後述するガラス基板４０の対向面４０ａと正対する方向（対向面４０ａに対する略垂直方向、図１の矢印Ａで示す方向に対して反対向きの方向）から見て、後述する光電面４１を取り囲むように形成された枠状の電極である。また、集束電極３１は、光電面４１から放出された光電子を集束して電子増倍部３３へと導くための電極であり、光電面４１と電子増倍部３３との間に設けられている。

電子増倍部３３は、光電面４１から陽極部３４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、各段を跨って複数の電子増倍経路（電子増倍チャネル）を有している。また、陽極部３４は光電面４１とともに電子増倍部３３を挟む位置に配置される。

これら壁状電極３２、集束電極３１、電子増倍部３３、及び陽極部３４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。

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配線基板２０の対向面２０ａに対向する対向面４０ａを形成する。対向面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３４側と反対側の端部には、透過型光電面である光電面４１が形成されている。また、対向面４０ａ上の電子増倍部３３及び陽極部３４が搭載される部位には、増倍電子の対向面４０ａへの入射を防止するための矩形状の窪み部４２が形成されている。

図３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。貫通部３０１内の電子増倍部３３は、対向面４０ａ上の一端側から他端側に向けて（電子増倍方向である矢印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。これらの複数段のダイノードは、矢印Ｂの示す方向に沿って、一端側の第１段目のダイノード３３ａから他端側の最終段（第Ｎ段目）のダイノード３３ｂにかけて連続するように設けられたＮ個の電子増倍孔から構成された電子増倍チャネルＣを複数並列に有している。

また、光電面４１は、一端側の第１段目のダイノード３３ａから、集束電極３１を挟んだ対向面４０ａ上の一端側に離間して設けられている。この光電面４１は、ガラス基板４０の対向面４０ａ上に矩形状の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４１に到達すると、この入射光に応じた光電子が放出され、その光電子は壁状電極３２及び集束電極３１によって第１段目のダイノード３３ａへと導かれる。

また、陽極部３４は、他端側の最終段のダイノード３３ｂから、対向面４０ａ上の他端側に離間して設けられている。この陽極部３４は、電子増倍部３３の電子増倍チャネルＣ内を矢印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。

さらに、壁状電極３２は、貫通部３０１内において対向面４０ａから上側フレーム２に向けて側壁部３０２の内壁に沿うようにほぼ垂直に延びる複数の板状部から構成される矩形枠状の電極であり、光電面４１の形成領域をその縁部に沿って取り囲むように対向面４０ａ上に立設されている。この壁状電極３２の他端側壁部であって第１段目のダイノード３３ａにおける電子増倍チャネルＣの形成された領域と対向する部位には、切り欠かれた略矩形状の切り欠き部３５が形成されている。そして、この切り欠き部３５の対向面４０ａ上の両端部をつなぐように設けられた薄板状部材３５ａから、上側フレーム２側にほぼ垂直に延びるように集束電極３１が形成されている。なお、本実施形態においては、壁状電極３２と薄板状部材３５ａおよび集束電極３１は一体に形成されているが、それぞれ別々に形成されても良い。

次に、図４及び図５を参照して、光電子増倍管１の配線構造について説明する。図４において、（ａ）は、上側フレーム２を裏面２０ａ側から見た底面図、（ｂ）は、側壁フレーム３の平面図であり、図５は、上側フレーム２と側壁フレーム３との接続状態を示す斜視図である。

図４（ａ）に示すように、上側フレーム２の裏面２０ａには、導電性端子２０１Ｂ，２０１Ｃ，２０１Ｄのそれぞれに上側フレーム２の内部で電気的に接続された複数の導電膜２０２と、導電性端子２０１Ａに上側フレーム２の内部で電気的に接続された導電性端子２０３が設けられている。また、図４（ｂ）に示すように、電子増倍部３３及び陽極部３４の端部には、導電膜２０２との接続用の給電部３６，３７がそれぞれ立設されており、壁状電極３２の隅部には、導電膜２０２との接続用の給電部３８が立設されている。また、集束電極３１は、薄板状部材３５ａとともに、壁状電極３２と下側フレーム４側で一体形成されることで壁状電極３２に対して電気的に接続されている。さらに、壁状電極３２には、下側フレーム４の対向面４０ａ側に矩形平板状の接続部３９が一体的に形成されており、この接続部３９と、対向面４０ａ上に光電面４１に電気的に接触して形成された導電膜（図示せず）とが接合されることで、壁状電極３２と光電面４１とが電気的に接続されている。

上記構成の上側フレーム２と側壁フレーム３とを接合すると、導電性端子２０３が側壁フレーム３の側壁部３０２に電気的に接続される。併せて、電子増倍部３３の給電部３６、陽極部３４の給電部３７，及び壁状電極３２の給電部３８が、それぞれ、金（Ａｕ）などからなる導電部材を介して対応する導電膜２０２に独立に接続される。このような接続構成により、側壁部３０２、電子増倍部３３、陽極部３４が、それぞれ、導電性端子２０１Ａ、２０１Ｃ，２０１Ｄに電気的に接続可能にされるとともに、壁状電極３２が、集束電極３１及び光電面４１とともに、導電性端子２０１Ｂに電気的に接続される（図５）。

以上説明した光電子増倍管１によれば、入射光が下側フレーム４を透過して光電面４１に入射することによって光電子に変換され、この光電子が下側フレーム４の対向面４０ａ上の複数段の電子増倍部３３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３４から取り出される。ここで、光電面４１は対向面４０ａに正対する方向から見て、壁状電極３２によって取り囲まれており、その壁状電極３２の他端側には切り欠き部３５が形成されているので、光電面４１からの光電子が側壁フレーム３等の筐体に入射することが防止されてその光電子が電子増倍部３３に向けて効率的に導かれる結果、光電面４１への入射光の検出感度を向上させることができる。

ここで、図３及び図１０を参照しながら、本実施形態の効果を具体的に説明する。図１０は、図３の側壁フレーム３から壁状電極３２を取り除いた場合の側壁フレーム９０３の平面図である。側壁フレーム９０３を用いた場合には、入射光に伴い光電面４１から発生した光電子は、大半は第１段目のダイノード３３ａに向けて入射するが、一部は側壁部３０２の方向（図１０の矢印Ｅ_１，Ｅ_２の方向）に導かれ検出信号に寄与しなくなってしまうおそれがある。これは、側壁部３０２の電位が不安定な状態ではより顕著となる。また、光電面４１のうち、側壁部３０２に近い領域から発生した光電子ほど、側壁部３０２の影響は大きい。つまり、光電面４１のうち、側壁部３０２の影響を受けづらい領域が実質的な有効領域であると言えるため、光電面４１の実質的有効面積が小さくなってしまう。このような問題に対処するために、側壁部３０２に光電面４１と同じ電位を与えることも考えられるが、この場合は側壁部３０２と電子増倍部３３及び陽極部３４との間の電位差が大きくなり、耐電圧不良が発生するおそれが出てくる。この問題は特に陽極部３４において顕著であり、継いで電子増倍部３３においても後段側におけるほど顕著になる。そのような耐電圧不良の発生を防ぐためには十分な空間を確保する必要があるため、結果的に１チップに要する材料面積を増大させることになってコストアップを招いてしまうおそれがある。また、貫通部３０１内の他端側等において、増倍された二次電子の絶縁体への衝突等によって発光が生じる場合がある。その光が矢印Ｅ_３のように進み、光電面４１にまで到ると、入射光とは関連性のない光電子放出が行われ、検出信号にノイズを発生させてしまいＳＮ比を低下させるおそれもある。

これに対して、本実施形態では、光電面４１から発生した光電子は、安定的に電位が設定された壁状電極３２の存在により、側壁部３０２の電位にかかわらず効率よく第１段目のダイノード３３ａに向けて（図３の矢印Ｅ_４の方向）入射させることができる。また、貫通部３０１内の他端側等で発生した光が光電面４１に向かう方向（図３の矢印Ｅ_５の方向）に進んできたとしても、壁状電極３２によって遮蔽して光電面４１への入射を防止することができる。これにより、側壁部３０２の電位を自由に設定しても検出感度が維持でき、かつ、ノイズ特性を改善させてＳＮ比を向上させることができる。例えば、側壁部３０２を所望の電位としてグラウンド電位に設定することで、光電子増倍管１の電気的ノイズ特性を向上させることができる。特に、グラウンド電位に設定することでノイズ低減効果を最大にすることができるとともに、人体に対する感電の危険性も低減することができる。また、壁状電極３２で取り囲まれた領域が実質的に有効な光電面領域であると言えるために、光電子増倍管１を外観視した場合、適切な光入射領域を容易に特定することができる。

また、光電面４１と壁状電極３２とが電気的に接続されて同電位に設定されているので、光電面４１からの光電子が壁状電極３２に入射すること無く、電子増倍部３３に導かれるのに好適な電界が形成されるため、検出感度がさらに向上することになる。

また、壁状電極３２の切り欠き部３５は、電子増倍部３３の電子増倍チャネルＣの領域に対向する部位に形成されているので、電子増倍部３３に導かれる光電子を効率的に増倍することができ、入射光の検出感度がさらに向上する。

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、図６に示す本発明の変形例である光電子増倍管１Ａのように、上側フレーム２Ａの裏面（対向面５０ａ）側に光電面４１Ａを設けてもよい。この場合、上側フレーム２Ａとしてはガラス基板等の光透過性を有する絶縁性基板に給電端子を埋め込んだものを使用することができ、下側フレーム４Ａとしてはガラス基板以外に様々な絶縁性基板を用いることができる。そして、壁状電極３２は、上側フレーム２Ａの対向面５０ａと正対する方向（対向面５０ａに対する略垂直方向）から見て、光電面４１Ａを取り囲むように配置されている。

また、図７に示す発明の変形例である光電子増倍管１Ｂのように、光電面としては反射型の光電面を用いてもよい。例えば、上側フレーム２Ｂとして光透過性を有する絶縁性基板を用い、側壁フレーム３Ｂの壁状電極３２Ｂの内側には、対向面４０ａに対して他端側に傾斜する傾斜面を形成する。そして、この傾斜面から対向面４０ａにかけて光電面４１Ｂを形成する。このような傾斜面の形状としては、上側フレーム２Ｂを透過してきた入射光に伴って光電面４１Ｂから発生する光電子が電子増倍部３３に向かうような形状であれば、平面であっても曲面であっても構わない。

さらに、本実施形態の配線構造に関しても様々な変形態様を採ることができる。例えば、図８に示すように、導電性端子４０１を下側フレーム４Ｃに貫通して形成し、この導電性端子４０１を介して、光電面４１、壁状電極３２、集束電極３１、電子増倍部３３、及び陽極部３４に対して給電するような構成としてもよい。このような構成よって、上側フレーム２に形成された導電膜２０２（図４（ａ））と、各電極とを独立に給電することが可能になる。

また、図９に示すように、導電性端子４０１を設けた下側フレーム４Ｃと、導電性端子２０１Ａ〜２０１Ｄを除いた上側フレーム２Ｃとを組み合わせてもよい。この場合、上側フレーム２Ｃとして、裏面側に複数の導電膜２０２が形成された絶縁性基板を用いる。このような組み合わせにおいて図４を参照して説明した配線構造を用いることで、下側フレーム４Ｃの導電性端子４０１から、壁状電極３２、電子増倍部３３、及び陽極部３４を介して、上側フレーム２Ｃの導電膜２０２に給電することができる。

またいずれの実施形態および変形例においても、壁状電極３２は必ずしも光電面４１全体を取り囲む必要はなく、放出された光電子を電子増倍部３３に導くことのできるような実質的な有効領域を取り囲んでいれば、辺縁部に関しては取り囲まないような配置としても良い。

１，１Ａ，１Ｂ…光電子増倍管、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…上側フレーム（第２の基板）、３…側壁フレーム（側壁部）、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…下側フレーム（第１の基板）、２０ａ，４０ａ…対向面、３１…集束電極、３２，３２Ｂ…壁状電極、３３…電子増倍部、３４…陽極部、３５…切り欠き部、３５ａ…薄板状部材、３８…給電部、３９…接続部、４１，４１Ａ，４１Ｂ…光電面、２０２…導電膜、Ｃ…電子増倍チャネル。

Claims (7)

1. 互いに対向して配置され、それぞれの対向面が絶縁材料からなる第１及び第２の基板と、
   第１及び第２の基板と共に筐体を構成する側壁部と、
   前記第１の基板の前記対向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複数段の電子増倍部と、
   前記一端側に前記電子増倍部から離間して設けられ、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から離間して設けられ、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、
   前記対向面と正対する方向から見て内壁が前記光電面を取り囲むように配置され、前記他端側の前記電子増倍部と対向する部位に切り欠き部が形成された壁状電極と、
   前記光電面と対向するように前記対向面上に配置された導電膜と、
   を備える光電子増倍管。
2. 前記壁状電極と前記導電膜とが電気的に接続されている、
   請求項１記載の光電子増倍管。
3. 前記壁状電極はシリコンからなる、
   請求項１又は２記載の光電子増倍管。
4. 前記壁状電極の隅部には、前記導電膜との接続用の給電部が立設されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電子増倍管。
5. 前記切り欠き部の内側には、前記光電面から放出された前記光電子を前記電子増倍部に導くための集束電極が設けられている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電子増倍管。
6. 前記集束電極は、前記切り欠き部の両端部をつなぐように設けられた薄板状部材から前記対向面に対してほぼ垂直に延びるように形成されている、
   請求項５に記載の光電子増倍管。
7. 前記壁状電極には、第２の導電膜を介して前記光電面と電気的に接続するための平板状の接続部が形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光電子増倍管。

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