JPWO2012165380A1 - 電子増倍部及びそれを含む光電子増倍管 - Google Patents

電子増倍部及びそれを含む光電子増倍管 Download PDF

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Abstract

本発明は、小型化された場合でも発光ノイズを効果的に抑制する電子増倍部等に関し、各段のダイノードは、それぞれが物理的に分離された外周面を有する複数の柱状部を備え、各柱状部は、電子増倍部が配置される設置面に平行な断面の面積又は外周長が当該柱状部における外周面上のいずれかの位置で最小になる形状に加工されている。

Description

本発明は、外部からの入射光を検出する光電子増倍管、及び該光電子増倍管を含む種々のセンサデバイスに適用可能な電子増倍部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（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
発明者は上述の従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。
すなわち、従来の光電子増倍管では、絶縁基板上に電位の異なる構造物が近接して配置されている。そのため、光電子増倍管が小型化された場合、生成された二次電子が絶縁基板上に入射することで、不要な発光が生じてしまい、これがノイズ源となってしまう。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、小型化された場合でも発光ノイズを効果的に抑制するためのダイノード構造を備えた電子増倍部、及びそれを含む光電子増倍管を提供することを目的としている。
本発明に係る電子増倍部は、所定の設置面上の第1方向に沿って該設置面上に順次配置され、第1方向と平行な方向に沿って進行する電子をカスケード増倍する複数段のダイノードを備える。また、複数段のダイノードそれぞれは、設置面上で第1方向と直交する第２方向に沿って伸びた共通の台座部と、それぞれが所定距離だけ離間した状態で台座部に設置されることにより台座部を介して電気的に接続された複数の柱状部を備える。なお、各柱状部は、設置面に垂直な第３方向に沿って伸び、かつ、物理的に分離された外周面で規定される側壁形状を有する。
上述のような構造を備えた電子増倍部の第１の態様として、複数段のダイノードそれぞれにおいて、複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部は、第３方向に直交する断面の面積又は外周長が、当該柱状部における外周面のいずれかの位置で最小になるよう加工された形状を有するのが好ましい。
上述のような構造を備えた電子増倍部の第２の態様として、複数段のダイノードそれぞれにおいて、複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域の表面形状は、第1及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において、当該柱状部の内部に向かって突出した１又はそれ以上の窪み形状を含む線分により規定されるのが好ましい。
さらに、上述のような構造を備えた電子増倍部の第３の態様として、複数段のダイノードそれぞれにおいて、複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部は、第1及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において、第１方向に沿った長さで規定される当該柱状部の幅が当該柱状部における外周面のいずれかの位置で最小になるよう加工された断面形状を有するのが好ましい。
なお、上記第１〜第３の態様のそれぞれは、単独でも実施可能であり、また、第１〜第３の態様のうち２以上の態様の組合せも実施可能である。これら第１〜第３の態様は、単独でもまたそれらの組み合わせによっても、二次電子放出面が形成される領域がくびれた構造を有するダイノード、特に柱状部を実現し得る。
上記第１〜第３の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第４の態様として、複数段のダイノードそれぞれにおいて、複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域の表面形状は、１又はそれ以上の曲面、１又はそれ以上の平面、又はこれらの組み合わせにより構成されるのが好ましい。
さらに、第５の態様として、本発明に係る光電子増倍管は、外囲器と、光電面と、電子増倍部と、陽極を備える。外囲器は、内部が減圧状態に維持された外囲器であって、少なくともその一部が、設置面を有する絶縁性材料からなる基板により構成されている。光電面は、外囲器の内部空間に収納され、外囲器を介して取り込まれた光に応じて光電子を該外囲器の内部に放出する。電子増倍部は、外囲器の内部空間に収納された状態で設置面上に配置されている。また、第５態様に係る光電子増倍管の電子増倍管には、上記第１〜第４の態様のうち少なくともいずれかの態様に係る電子増倍部が適用可能である。陽極は、外囲器の内部空間に収納された状態で設置面上に配置され、電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための電極である。
上記第５の態様に適用可能な第６の態様として、隣接するダイノード間における互いに対面する領域の関係として、一方のダイノードにおける柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域と、他方のダイノードにおける柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域とは、前記第１及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において互いに遠ざかる方向に窪んだ表面形状を有するのが好ましい。
上記第５〜第６の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第７の態様として、外囲器は、下側フレーム、上側フレーム、側壁フレームにより構成されてもよい。下側フレームは、設置面を有する少なくとも一部が絶縁材料からなる。上側フレームは、下側フレームに対向するよう配置され、下側フレームの設置面に対面する面を有する少なくとも一部が絶縁材料からなる。側壁フレームは、上側フレーム及び下側フレームの間に設けられ、電子増倍部及び陽極を取り囲む形状を有する。また、この第７の態様において、電子増倍部と陽極は、互いに所定距離だけ離間した状態で設置面上に配置されるのが好ましい。
上記第５〜第７の態様のうち少なくともいずれかに適用可能な第８の態様として、当該光電子増倍管は、設置面上に所定距離だけ離間した状態で配置された複数の窪み部であって、それぞれが、設置面上の第２方向に沿って伸びた複数の窪み部を備えてもよい。この第８の態様において、複数段のダイノードそれぞれは、その台座部が複数の窪み部の間に位置するよう該設置面上に配置されるのが好ましい。
なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。
また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
本実施形態に係る光電子増倍管によれば、電子増倍部が、下側フレームの対向面に平行な第１方向に沿って順次配置された複数段のダイノードで構成されている。また、第１方向を含みかつ下側フレームの対向面に直交する面で規定される、ダイノードにおける各柱状部の断面は、第１方向に沿った幅が該柱状部の下側フレーム側端部と上側フレーム側端部との間で最小になる形状を有する。このように、柱状部における二次電子放出面の形状を、該柱状部の高さ方向に沿って窪んだ形状に加工することにより、二次電子放出面から下側フレーム又は上側フレームへ向かう電子の軌道が効果的に修正される。
は、本発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す斜視図である。 は、図１の光電子増倍管の分解斜視図である。 は、図１の側壁フレームの平面図である。 は、図１の側壁フレーム及び下側フレームの要部を示す一部破断斜視図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面を含む）である。 は、図１の光電子増倍管のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 は、図１の側壁フレーム及び下側フレームの、特に電子増倍部近傍の一部破断斜視図である。 は、図６の電子増倍部及びその構成要素の構造を説明するための図であり、（Ａ）は、図６の電子増倍部の一部破断図、（Ｂ）は、柱状部の形状を示す斜視図、（Ｃ）は、柱状部表面の形状を示す斜視図である。 は、柱状部の構造を説明するための図であり、（Ａ）は、図７（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿った柱状部の一部破断図、（Ｂ）は、（Ａ）における断面形状を曲線により実現する場合のバリエーションを示す図、（Ｃ）は、（Ａ）における断面形状を直線により実現する場合のバリエーションを示す図である。 は、二次電子放出面が形成される柱状部表面の加工シミュレーションを説明するための図である。 は、図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面であって、電子増倍部の一部を構成するダイノード（二次電子放出面が形成された柱状部）の一例の、具体的な設置状態を説明するための図である。 は、図１０と同様に光電子増倍管内に設置されたダイノード（二次電子放出面が形成された柱状部）の他の例の構造を示す図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）であって、（Ａ）は、従来のダイノードの断面形状、（Ｂ）は、第１変形例に係るダイノードの断面形状、（Ｃ）は、第２変形例に係るダイノードの断面形状を示す図である。 は、本実施形態の効果を説明するための図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）であり、（Ａ）は、従来構造を示し、（Ｂ）は、本実施形態の構造を示す図である。 は、第３変形例に係るダイノードの断面形状を具体的な設置状態とともに示すとともに、該第３変形例に係るダイノードの効果を説明するための図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）である。 は、図１の光電子増倍管における各部の構造を示す図あり、（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。 は、図１４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。 は、図１の側壁フレーム及び下側フレームの一部破断斜視図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）であり、（Ａ）は、第１構造の下側フレームが適用された図、（Ｂ）は、第２構造例の下側フレームが適用された図である。 は、第１比較例に係る電子増倍部の平面図である。 は、第２比較例に係る電子増倍部の平面図である。 は、本発明の第１変形例に係る光電子増倍管における下側フレームの斜視図である。 は、図１９の下側フレームを裏面側から見た底面図である。 は、本発明の第２変形例に係る光電子増倍管における下側フレームの斜視図であり、（Ａ）は、第２変形例に係る光電子増倍管に適用可能な下側フレームの第３構造、（Ｂ）は、第２変形例に係る光電子増倍管に適用可能な下側フレームの第４構造を示す図である。
以下、本発明に係るダイノード、電子増倍部、及び光電子増倍管の各実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。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、本発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す斜視図であり、図２は、図１の光電子増倍管１の分解斜視図である。
図１に示された光電子増倍管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により構成された外囲器である筐体５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電子管である。つまり、光電子増倍管１は、図１の矢印Ａで示された、下側フレーム４が構成する平面と交わる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、矢印Ａで示された方向と交わる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に示されたように、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）等を用いた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〜２０１Ｄ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〜２０１Ｄ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）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（図１の矢印Ｂで示された方向、以下同じ）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、各段を跨って電子増倍方向に伸びる、複数の電子増倍路（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に対向し、筐体５の内面である対向面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、複数の矩形状の窪み部４２が形成されている。なお、電子増倍部３３を構成する複数段のダイノード、及び陽極３４は、複数の窪み部４２の間の平面部である中間部４２ａ上に配置される。
次に、図３〜図５を参照して、光電子増倍管１の内部構造について詳細に説明する。図３は、図１の側壁フレーム３の平面図、図４は、図１の側壁フレーム３及び下側フレーム４の要部を示す一部破断斜視図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面を含む）、図５は、図１の光電子増倍管のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
図３に示されたように、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３３ａ〜３３ｌから構成されている。これらの複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌ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３３ｌ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を複数並列に形成している。なお、集束電極３１と第１段目のダイノード３３ａとの間と、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌにおける隣接するダイノード同士の間、及び最終段のダイノード３３ｌと陽極３４との間には窪み部４２が設けられており、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌは、図２の下側フレーム２に設けられた複数の窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上にそれぞれ配置される。
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３３ｌ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によって電子増倍チャネル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り、電子増倍チャネルＣのそれぞれに対して複数の凹部を有している。各凹部は、下側フレーム４の対向面４０ａと垂直な方向から見て、電子増倍部３３に対面する一方の側壁面側が開放される一方で他方の側壁面側で閉じられた袋状になっており、一方の側壁面側の凹部の入り口部には、入り口空間を狭窄するような突出部を備えている。つまり、陽極部３４は、凹部に入り込んだ増倍電子を閉じ込めるような形状になっており、より確実に増倍電子を信号として取り出すことができる。なお、陽極部３４と、陽極部３４の他端側面に対向する側壁部３０２との間にも窪み部４２が存在し、陽極部３４は窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上に配置される。
図４に示されたように、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｄのそれぞれは、下側フレーム４の対向面４０ａ上に形成された複数の窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上に配置されており、該複数の窪み部４２それぞれの底部からは離間している。ダイノード３３ａは、対向面４０ａに沿って電子増倍方向に対してほぼ垂直な方向に配列され、上側フレーム２の対向面２０ａに向かってほぼ垂直に延びる複数の柱状部５１ａと、複数の柱状部５１ａ（５１）の窪み部４２側の端部に連続的に形成され、窪み部４２の底部に沿って電子増倍方向に対してほぼ垂直な方向に延びる台座部（支持台）５２ａ（３３０）とを含む。また、ダイノード３３ｂ〜３３ｄに関しても、それぞれの複数の柱状部５１ｂ〜５１ｄ、及びそれぞれの台座部５２ｂ〜５２ｄに関して、ダイノード３３ａと同様の構造を有する。それぞれの柱状部５１ａ〜５１ｄにおける隣接する部材間に電子増倍チャネルＣが形成され、台座部５２ａ〜５２ｄはこの電子増倍チャネルＣが形成される領域ＡＣ（図３）を跨るように設けられている。ここで、台座部５２ａ〜５２ｄは、それぞれの複数の柱状部５１ａ〜５１ｄを互いに電気的に接続するとともに、複数の柱状部５１ａ〜５１ｄを窪み部４２の底部から離間して保持する役目を有する。なお、本実施形態においては、ダイノード３３ａ〜３３ｄにおいて、複数の柱状部５１ａ〜５１ｄ、及び台座部５２ａ〜５２ｄはそれぞれ一体に形成されているが、柱状部と台座部を別体にしても良い。なお、複数の柱状部５１ａ〜５１ｄの所定領域には二次電子放出面が形成されており、これら複数の柱状部５１ａ〜５１ｄの断面形状は、図４に示されたように、下側フレーム４と上側フレーム２のほぼ中間（又は、下側フレーム４により近い側）に位置するｘ−ｙ平面Ｐ付近において幅が最小になるよう設計されている。また、図示していないが、ダイノード３３ｅ〜３３ｌも同様の構造を有する。
さらに、この台座部５２ｂ，５２ｄの電子増倍方向に垂直な方向の一方の端部には、その端部から上側フレーム２に向けてほぼ垂直に伸びるように略円柱形状を有する給電部５３ｂ，５３ｄが、一体的に形成されている。この給電部５３ｂ，５３ｄは、台座部５２ｂ，５２ｄを経由して複数の柱状部５１ｂ，５１ｄを給電するための部材である。なお、他のダイノードも同様の構造を有する。
図５に示されたように、ダイノード３３ｂは、電子増倍方向に対して垂直であり、且つ対向面４０ａに沿った方向の台座部５２ｂの下面が、対向面４０ａの平面部である中間部４２ａに接合されることによって下側フレーム４に対して固定されている。また、細かい形状上の差異はあるが、その他のダイノード３３ａ，３３ｃ〜３３ｌも柱状部、台座部、給電部に関して同様の基本構造を有している。これに対応して対向面４０ａ上の窪み部４２は、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌの台座部及び陽極部３４の配置間隔よりも若干広い幅で形成されている。つまり、窪み部４２は、ダイノード３３ａ〜３３ｌの台座部及び陽極部３４の間の沿面距離を拡大するよう、下側フレーム４の対向面４０ａに平面部である中間部４２ａを介して断続的に形成されている。なお、複数の柱状部５１ｂには二次電子放出面が形成されており、これら複数の柱状部５１ｂの断面形状は、図５に示されたように、下側フレーム４と上側フレーム２のほぼ中間に位置するｘ−ｙ平面Ｐ付近において幅が最小になるよう設計されている。
続いて、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌそれぞれを構成する柱状部の形状、特に、二次電子放出面の形状について詳細に説明する。
図６は、図１の側壁フレーム及び下側フレームの、特に電子増倍部近傍の一部破断斜視図である。図７は、図６の電子増倍部及びその構成要素の構造を説明するための図であり、図７（Ａ）は、図６の電子増倍部の一部破断図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）中のＳで示された部位の柱状部の形状を示す斜視図、図７（Ｃ）は、柱状部表面の形状を示す斜視図である。図８は、柱状部の構造を説明するための図であり、図８（Ａ）は、図７（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿った柱状部の一部破断図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における断面形状を曲線により実現する場合のバリエーションを示す図、図８（Ｃ）は、図８（Ａ）における断面形状を直線により実現する場合のバリエーションを示す図である。図９は、二次電子放出面が形成される柱状部表面の加工シミュレーションを説明するための図であり、図９（Ａ）は、柱状部の加工領域を示し、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）中の最小加工要素を示し、図９（Ｃ）は、加工プロセスの進行状況を時間経過とともに示す図である。
図６は、図中のｘ軸が図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面に含まれるよう電子増倍部３３近傍の構造が示されている。すなわち、下側フレーム４０（ガラス基板）の対向面４０ａ上には複数の窪み部４２が設けられ、これら複数の窪み部４２の間に位置する中間部４２ａ上に、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌそれぞれが配置されている。複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌそれぞれの台座部の側面は、湾曲形状又はテーパー形状に加工されている。上側フレーム２の対向面２０ａに設けられた導電膜２０２（ヒステリシス対策用の蒸着電極）は、導電性端子２０１Ｃに接続され、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌそれぞれの給電部５３ａ〜５３ｌと導電膜２０２とが導電性材料２０５（後述）により電気的に接続されている。
また、図７（Ａ）に示されたように、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌの台座部３３０の側面は、上側フレーム２から下側フレーム４に向かって細くなるようテーパー形状に加工されている。このように加工されることにより、隣接するダイノード間の距離を長くすることができる。さらに、隣接するダイノード間に窪み部４２が設けられることにより、下側フレーム４の対向面４０ａ上において規定される、隣接するダイノード間の沿面距離をより長くすることが可能になる。また、柱状部５１の二次電子放出面５２０が形成される領域は、図７（Ｂ）に示されたように、該二次電子放出面５２０の各部における垂直ベクトルが柱状部５１の中間点（図５のｘ−ｙ平面Ｐと交差する位置）に向かうような形状を有している。図７（Ｂ）中に示された垂直ベクトルの方向が、最も放出確率の高い二次電子の放出方向である。なお、本実施形態の例では、柱状部５１の高さ（下側フレーム４から上側フレーム２に向かう方向に沿った長さ）は、８００μｍであり、この柱状部５１の二次電子放出面が形成される領域は、当該柱状部５１の高さ方向に沿った中間位置（図５のｘ−ｙ平面Ｐと交差する位置）において、５０μｍだけ当該柱状部５１の内部に向かって突出した、くびれ構造を有する。
すなわち、図６及び図７に示されたように、各段のダイノード３３ａ〜３３ｄを構成する複数の柱状部５１（５１ａ〜５１ｌに相当）それぞれは、下側フレーム４の対向面４０ａに直交する断面（以下、垂直断面と言い、ｘ−ｚ平面に相当する）、具体的には、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの形状が、ｚ軸方向（図６及び図７（Ａ）参照）に沿って湾曲又はテーパー状に窪むよう加工されている。例えば、図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）に示されたように、各柱状部の高さ（ｚ軸方向）は、８００μｍであり、その中間点（図５のｘ−ｙ平面Ｐと交差する位置）において、各端部（下側フレーム４側に位置する端部と上側フレーム２側に位置する端部）から５０μｍだけ窪んだ形状になるよう、二次電子放出面が形成される領域の形状が加工されている。
各柱状部５１の垂直断面（ｘ−ｚ平面）の例が図８（Ａ）に示されている。なお、この図８（Ａ）における柱状部５１の断面５１０（斜線部分）は、図７（Ｂ）中のＩ−Ｉ線に沿った垂直断面である。この垂直断面の加工に当たっては、例えば、図８（Ｂ）に示されたように、二次電子放出面５２０が湾曲した曲面で規定されるように加工されてもよく、また、図８（Ｃ）に示されたように、直線で規定されるよう加工されてもよい。
すなわち、本実施形態に係る光電子増倍管１では、図８（Ａ）〜８（Ｃ）に示されたように、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌは、二次電子放出面が形成される領域がくびれた構造を有している。より具体的には、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面（ｘ−ｚ平面）において、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒが、ｘ軸方向（矢印Ｂで示された方向）の幅が例えば柱状部５１のいずれかの位置Ｑで最小になる形状を有する（他の柱状部でも同様）。また、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面（ｘ−ｚ平面）において、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒが１又はそれ以上のくびれ形状を有する。そして、各くびれ形状は下側フレーム４から上側フレーム２に向かって、ｘ軸方向の幅が単調に減少した後に単調に増加する形状である。さらに、例えばダイノード３３ａの二次電子放出面は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面（ｘ−ｚ平面）において、柱状部５１の内部に向かって突出した１又はそれ以上の窪み形状を含む線分により規定されている。また、ｘ−ｙ平面に沿って柱状部５１の断面形状を見たとき、該断面の面積又は外周長が、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒ内の位置Ｑで最小になっている。
図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）において、断面５１０ａ、５１０ｄにおける「くびれ」（断面のｘ軸方向に沿った幅が最小になる部分）の位置Ｑは、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの中間点に位置する。断面５１０ｂ、５１０ｅにおける「くびれ」（断面のｘ軸方向に沿った幅が最小になる部分）の位置Ｑは、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの上側（中間点よりも上側フレーム２に近い位置）に位置する。断面５１０ｃ、５１０ｆにおける「くびれ」（断面のｘ軸方向に沿った幅が最小になる領域）の位置Ｑは、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの下側（中間点よりも下側フレーム４に近い領域）に位置する。
いずれのバリエーションにおいても、各柱状部５１の垂直断面５１０の最も幅の小さい部分Ｑは、二次電子放出面が形成される領域Ｒ内に存在している。なお、領域Ｒにおいて、ｙ軸方向に沿った各柱状部の垂直断面（ｙ−ｚ平面に相当する）も、下側フレーム４から上側フレームに向かう各柱状部の高さ方向（ｚ軸方向）に沿って、単調に減少した後に図中Ｑで示される部分から単調に増加する。
上述のような垂直断面を有する柱状部５１は、例えば、図９に示されたようにエッチング加工により形成可能である。なお、図９（Ａ）には、垂直断面５１０ｄを有する柱状部５１の一部（図９（Ａ）中の領域ＡＲで示された領域）が、示されている。なお、二次電子放出面５２０は、エッチング加工された領域に形成される。図９（Ｃ）には、加工シミュレーションの結果を示す図であり、エッチング加工の進行状況が時間経過とともに示されている。また、図９（Ｃ）の断面９００Ａ〜９００Ｒのそれぞれは、図９（Ｂ）に示された最小加工要素で構成されている。この図９（Ｂ）に示された最小加工要素からも分かるように、エッチングされた面は湾曲している。さらに、図９（Ｃ）の断面９００Ａ〜９００Ｒのそれぞれにおいて、９１０はエッチングマスクである。また、９２０は、エッチング加工の予定線５２１に沿ってエッチングされた領域に、エッチングマスクとして機能するよう充填される内部保護膜である。
次に、上述のような種々の断面形状により実現可能な柱状部５１の具体的な設置状態について図１０及び図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）を参照しながら説明する。なお、図１０は、図１の光電子増倍管１のII−II線に沿った断面であって、電子増倍部３３の一部を構成するダイノード３３ａ〜３３ｌ（二次電子放出面が形成された柱状部５１）の一例の、具体的な設置状態を説明するための図である。図１１は、図１０と同様に光電子増倍管１内に設置されたダイノード３３ａ〜３３ｌ（二次電子放出面が形成された柱状部５１）の他の例の構造を示す図（図１の光電子増倍管１のII−II線に沿った断面に一致）であって、図１１（Ａ）は、従来のダイノードの断面形状、図１１（Ｂ）は、第１変形例に係るダイノードの断面形状、図１１（Ｃ）は、第２変形例に係るダイノードの断面形状を示す図である。また、図１０及び図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）の例では、上側フレーム２はガラス基板２０により構成されているものとする。
図１０に示されたように、下側フレーム４のガラス基板４０には、その対向面４０ａ上に複数の窪み部４２が設けられており、これら窪み部４２の間に位置する中間部４２ａ上に各段のダイノードの台座部３３０（厚み２００μｍを有する）が設置されている。台座部３３０の上には二次電子放出面がその側面上に形成される柱状部５１が、該台座部３３０と一体的に設置されている。これら一体化された台座部３３０と柱状部５１により各段のダイノードが構成されている。一方、上側フレーム２のガラス基板２０には、導電性端子２０１Ｃが、該ガラス基板２０の対向面２０ａ上に蒸着された導電膜２０２に接触しており、該導電膜２０２が、導電性材料２０５を介して各柱状部５１の上部（実際には各段のダイノードの給電部５３ａ〜５３ｌ）と電気的に接続されている。この構造において、ガラス基板２０と柱状部５１の上部とは５０μｍ離間している。
図１０に示された各柱状部５１の二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの形状は、領域Ｒの中間位置よりも下側フレーム２に近い位置でくびれた構造（Ｌだけ柱状部５１の内部に向かって突出した形状）を有している。すなわち、くびれた位置よりも上側の領域Ａの方が、くびれた位置よりも下側の領域Ｂよりも広くなっている。具体的に、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの、高さ方向の長さは、８００μｍであり、領域Ａの高さ方向の長さと領域Ｂの高さ方向の長さの比（Ａ：Ｂ）は、１：１〜１０：１であればよく、好ましくは、３：２〜７：１である。また、くびれ構造を規定する深さＣは２０μｍ〜１５０μｍであればよく、好ましくは、３０μｍ〜８０μｍである。
また、図１１（Ａ）には、従来の断面形状が適用されたダイノードの設置状態を示しており、柱状部５１の断面形状を除き、図１０に示された設置状態と同じである。図１１（Ｂ）には、第１変形例に係るダイノードの設置状態が示されており、図１０に示された構造とは、台座部３３０の断面形状と柱状部５１の断面形状が異なる。すなわち、図１１（Ｂ）に示された例では、台座部３３０の側面がテーパー形状に加工されている。また、柱状部５１におけるくびれた位置が、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの中間点近傍にある（放出される二次電子が集中する極大点も中間点近傍となる）。図１１（Ｃ）に示された例では、台座部３３０の側面がテーパー形状に加工されている点で、図１０に示された構造と異なる。さらに、図１１（Ｃ）の設置状態では、柱状部５１におけるくびれた位置が、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの中間点よりも下側（ガラス基板４０側）にあり、必然的に、放出される二次電子が集中する極大点も中間点より下側となる。
なお、図１１（Ａ）において、二次電子放出面５２０の、柱状部５１の高さ方向の長さを２ａとするとき、図１１（Ｂ）における二次電子放出面５２０の長さは２．８３ａとなり、図１１（Ｃ）における二次電子放出面５２０の長さは２．９２ａとなる。このように、図１１（Ｃ）に示された構造が採用された場合、二次電子放出面５２０の面積自体が大きくなるという効果がある。また、製造時におけるブラックシリコン（トゲ状異物）の発生が抑制されると言う効果がある。さらに、放出される二次電子が集中する極大点をガラス基板（特に、上側フレーム２のガラス基板２０）から遠ざけることができるので、不要な発光が抑制され、特に当該発光がガラス基板２０と柱状部５１の上部との間の離間空間を通って光電面４１に至ることで発生するノイズを抑制することができる。また、上側フレーム２のガラス基板２０への二次電子入射による各導電膜２０２間の耐電圧特性の低下も抑制することができる。加えて、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）の例では、図１１（Ｂ）の台座部３３０に記載の長さＤの分だけ、隣接するダイノード間の沿面距離を大きくすることが可能になるため、耐電圧特性を大幅に改善することが可能になる。
以上のように加工された柱状部５１の効果を、図１２を用いて説明する。なお、図１２は、本実施形態の効果を説明するための図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）であり、図１２（Ａ）は、従来構造を示し、図１２（Ｂ）は、本実施形態の構造を示す図である。また、図１２（Ａ）の左側及び図１２（Ｂ）の左側には、電子増倍部３３の中央部分を構成する各段のダイノードの一部が示されている。一方、図１２（Ａ）の右側及び図１２（Ｂ）の右側には、陽極３４を含む電子増倍部３３の後段側を構成する各段のダイノードの一部が示されている。
図１２（Ａ）に示された従来構造の場合（柱状部５１の垂直断面の幅は、高さ方向に沿って一定になっている）、下側フレーム４のガラス基板４０には、各段のダイノードの台座部３３０が設置されている。台座部３３０の上には二次電子放出面がその側面上に形成される柱状部５１が、該台座部３３０と一体的に設置されている。これら一体化された台座部３３０と柱状部５１により各段のダイノードが構成されている。一方、上側フレーム２のガラス基板２０には、導電性端子２０１Ｃが、該ガラス基板２０の対向面２０ａ上に蒸着された導電膜２０２に接触しており、該導電膜２０２が、導電性材料２０５を介して各柱状部５１の上部（実際には各段のダイノードの給電部５３ａ〜５３ｌ）と電気的に接続されている。陽極３４も台座部及び柱状部から構成されており、導電性端子２０１Ｄを介して到達した二次電子を信号として取り出している。
図１２（Ａ）の例では、ガラス基板４０（下側フレーム４）に対して、二次電子放出面５２０（電極）は垂直になっている。この場合、絶縁支持基板（下側フレーム４）及び貫通電極基板（上側フレーム２）の表面、すなわち絶縁材料であるガラスの表面への二次電子の衝突が多く、不要な光が発生してしまう。この発光がノイズ源となり、従来構造が採用された光センサでは、そのＳ／Ｎを低下させる原因となる。また、ガラス表面に衝突する二次電子は、電子増倍には寄与しないので、電子増倍率（ゲイン特性）を低下させるとともに電極間の耐電圧特性も低下させる。
一方、図１２（Ｂ）に示された本実施形態の構造の場合（柱状部の垂直断面の幅は、高さ方向に沿って中心付近で細くなっている）、下側フレーム４のガラス基板４０には、その対向面４０ａ上に複数の窪み部４２が設けられており、これら窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上に各段のダイノードの台座部３３０が設置されている。台座部３３０の上には湾曲形状の二次電子放出面がその側面上に形成される柱状部５１が、該台座部３３０と一体的に設置されている。これら一体化された台座部３３０と柱状部５１により各段のダイノードが構成されている。一方、上側フレーム２のガラス基板２０には、導電性端子２０１Ｃが、該ガラス基板２０の対向面２０ａ上に蒸着された導電膜２０２に接触しており、該導電膜２０２が、導電性材料２０５を介して各柱状部５１の上部（実際には各段のダイノードの給電部５３ａ〜５３ｌ）と電気的に接続されている。陽極３４も台座部及び柱状部から構成されており、導電性端子２０１Ｄを介して到達した二次電子を信号として取り出している。また、陽極３４の台座部も、窪み部４２に挟まれた平面部である中間部４２ａ上に設置されている。
図１２（Ｂ）の例では、二次電子放出面（電極）はその中心に向かって湾曲している。すなわち、この形状では、二次電子放出面の中心付近よりも端部側の方が隣接するダイノード間隔が狭くなっている。この場合、ガラス基板４０（下側フレーム４）及びガラス基板２０（上側フレーム２）の表面、すなわち絶縁材料であるガラスの表面への二次電子の衝突が大幅に低減され、その結果、不要な発光が効果的に抑制される。したがって、本実施形態の構造が採用された光センサでは、発光抑制の効果として、そのＳ／Ｎが向上し、高精度な光検出が可能になる。また、二次電子放出面５２０自体が湾曲形状を有することで、各柱状部５１の高さを変化させることなく当該二次電子放出面５２０の有効面積が大きくなる。そのため、発光を生じさせる二次電子の減少による電子増倍率増加と有効面積拡大の相乗効果で、電子増倍率を飛躍的に向上させることが可能になる。
さらに、ダイノードの他の断面形状により実現可能な柱状部５１の具体的な設置状態について図１３を参照しながら説明する。なお、図１３は、第３変形例に係るダイノードの断面形状を具体的な設置状態とともに示すとともに、該第３変形例に係るダイノードの効果を説明するための図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）である。なお、図１３の構成においても、上側フレーム２はガラス基板２０で構成されているものとする。
図１３に示されたように、下側フレーム４のガラス基板４０には、その対向面４０ａ上に複数の窪み部４２が設けられており、これら窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上に各段のダイノードの台座部３３０（厚み２００μｍを有する）が設置されている。台座部３３０の上には二次電子放出面がその側面上に形成される柱状部５１が、該台座部３３０と一体的に設置されている。これら一体化された台座部３３０と柱状部５１により各段のダイノードが構成されている。一方、上側フレーム２のガラス基板２０には、導電性端子２０１Ｃが、該ガラス基板２０の対向面２０ａ上に蒸着された導電膜２０２に接触しており、該導電膜２０２が、導電性材料２０５を介して各柱状部５１の上部（実際には各段のダイノードの給電部５３ａ〜５３ｌ）と電気的に接続されている。この構造において、ガラス基板２０と柱状部５１の上部とは５０μｍ離間している。
特に、図１３に示された各柱状部５１の二次電子放出面５２０が形成される領域の形状は、２つのくびれた構造（３つ以上のくびれた構造でもよい）を有する点で、上述の図１０、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）に示された構造と異なっている。すなわち、図１３の例では、よりガラス基板２０に近い部分（領域Ｒ２）に曲率の大きい湾曲面を形成することで、放出される二次電子を該ガラス基板２０から遠ざけるよう誘導している（領域Ｒ２で発生した二次電子を領域Ｒ１へ誘導）。これにより、上側フレーム２のガラス基板２０へ衝突する二次電子が減少し、発光によるノイズ、帯電による耐電圧不良を効果的に低減することが可能になる。
次に、図１４及び図１５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１４（Ａ）は、上側フレーム２を裏面２０ａ側から見た底面図、図１４（Ｂ）は、側壁フレーム３の平面図である。図１５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１４（Ａ）に示されたように、上側フレーム２（ガラスなどの絶縁材料で構成されてもよい）の対向面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（給電部）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１４（Ｂ）に示されたように、電子増倍部３３には、既に述べたように、導電膜２０２との接続用の給電部５３ａ〜５３ｌが立設されており、陽極部３４の端部には、導電膜２０２との接続用の給電部３７が立設されている。さらに、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、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上で光電面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。
図１５に示されたように、上記構成の上側フレーム２と側壁フレーム３とが接合されると、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５３ａ〜５３ｌ、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に電気的に接続されて外部から給電（又は外部への信号取り出し）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て外部から給電される（図１５参照）。
ここで、図１４（Ｂ）に示されたように、ダイノード３３ｂの台座部５２ｂの両端部のうちの給電部５３ｂに繋がる一方の端部の対向面４０ａに沿った断面積Ｓ１は、その両端部のうちの他方の端部の対向面４０ａに沿った断面積Ｓ２よりも大きくなるように、ダイノード３３ｂの台座部５２ｂ及び給電部５３ｂの形状が規定されている。このダイノード３３ｂにおける、給電部５３ｂが設けられた一方の端部と他方の端部との大小関係は、ダイノード３３ｂの端部全体、つまり上側フレーム２側の面に到るまで連続的に満たされている。そのため、対向面４０ａから正対する方向から見た場合の面積や、その体積においても、給電部５３ｂが設けられた一方の端部の方が他方の端部よりも大きい。このように、給電部５３ｂが設けられた一方の端部の方が物理的な強度に優れていることに加え、上側フレーム２側の面が大きいことから、金（Ａｕ）などからなる導電部材との接触面積も稼ぐことができ、確実な電気的接続にも有効となる。そして、電子増倍部３３を構成するその他のダイノード３３ａ，３３ｃ〜３３ｌも、同様な関係を満たす断面形状に規定されている。また、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌは、対向面４０ａ上において、電子増倍方向に沿って給電部５３ａ〜５３ｌ側の一方の端部と、それと反対側の他方の端部とが互い違いに並ぶように配置されている。換言すれば、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌは、その給電部５３ａ〜５３ｌの配置方向を基準にした台座部の向き（給電部の設けられた一方の端部から他方の端部に延びる方向で規定した台座部の向き）が交互に反対向きになるように対向面４０ａ上に配設されている。
以上説明した光電子増倍管１によれば、入射光が光電面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、筐体５内の下側フレーム４の内面４０ａ上の複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌによって形成された電子増倍チャネルＣ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、ダイノード３３ａ〜３３ｄを例に説明すれば、各ダイノード３３ａ〜３３ｄには、その下側フレーム４側の端部に台座部５２ａ〜５２ｄが設けられ、この台座部５２ａ〜５２ｄには、その片端部から下側フレーム４と対向する上側フレーム２に向けて伸びる給電部５３ａ〜５３ｄが電気的に接続され、この給電部５３ａ〜５３ｄが上側フレーム２の内面２０ａに設けられた導電膜２０２に接続されることにより、各ダイノード３３ａ〜３３ｄが給電される。さらに、下側フレーム４の対向面４０ａにおいて、破線で囲まれた領域には図２に示されたような複数の窪み部４２が形成されており、台座部５２ａ〜５２ｄは、窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上に設置されている。また、給電部５３ａ〜５３ｄ側の一方の端部の対向面４０ａに沿った断面積Ｓ１が、他方の端部の断面積Ｓ２よりも大きくされている。上側フレーム２の導電膜２０２と接触する部位側の台座部５２ａ〜５２ｄの端部の強度を高めることで、給電のための接触による加圧に対して電子増倍部３３の物理的な強度を確保することができる。その結果、変形や破損等を起こすことがなく、電極間の耐電圧の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態では、下側フレーム４の対向面４０ａ上の破線で囲まれた領域に、平面部である中間部４２ａを介して配置された複数の窪み部４２が形成されているが、破線部分全体を底面とする１つの共通窪み部が形成されてもよい。この場合、台座部５２ａ〜５２ｄの中央部は、共通窪み部上に配置されているので、電子増倍部３３の強度を低下させることなく台座部５２ａ〜５２ｄの中央部を下側フレーム４の絶縁面から離間させることができる。さらに、共通窪み部は、複数の台座部５２ａ〜５２ｄの中央部を跨って形成されているので、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｄ間を通過する二次電子の絶縁面への入射による帯電を防止することにより、耐電圧の低下をさらに抑制することができる。
さらに、共通窪み部は、各ダイノード３３ａ〜３３ｌが下側フレーム４の対向面４０ａから離間することで、次のような効果も有する。なお、図１６は、図１の側壁フレーム及び下側フレームの一部破断斜視図（図１の光電子増倍管のII−II線に沿った断面に一致）であり、図１６（Ａ）は、第１構造の下側フレームが適用された図、図１６（Ｂ）は、第２構造例の下側フレームが適用された図である。下側フレーム４のガラス基板４０における対向面４０ａ上には、図１６（Ａ）に示されたように、中間部４２ａを挟んだ複数の窪み部４２が形成されてもよく、また、図１６（Ｂ）に示されたように、１つの共通窪み部４２が形成されてもよい。ただし、以下の説明では、図１６（Ｂ）の構成に沿って行うものとする。
ダイノード３３ａ，３３ｂで例示すれば、その柱状部５１ａ，５１ｂの湾曲形状又はテーパー形状の表面の二次電子放出面の活性時において、ダイノード３３ａ，３３ｂ段間及びダイノード３３ａ，３３ｂ下部において（図１６（Ｂ）の矢印で示す方向において）、アルカリ金属（Ｋ、Ｃｓ等）蒸気の流れが良くなり、均一な二次電子面を形成することが容易になる。また、電子増倍部３３と下側フレーム４との間の接合面積を小さくできるため、電子増倍部３３と下側フレーム４との間に異物を挟み込んでしまうことによる接合不良を防止して信頼性を高めることができる。さらに、共通窪み部４２を設けてダイノード３３ａ〜３３ｌを離間させるような構造により、筐体５の内部容積を大きくすることができるので、内部構成部材からガスの放出があっても真空度の低下を抑制することができる。例えば、ダイノード３３ａ〜３３ｌの厚さが１ｍｍであって窪み部４２のない光電子増倍管に対して、ダイノード３３ａ〜３３ｌの厚さが等しく、共通窪み部４２の深さを０．２ｍｍ、共通窪み部４２の対向面４０ａに対する加工面積の割合を５０％とした光電子増倍管は、その内部容積を１０％程度大きくすることが可能になる。さらに言えば、筐体５内に異物があるような場合であっても、ダイノード３３ａ〜３３ｌと離間している共通窪み部４２の底部に異物が落ちやすいためにダイノード３３ａ〜３３ｌ間に異物が挟まりにくく、異物による耐電圧不良が少なくなる。また、筐体５とダイノード３３ａ〜３３ｌとの接触面積が小さくなるため、筐体５での温度変化の影響が電子増倍部３３に及びにくくなり、周囲温度の上昇に伴う二次電子放出面のダメージを軽減できる。特に、この効果は筐体５の内面に直接に電子増倍部等の電極が配置された構造において重要である。
さらに、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌに対応する複数の台座部は、下側フレーム４の対向面４０ａに沿って、給電部５３ａ〜５３ｌ側の一端部とそれと反対側の他端部とが互い違いに並べられている。つまり、例えば隣り合うダイノード３３ｂ、ダイノード３３ｃにおいて、ダイノード３３ｂの給電部５３ｂ側の一方の端部と対面するダイノード３３ｃの端部は他端部であり、ダイノード３３ｂの他端部と対面するダイノード３３ｃの端部は給電部５３ｃ側の一方の端部となるように並べられている。そして、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌにわたってこの関係を満たすように並べられている。つまり、給電部５３ａ〜５３ｌ側の一方の端部に隣接するのは、隣り合うダイノードの他方の端部であることから、それぞれの台座部の給電部５３ａ〜５３ｌ側の端部の下側フレーム４に沿った断面積を大きくすることができるので、電子増倍部３３の物理的強度をさらに高めることが可能になる。さらに、他方の端部の下側フレーム４に沿った断面形状（下側フレーム４の対向面４０ａと正対する方向から見た形状）は、電子増倍方向に対してほぼ垂直な方向（各ダイノードにおいて一方の端部から他方の端部に向かう方向）に向かって延びる尖頭形状を備えている。このように尖頭形状を有することで、給電部５３ａ〜５３ｌとの間隔を保ちつつ、下側フレーム４への接合面積も大きくすることができ、電極間の耐電圧の低下を抑制することができる。
これに対して、図１７に示されたように、給電部５３ａ〜５３ｌ側の端部を対向面４０ａに沿って隣接して並べるような配置の場合は、給電部５３ａ〜５３ｌ間の耐電圧を考慮するとダイノード間の間隔を大きく（例えば、ダイノードの厚さが０．３５ｍｍの場合は０．５ｍｍ）設定する必要がある。その結果、同数のダイノードを配置する場合は大きな面積を必要とし、シリコン基板をバッチ処理にて加工する場合には１チップあたりの面積を増大させてしまい、しいてはチップコストを上昇させることにもなる。また、ダイノード間隔が大きくなることで電子増倍率の低下を招き、光電子増倍管としての性能を低下させてしまう。一方、ダイノード間隔を狭めるためには、図１８に示されたように、ダイノード３３ａ〜３３ｆの給電部５３ａ〜５３ｆを対向面４０ａに沿って蛇行するように交互にずらして隣接して配置することも考えられる。これにより、ダイノード間隔が狭められ（例えば、０．２ｍｍ）、電子増倍率をある程度高くすることができるが、給電部５３ｂ，５３ｄが突出したダイノード３３ｂ，３３ｄにおいて段間の耐電圧を維持するために給電部５３ｂ，５３ｄ側の端部とダイノード３３ｂ，３３ｄの中央部との間の部位を著しく細く（例えば、０．０５ｍｍ）する必要がある。その結果、ダイノード３３ｂ，３３ｄの強度が低下してクラックが発生して破損したりして、二次電子面への給電が不可能になる場合がある。あるいは、クラックの発生が無くても電気抵抗値が大きくなり、給電部５３ｂ，５３ｄから二次電子面を有するダイノード中央部への電位供給の妨げになることも考えられる。このことから、本実施形態におけるダイノード３３ａ〜３３ｌの配置が、耐電圧の低下を抑制するとともに、ダイノード間隔を狭めた配置を可能とすることから電子増倍率の面からも有利であることがわかった。
なお、図１７は、第１比較例に係る電子増倍部の平面図であり、図１７において、５２０ａ〜５２０ｆは、格段のダイノード３３ａ〜３３ｆそれぞれに設けられた二次電子放出面である。また、図１８は、第２比較例に係る電子増倍部の平面図である。
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１９及び図２０に示されたように、下側フレーム４の窪み部４２の底面上に、電子増倍部３３のダイノード３３ａ〜３３ｌにおける各段間、及び電子増倍部３３（ダイノード３３ｌ）と陽極部３４との間の位置に対応して、下側フレーム４の絶縁面が露出しないように、複数の帯状の導電膜４３が形成されてもよい。この導電膜４３は、下側フレーム４に貫通して設けられた導電性端子４４によって給電される。これにより、電子増倍部３３を通過する電子の下側フレーム４への入射による耐電を確実に防止することができる。さらには、図２１（Ａ）に示されたように、電子増倍部３３の全体に跨って窪み部４２の底面上に導電膜４５を設けることによっても、下側フレーム４の帯電を防止することができる。ただし、この場合は導電膜４５と電子増倍部３３の各ダイノードとの電位差が大きくなってしまうので、図１９の構成の方がより好ましい。この場合、図２１（Ｂ）に示されたように、中間部４２ａを挟むように配置された複数のくぼみ部４２の底面に導電膜４３が形成されればよい。
なお、図１９は、本発明の第１変形例に係る光電子増倍管における下側フレームの斜視図である。図２０は、図１９の下側フレームを裏面側から見た底面図である。さらに、図２１は、本発明の第２変形例に係る光電子増倍管における下側フレームの斜視図であり、図２１（Ａ）は、第２変形例に係る光電子増倍管に適用可能な下側フレームの第３構造、図２１（Ｂ）は、第２変形例に係る光電子増倍管に適用可能な下側フレームの第４構造を示す図である。
本実施形態においては、光電面４１は透過型光電面であったが、反射型光電面でも良いし、光電面４１は上側フレーム２側に配置されてもよい。光電面４１を上側フレーム２側に配置した場合、上側フレーム２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４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。また、陽極部３４は、ダイノード３３ｋとダイノード３３ｌの間に配置されても良い。
以上のように、本実施形態に係る光電子増倍管によれば、電子増倍部が、下側フレームの対向面に平行な第１方向に沿って順次配置された複数段のダイノードで構成されている。また、第１方向を含みかつ下側フレームの対向面に直交する面で規定される、少なくともいずれかのダイノードの断面は、第１方向に沿った幅が該ダイノードの下側フレーム側端部と上側フレーム側端部との間で最小になる形状を有する。このように、ダイノードにおける二次電子放出面の形状を、該ダイノードの高さ方向に沿って窪んだ形状に加工することにより、二次電子放出面から下側フレーム又は上側フレームへ向かう電子の軌道が効果的に修正される。
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
１…光電子増倍管、２…上側フレーム、４…下側フレーム、３３…電子増倍部、４１…光電面、４２…窪み部、４２ａ…中間部、５１ａ〜５１ｄ、５１…柱状部、５２ａ〜５２ｄ、３３０…台座部、５２０二次電子放出面、３４…陽極。
図３に示されたように、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３３ａ〜３３ｌから構成されている。これらの複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌ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３３ｌ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を複数並列に形成している。なお、集束電極３１と第１段目のダイノード３３ａとの間と、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌにおける隣接するダイノード同士の間、及び最終段のダイノード３３ｌと陽極３４との間には窪み部４２が設けられており、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌは、図２の下側フレーム４に設けられた複数の窪み部４２の間に位置する平面部である中間部４２ａ上にそれぞれ配置される。
図１０に示された各柱状部５１の二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの形状は、領域Ｒの中間位置よりも下側フレーム４に近い位置でくびれた構造（Ｌだけ柱状部５１の内部に向かって突出した形状）を有している。すなわち、くびれた位置よりも上側の領域Ａの方が、くびれた位置よりも下側の領域Ｂよりも広くなっている。具体的に、二次電子放出面５２０が形成される領域Ｒの、高さ方向の長さは、８００μｍであり、領域Ａの高さ方向の長さと領域Ｂの高さ方向の長さの比（Ａ：Ｂ）は、１：１〜１０：１であればよく、好ましくは、３：２〜７：１である。また、くびれ構造を規定する深さＬは２０μｍ〜１５０μｍであればよく、好ましくは、３０μｍ〜８０μｍである。

Claims (8)

  1. 所定の設置面上の第1方向に沿って前記設置面上に順次配置され、前記第1方向と平行な方向に沿って進行する電子をカスケード増倍する複数段のダイノードを備えた電子増倍部であって、
    前記複数段のダイノードそれぞれは、前記設置面上で前記第1方向と直交する第２方向に沿って伸びた共通の台座部と、それぞれが前記設置面に垂直な第３方向に沿って伸び、それぞれが物理的に分離された外周面で規定される側壁形状を有し、かつ、それぞれが所定距離離間した状態で前記共通の台座部上に配置された複数の柱状部と、を備え、
    前記複数段のダイノードそれぞれにおいて、前記複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部は、前記第３方向に直交する断面の面積又は外周長が、当該柱状部における外周面のいずれかの位置で最小になるよう加工された形状を有する電子増倍部。
  2. 前記複数段のダイノードそれぞれにおいて、前記複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域の表面形状は、前記第1及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において、当該柱状部の内部に向かって突出した１又はそれ以上の窪み形状を含む線分により規定されていることを特徴とする請求項１に記載の電子増倍部。
  3. 前記複数段のダイノードそれぞれにおいて、前記複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部は、前記第1及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において、前記第１方向に沿った長さで規定される当該柱状部の幅が当該柱状部における外周面のいずれかの位置で最小になるよう加工された断面形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子増倍部。
  4. 前記複数段のダイノードそれぞれにおいて、前記複数の柱状部のうち少なくともいずれかの柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域の表面形状は、１又はそれ以上の曲面、１又はそれ以上の平面、又はこれらの組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に項記載の電子増倍部。
  5. 内部が減圧状態に維持された外囲器であって、少なくともその一部が、設置面を有する絶縁性材料からなる基板により構成された外囲器と、
    前記外囲器の内部空間に収納された光電面であって、前記外囲器を介して取り込まれた光に応じて光電子を前記外囲器の内部に放出する光電面と、
    前記外囲器の内部空間に収納された状態で前記設置面上に配置された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子増倍部と、そして、
    前記外囲器の内部空間に収納された状態で前記設置面上に配置された陽極であって、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極とを備えた光電子増倍管。
  6. 隣接するダイノード間における互いに対面する領域の関係として、一方のダイノードにおける柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域と、他方のダイノードにおける柱状部の外周面のうち単一の二次電子放出面が形成される領域とは、前記第１及び第３方向の双方を含む平面によって規定される断面において互いに遠ざかる方向に窪んだ表面形状を有することを特徴とする請求項５に記載の光電子増倍管。
  7. 前記外囲器は、前記設置面を有する少なくとも一部が絶縁材料からなる下側フレームと、前記下側フレームに対向するよう配置された上側フレームであって前記下側フレームの設置面に対面する面を有する少なくとも一部が絶縁材料からなる上側フレームと、前記上側フレーム及び下側フレームの間に設けられ、前記電子増倍部及び前記陽極を取り囲む形状を有する側壁フレームとを備え、
    前記電子増倍部と前記陽極は、互いに所定距離だけ離間した状態で前記設置面上に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の光電子増倍管。
  8. 前記設置面上に所定距離だけ離間した状態で配置された複数の窪み部であって、それぞれが、前記設置面上の第２方向に沿って伸びた複数の窪み部を備え、
    前記複数段のダイノードそれぞれは、その台座部が前記複数の窪み部の間に位置するよう前記設置面上に配置されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の光電子増倍管。
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