WO2003071570A1

WO2003071570A1 - Cathode photoelectrique du type a emission et tube electronique

Info

Publication number: WO2003071570A1
Application number: PCT/JP2003/001991
Authority: WO
Inventors: Minoru Niigaki; Shoichi Uchiyama; Hirofumi Kan
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2003-08-28
Also published as: US20050174052A1; CN1628364A; AU2003211445A1; JP2003249164A; JP4166990B2; US7652425B2

Description

明細書

透過型光電陰極及び電子管

技術分野

本発明は、被検出光を吸収して光電子を励起し、外部へ放出する光電陰極及び光電陰極を備えた電子管に関するものである。

背景技術

従来から、所定波長の被検出光を検知するために用レ、られる光電陰極及びそれを備えた電子管が知られている。光電陰極は、所定波長の光を吸収して光電子を放出する光吸収層を有しており、光吸収層に被検出光が入射されてこの被検出光が光電子に変換されることによって、被検出光を検知することができる。光吸収層には様々な半導体材料が用いられるが、紫外光について光電変換の量子効率の高い材料として多結晶ダイヤモンドが、特開平 1 0— 1 4 9 7 6 1号公報に開示されている。

近年の半導体の高集積化に伴って半導体集積回路の微紬化が急速に進んでいる。現在、微細な半導体集積回路の製造方法として光リソグラフィ一が有望視されており、その光源は A r Fマキシマレ一ザから F ₂レーザ等の波長の短いものへと研究が進められている。そして、このような紫外光などの波長の短い光を利用した技術の発展に伴って、紫外光をモニタするための光検出器が要求されている。発明の開示

紫外光などの光検出器として従来用いられてきた S iフォトダイオード等の内部光電効果素子は、強い紫外光の入射によって、 p Z n接合やショットキ接合が劣化し、安定に動作しないことが問題になっている。

一方、光電陰極を用いた電子管などの外部光電効果素子は、一般に上記のような p Z n接合ゃショットキ電極を有しないので、これらの劣化の問題は発生しない。そして、光電陰極には、被検出光を入射する入射面と光電子を放出する出射面とが同一の面である反射型と、これらの面が異なる透過型の 2種類の型がある。本願発明者による実験では、ダイヤモンドからなる反射型の光電陰極では強力な紫外光の入射によりその表面状態が変化することがわかっており、このため仕事関数の変化により光電子の放出効率が低下することが観測されている。

一方、ダイヤモンドからなる透過型の光電陰極では、被検出光の入射により発生した光電子が反対側の出射面から放出されなくてはならず、そのためには薄いダイヤモンド膜が必要となる。本願発明者によるダイヤモンド膜の光電子放出に関する実験により、ダイヤモンド膜内の光電子の拡散長は 0 . 0 5 μπι程度であることがわかっている。また、効率よく光電子を放出させるためにはダイヤモンド膜の膜厚を拡散長と同程度にする必要がある。しかしながら実際にはこのような薄い膜厚のダイヤモンド薄膜を、紫外光に対して透明な基板、例えば M g F ₂、サフアイャ、石英基板上に形成することは困難であり、ダイヤモンドからなる透過型の光電陰極を実現することは困難であった。このため、紫外光などの波長の短い光に対して充分な感度を有する透過型光電陰極を実現できなかった。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、紫外光などの波長の短い光に対して充分な感度を有するとともに、光電変換によって生成された光電子を高い効率で放出させることができる透過型光電陰極、及びそれを用いた電子管を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による透過型光電陰極は、入射された被検出光によって励起された光電子を放出する光電陰極であって、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなり、その一方の面が被検出光を入射する入射面、他方の面が光電子を放出する出射面となっている光吸収層と、光吸収層に対して、入射面と出射面との間に所定電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とする。

光吸収層の一方が入射面、他方が出射面となっている透過型の光電陰極とすることによって、強い紫外光の入射により出射面の表面状態が変化することがなく、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層がダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなることによって、紫外光などの波長の短い被検出光が光電子に変換される効率を高めることができる。また、電圧印加手段が光吸収層内部に電界を形成することによって、光電子を出射面まで到達し易くし、高い効率で放出させることができる。

また、透過型光電陰極は、光吸収層の機械的強度を補う支持手段を備えることが好適である。これにより、薄く形成される光吸収層の機械的強度を補うことができる。

また、光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなることが好適である。多結晶ダイヤモンドは薄膜内部に粒界面が存在するので、単結晶ダイヤモンドよりも効率よく光電子を放出させることができる。また、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べて形成が容易なので、安価に製造することができる。

また、光吸収層が多結晶ダイヤモンドからなる場合には、その粒界面が酸素終端されていることが好ましい。このようにすれば、これらの面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続させることができる。

また、光吸収層の出射面は酸素終端されていることが好ましい。このようにすれば、出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続させることができる。あるいは、光吸収層の出射面は水素終端されていることが好適である。これにより出射面の仕事関数を低下させることができ、出射面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ容易に放出できる。

また、光吸収層の出射面には光吸収層の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることが好ましい。これにより、光吸収層の出射面に到達した光電子は透過型光電陰極の外部へさらに容易に放出されることができる。この活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物を用いて形成されると、上記の効果を好適に奏することができる。

また、本発明による電子管は、上記した透過型光電陰極と、透過型光電陰極から放出された光電子を直接または間接に収集するための陽極と、透過型光電陰極及び陽極を収納する容器とを備えることが好適である。このような透過型光電陰極を用いた電子管によれば、紫外光などの波長の短い被検出光を高い量子効率で検出することができる。

また、電子管は、透過型光電陰極から放出された光電子を 2次電子増倍する電子増倍手段を備えることを特徴としてもよレ、。このような電子管により、微弱な被検出光を大きな信号電流として検出可能な光電子増倍管が得られる。これにより、紫外光等を高い S ZN比で精度良く検出できる。

また、陽極は、電子が入射することによって発光する蛍光体からなることが好適である。このような電子管により、被検出光による画像を精度よく再現可能なイメージ管が得られる。

また、電子管は、電子が入射することによって発光する蛍光体を備え、透過型光電陰極への被検出光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光させることにより画像を表示することが好適である。電子管をこのように画像表示素子として用いることによって、位置情報を有する光信号を入射させて静止画、あるいは動画を従来より高輝度、低消費電力で表示することができる。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明による透過型光電陰極の第 1実施形態の構成を示す側面断面図である。

図 2は、図 1に示した透過型光電陰極の斜視図である。

図 3は、図 1に示した透過型光電陰極の、入射した光の波長に対する量子効率を示す分光感度特性のグラフである。

図 4 A— Eは、図 1に示した透過型光電陰極の製造工程を示す工程図である。図 5は、透過型光電陰極の第 2実施形態の構成を示す側面断面図である。図 6は、透過型光電陰極の第 3実施形態の構成を示す側面断面図である。図 7 Aは、透過型光電陰極の第 4実施形態の構成を示す側面断面図であり、図 7 Bは、その底面図である。

図 8は、本発明による電子管の第 1実施形態として、光電子増倍管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

図 9は、電子管の第 2実施形態として、光電子増倍管の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

図 1 0は、電子管の第 3実施形態として、画像増強管（イメージ ·インテンシファイア）の構成を模式的に示す断面図である。

図 1 1は、電子管の第 4実施形態の構成を模式的に示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面とともに本発明による透過型光電陰極及び電子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要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図 1は、本発明による透過型光電陰極の第 1実施形態の構成を示す側面断面図である。また、図 2は図 1に示した透過型光電陰極の斜視図である。

図 1に示す透過型光電陰極は、光吸収層 1、支持枠 2 1、第 1電極 3 1、及び第 2電極 3 2によって構成されている。この透過型光電陰極は、紫外光などの被検出光の入射により光吸収層 1内部に光電子が励起され、この光電子が外部へ放出される光電陰極である。また、光吸収層 1の一方の面（図 1中の上面）が被検出光を入射する入射面、その反対側の面となる他方の面（図 1中の下面）が光電子を放出する出射面となる透過型の構成を有している。

光吸収層 1はダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料から形成されたダイヤモンド膜からなる。この光吸収層 1は、好ましくは被検出光が入射する入射深さよりも充分に厚く形成されるのが良い。また、光吸収層 1は出射面が酸素終端や水素終端として終端処理されるのが好ましい。

支持枠 2 1は、薄く形成される光吸収層 1の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠 2 1は、 S i等の材料からなり、光吸収層 1の出射面上の外縁部に設けられている。

第 1電極 3 1は、光吸収層 1の入射面に対して設けられる入射面側電極である。本実施形態においては、図 2に示すように光吸収層 1の入射面上に格子状に第 1 電極 3 1が形成されている。また、第 2電極 3 2は、光吸収層 1の出射面に対して設けられる出射面側電極である。本実施形態においては、支持枠 2 1の光吸収層 1側とは反対側の全面に第 2電極 3 2が形成されている。これら第 1電極 3 1 及び第 2電極 3 2は、光吸収層 1の入射面と出射面との間に電圧を印加して光吸収層 1内部に電界を形成する電圧印加手段として設けられている。

また、光吸収層 1の出射面上には、出射面の仕事関数を低下させるための活性層 1 1が形成されている。

上記した透過型光電陰極の構成において、被検出光が光吸収層 1の入射面から入射すると、光吸収層 1内部に被検出光の光量に応じた数の光電子が発生する。また、光吸収層 1内部には、第 1電極 3 1と第 2電極 3 2との間に接続された電源 3 3によって所定の電圧を印加することにより、出射面側が正、入射面側が負となるような電界が形成されている。この電界によって、光吸収層 1内部に発生した光電子は出射面方向に加速され、出射面に到達した後、活性層 1 1を通過して透過型光電陰極の外部に放出される。

本実施形態の透過型光電陰極は、以下に示す効果を得ることができる。なお、量子効率とは、被検出光の入射に対して光吸収層 1内部において変換された光電子が透過型光電陰極の出射面から外部に放出される効率である。

図 1に示した透過型光電陰極は、光吸収層 1の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。このように、被検出光が入射する入射面を光電子が放出される出射面とする反射型ではなく、透過型の構成とすることにより、強力な紫外光などの被検出光の入射による出射面の表面状態の変化が防止される。これによつて、出射面での仕事関数の変化が抑制されるので、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。

また、光吸収層 1がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されている。ダイヤモンドは、光電陰極の材料として従来より用いられている C s Iなどの材料よりも、紫外光に対する光電子変換効率が高い。このような性質を有するダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を光吸収層 1に用いることによって、光吸収層 1は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。

また、光吸収層 1の入射面側に第 1電極 3 1、出射面側に第 2電極 3 2を設けて光吸収層 1内部に電界を形成している。これによつて、光吸収層 1内部で発生した光電子を効率よく出射面に到達させることができ、光電子が透過型光電陰極の外部へ放出される効率を高めることができる。通常、光吸収層 1内部で発生した光電子が光吸収層 1外部へ放出されるためには、光電子を外部へ放出させるために光吸収層 1の厚さを光電子の拡散長と同程度に形成する必要がある。しカゝし、このような厚さの光吸収層 1をダイヤモンド及びダイヤモンドを主成分とするダィャモンド膜として形成することは困難である。本実施形態による透過型光電陰極では、光吸収層 1内部に電界を形成して、光吸収層 1内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光吸収層 1の厚さが、例えば厚さ数 μπι程度といった拡散長より厚い場合でも効率よく光電子を放出させることができる。

ここで、光吸収層 1の材料としては、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイャモンドを主成分とする材料を用いることが好ましい。多結晶ダイヤモンドは粒状結晶からなるため、内部に粒状結晶の表面である粒界面を有している。そして、光吸収層 1内部において発生した光電子が拡散する全方向に存在する粒界面から光電子が放出される。このため、光電子が励起してから放出されるまでの移動距離が短くなり、放出される光電子の数が多くなる。その結果、より高い量子効率を得ることができる。また、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べて安価に、大量に製造できることから、光吸収層 1の材料として多結晶：ドを用いれば、透過型光電陰極の製造コストを抑えることができる。

また、光吸収層 1の出射面上の外縁部には、支持手段として支持枠 2 1が設けられている。光吸収層 1は、内部において発生した光電子を放出するために薄く形成されるので、機械的な強度が充分でない場合がある。このように、光吸収層 1の機械的強度を補う必要がある場合は、支持枠 2 1のような支持手段を出射面上の外縁部などの適当な位置に設けると良い。これによつて、光吸収層 1の機械的強度を補うことができる。

また、光吸収層 1の出射面は酸素によって終端されていることが好ましい。光吸収層 1の出射面が酸素で終端されることによって、光吸収層 1の出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続することができる。あるいは、光吸収層 1の出射面の表面は、水素で終端することもできる。水素で終端された場合でも、光吸収層 1の出射面の仕事関数を低下させることができ、出射面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ容易に放出できる。

また、光吸収層 1が多結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなるときは、光吸収層 1の多結晶ダイヤモンドの表面及び粒界面は、酸素終端されていることが好ましい。これらの面が酸素で終端されることによつて、光吸収層 1の出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続することができる。

なお、図 1に示した透過型光電陰極は透過型の構成を有しているため、紫外光などの被検出光は出射面には入射せず、上記した終端処理による表面状態は変化しない。これによつて、終端処理により高めた光電子の放出効率を維持できる。また、光吸収層 1の出射面上には、ダイヤモンドの仕事関数を低下させる性質をもつ活性層 1 1が形成されることが好ましい。光吸収層 1の出射面の仕事関数を低下させることで、光吸収層の出射面に到達した光電子を光吸収層 1の出射面からさらに容易に放出できる。また、この活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物などを用いて形成されることで、上記の効果を好適に得ることができる。

ここで、図 3は、図 1に示した透過型光電陰極の、入射した光の波長に対する量子効率を示す分光感度特性のグラフである。図 3では、縦軸に量子効率（％；)、横軸に被検出光の波長（n m) を表している。透過型光電陰極を上記した構成とすることによって、真空紫外域の光に対して高い量子効率を実現している。

図 1に示した透過型光電陰極の製造方法及び具体的構成の一例について概略的に説明する。図 4 A— Eは、図 1に示した透過型光電陰極の製造工程を示す工程図である。

S iからなる基板 2 0の一方の面上に、多結晶ダイヤモンドからなる光吸収層

1を約 5 μπιの厚さで堆積する（図 4 Α：)。このような、薄い多結晶ダイヤモンドの層を形成する方法としては、熱フィラメントまたはマイクロ波プラズマを用いた化学気相堆積法（C V D法）やレーザ一アブレーシヨン法などによる合成方法を用いることができる。また、基板 2 0の材料は S iに限らず、モリブデンゃタンタルといった高融点金属や、石英、サフアイャといったものを用いてもよい。次に、基板 2 0の他方の面上に第 2電極 3 2を蒸着により形成する（図 4 B )。そして、基板 2 0の他方の面上から、第 2電極 3 2と基板 2 0との一部を適当な寸法のマスクを用いてエッチング除去し、光吸収層 1を一部露出させる（図 4 C )。エッチングは H F + H N 0₃溶液または K O H溶液により行われ、基板 2 0がエツチングされ光吸収層 1が露出するとエッチングは自動的に停止する。基板 2 0のうち、エッチングによって除去されなかった部分は、支持枠 2 1として光吸収層 1の機械的強度を補う機能を有する。

そして、光吸収層 1の、エッチングにより露出した面（出射面）とは反対側の面（入射面）上に、フォトリソグラフィ一技術とリフトオフ技術を用いて、適当な寸法の格子状の第 1電極 3 1を形成する（図 4 D )。そして、これらを真空中に保持して、光吸収層 1の出射面の清浄化を行った後に出射面等を酸素終端もしくは水素終端する。

最後に、光吸収層 1の出射面にアルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アル力リ金属のフッ化物など、ダイヤモンド表面の仕事関数を低下させる性質を有する材料を塗布して活性層 1 1を形成する（図 4 E )。

上記の製造工程によって、第 1実施形態による透過型光電陰極を製造することができる。ただし、透過型光電陰極の製造方法及び具体的構成については、本実施例に限らず、様々な方法及び構成を用いることができる。

図 5は、透過型光電陰極の第 2実施形態の構成を示す側面断面図である。

図 5に示す透過型光電陰極は、光吸収層 1、活性層 1 1、支持枠 2 1、第 1電極膜 3 1 a、補助電極 3 4、及び第 2電極 3 2によって構成されている。このうち、光吸収層 1、活性層 1 1、支持枠 2 1、第 2電極 3 2の構成は図 1に示した透過型光電陰極と同様である。

第 1電極膜 3 l aは、光吸収層 1の入射面上に薄膜状に形成されている。第 1 電極膜 3 1 aは、被検出光により発生した光電子が第 1電極膜 3 1 aで吸収されないよう、極めて薄く（厚さ 3 0〜 1 5 0口程度）形成されている。また、薄膜状に形成されている第 1電極膜 3 1 aへの電気的接続のために、第 1電極膜 3 1 aの上に補助電極 3 4が形成されている。

本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層 1の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。この構成によって、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層 1がダイヤモンドもしくはダイャモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層 1は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。

また、光吸収層 1の入射面側に第 1電極膜 3 1 a、出射面側に第 2電極 3 2を設けて光吸収層 1内部に電界を形成している。光吸収層 1内部に電界を形成して、光吸収層 1内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによつて、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。

また、第 1電極膜 3 1 aは光吸収層 1の入射面上に薄膜状に形成されている。電圧印加手段を構成する電極のうち、光吸収層 1に接する電極は図 1に示した第 1電極 3 1のように形成することで透過型光電陰極を好適に動作させることができるが、製造工程をより簡便にする必要があるときは、蒸着などの方法により図 5に示すような薄膜状に形成すると良い。このように形成することで、透過型光電陰極での量子効率を向上させるための電圧印加手段を簡便な製造工程により設けることができる。

図 6は、透過型光電陰極の第 3実施形態の構成を示す側面断面図である。

図 6に示す透過型光電陰極は、光吸収層 1、活性層 1 1、支持枠 2 2、第 1電極 3 5、及び第 2電極 3 6によって構成されている。このうち、光吸収層 1及び活性層 1 1の構成は図 1に示した透過型光電陰極と同様である。

支持枠 2 2は、薄く形成される光吸収層 1の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠 2 2は、光吸収層 1の入射面上の外縁部に設けられている。

第 1電極 3 5は、光吸収層 1の入射面に対して設けられる入射面側電極である。本実施形態においては、支持枠 2 2の光吸収層 1側とは反対側の全面に第 1電極 3 5が形成されている。また、第 2電極 3 6は、光吸収層 1の出射面に対して設けられる出射面側電極である。本実施形態においては、光吸収層 1の出射面上に格子状に第 2電極 3 6が形成されている。これら第 1電極 3 5及び第 2電極 3 6 は、光吸収層 1の入射面と出射面との間に電圧を印加して光吸収層 1内部に電界を形成する電圧印加手段として設けられている。

本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層 1の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。この構成によって、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層 1がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層 1は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。

また、光吸収層 1の入射面側に第 1電極 3 5、出射面側に第 2電極 3 6を設けて光吸収層 1内部に電界を形成している。光吸収層 1内部に電界を形成して、光吸収層 1内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。

また、光吸収層 1の入射面上の外縁部に、支持手段として支持枠 2 2が設けられている。薄く形成されている光吸収層 1の機械的強度を補う必要がある場合は、支持手段を図 1に示したように出射面上に設けるほか、本実施形態のように入射面上に設けることによつても、光吸収層 1の機械的強度を好適に補うことができる。

図 7 A、 Bは、透過型光電陰極の第 4実施形態の構成を示す図である。図 7 A は透過型光電陰極の側面断面図、図 7 Bは、透過型光電陰極を第 2電極 3 2側から見た底面図である。

図 7 Aに示す透過型光電陰極は、光吸収層 1、活性層 1 1、支持枠 2 3、第 1 電極 3 1、及び第 2電極 3 2によって構成されている。このうち、光吸収層 1、活性層 1 1及び第 1電極 3 1の構成は図 1に示した透過型光電陰極と同様である。支持枠 2 3は、光吸収層 1の出射面上に、図 7 Bに示すような格子状に設けられている。この支持枠 2 3は、各格子枠内の形状及び面積が均一になるように形成されている。また、このように格子状に設けられている支持枠 2 3の、光吸収層 1側とは反対側の全面に、第 2電極 3 2が形成されている。

本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層 1の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。これによつて、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層 1がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層 1は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。また、光吸収層 1の入射面側に第 1電極 3 1、出射面側に第 2電極 3 2を設けて光吸収層 1内部に電界を形成している。光吸収層 1内部に電界を形成して、光吸収層 1内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。

また、光吸収層 1の機械的強度を補うための支持枠 2 3が格子状に設けられている。光吸収層 1が比較的小さな面積の場合には、図 1に示したような形状の支持手段で充分強度を補うことができる。しかし、光吸収層 1の面積が大きいなどの理由から、機械的強度をさらに補う必要がある場合には、本実施形態のような形状の支持手段を設けることによって、光吸収層 1の機械的強度をさらに補うことができる。このとき、各格子枠内の形状及び面積が均一になるように支持枠 2 3を設ければ、機械的強度をより強くすることができる。なお、支持手段の形状は上記した格子状に限られるものではなく、様々な形状が可能である。

なお、透過型光電陰極の第 3及び第 4実施形態においては、第 2電極 3 6及び第 1電極 3 1を格子状に形成しているが、第 2実施形態での第 1電極膜 3 1 aのように薄膜状に形成しても良い。光吸収層 1の表面に設けられる電極の形状としては、格子状、薄膜状、あるいは他の形状を適宜選択することができる。

以上に詳述した透過型光電陰極は、光電子増倍管や画像増強管などの電子管に用いることができる。以下に、このような電子管に関する実施形態を述べる。なお、以下においては透過型光電陰極に設けられる電圧印加手段等については図示を省略する。

図 8に示す光電子增倍管は、被検出光を光電子に変換して放出する透過型光電陰極 4、光電子を 2次電子増倍する電子増倍手段 5、増倍された 2次電子を収集するための陽極 6、及びこれらを真空状態で内包する容器である真空容器 7によつて構成されている。これらの構成要素は、真空容器 7の内部に、被検出光が入射する側から透過型光電陰極 4、電子増倍手段 5、陽極 6の順に所定の間隔をあけて配置されている。

透過型光電陰極 4としては、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなる上記した透過型光電陰極が用いられている。そして、透過型光電陰極 4の出射面側に所定の距離をおいて、電子増倍手段 5が設けられている。電子増倍手段 5としては、マイクロチャンネルプレート（以下、 M C Pという） 5 1が用いられている。 MC P 5 1は、内壁が 2次電子放出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有している。このチャンネルの、光電子が入射する入力端と 2次電子が放出される出力端との間には所定の電圧が印加され、電界が形成されている。そして、チャンネル内部に入射した光電子が 2次電子放出体への衝突を繰り返しながら増倍され、 2次電子として放出される。

また、 M C P 5 1の出力端から所定の距離をおいて、陽極 6が設けられている。陽極 6は、 M C P 5 1から放出された 2次電子を収集することによって、透過型光電陰極 4力、ら放出された光電子を間接的に収集する。

また、透過型光電陰極 4、電子増倍手段 5、及び陽極 6は、内部が真空状態になっている密閉容器である真空容器 7に内包されている。真空容器 7のうち、被検出光が入射する透過型光電陰極 4と対向した面には入射窓 7 1が設けられている。これにより、入射される光のうち所定波長の被検出光が効率よく透過型光電陰極 4へと入射される。また、透過型光電陰極 4 、 M C P 5 1の入力端及び出力端、及び陽極 6には、透過型光電陰極 4側が負の電位、陽極 6側が正の電位となるように段階的に電圧が印加されて電界が形成されている。

上記の構成において、被検出光が入射窓 7 1を通して透過型光電陰極 4の入射面に入射すると、透過型光電陰極 4において光電子が生成されて出射面より真空容器 7内部の真空中へ放出される。 M C P 5 1の入力端には透過型光電陰極 4に対して正の電圧が印加されて電界が形成されており、真空中へ放出された光電子は MC P 5 1 へ入射される。そして、 M C P 5 1のチャンネル内部で光電子が増倍されて 2次電子となり、 Sび真空中に放出される。このとき、 M C P 5 1を通過した 2次電子は、例えば光電子の約 1 0 0万倍程度にまで増倍される。陽極 6 は MC P 5 1の出力端に対して正の電圧が印加されて電界が形成されており、 M C P 5 1から放出された 2次電子は陽極に収集され、入射した被検出光による検出信号として光電子増倍管の外部に取り出される。

図 8に示した光電子増倍管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極 4を用いることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光を検出することが可能な光電子増倍管を実現できる。

また、被検出光が微弱である等の場合には、図 8に示したような電子増倍手段を用いれば、増倍された大きな電流の検出信号が得られるので、高い S ZN比で精度よく被検出光を検出することが可能になる。

図 9に示す光電子増倍管は、透過型光電陰極 4、電子増倍手段 5、陽極 6、及び真空容器 7によって構成されている。このうち、透過型光電陰極 4、陽極 6、及び真空容器 7の構成は図 8に示した光電子増倍管と同様である。

電子増倍手段 5としては、複数の MC P 5 1 (図 9においては 3個）が用いられている。複数の M C P 5 1のそれぞれは、内壁が 2次電子放出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有しており、チャンネルの入力端と出力端との間には所定の電圧が印加され、電界が形成されている。そして、このような複数の M C P 5 1が所定の間隔で、互いの出力端と入力端とが向かい合うように配列されている。また、透過型光電陰極 4から最も遠い位置にある M C P 5 1の出力端から所定の距離をおいて、陽極 6が設けられている。陽極 6は、この MC P 5 1 から放出された 2次電子を収集する。

上記の構成において、被検出光が入射窓 7 1を通して透過型光電陰極 4の入射面に入射すると、透過型光電陰極 4において光電子が生成されて出射面より真空容器 7内部の真空中へ放出される。真空中へ放出された光電子は、 1次電子として透過型光電陰極 4に最も近い位置にある MC P 5 1へ入射し、増倍されて 2次電子として放出される。そして、これ以降に配列されている複数の M C P 5 1によって繰り返し増倍される。最後に、増倍された 2次電子は陽極 6に収集され、入射した被検出光による検出信号として光電子増倍管の外部に取り出される。図 9に示した光電子増倍管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極 4を用いることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光を検出することが可能な光電子增倍管を実現できる。

また、電子増倍手段 5としてネ复数の M C P 5 1を用いることによって、さらに高い 2次電子増倍率で大きな検出信号を得ることができるので、より高い S ZN 比で精度よく被検出光を検出することが可能になる。

なお、上記した光電子増倍管の各実施形態では、透過型光電陰極 4と MC P 5 1、陽極 6が対向するいわゆる近接型の構成となっているが、例えば透過型光電陰極 4と電子増倍手段 5との間に静電レンズを備えて光電子を収束する、いわゆる静電収束型の構成としてもよい。また、透過型光電陰極を用いた電子管としては、上記した光電子増倍管以外にも、電子増倍手段 5を備えない、すなわち透過型光電陰極 4から放出された光電子が直接に陽極 6に収集されるような構成としてもよレヽ。

また、光電子もしくは 2次電子を収集するための陽極 6を備えているが、陽極 6のかわりにフォトダイォ一ドなどの半導体素子を備えてもよい。光電子もしくは 2次電子を直接このような半導体素子に打ち込む、いわゆる電子打ち込み型の光電子増倍管として動作させることで、上記した光電子増倍管の各実施形態を好適に実施できる。

図 1 0は、電子管の第 3実施形態として、イメージ管である画像増強管（ィメージ ·インテンシファイア）の構成を模式的に示す断面図である。

図 1 0に示す画像増強管は、透過型光電陰極 4、電子増倍手段 5、陽極 6 a、及び真空容器 7によって構成されている。このうち、透過型光電陰極 4、電子増倍手段 5、及び真空容器 7の構成は図 8に示した光電子増倍管とほぼ同様である。陽極 6 aは、 M C P 5 1から放出された 2次電子を収集する機能を有し、 M C

P 5 1の出力端から所定の距離をおいて設けられている。また、この陽極 6 aは電子が入射することによって発光する蛍光体からなる。

上記の構成において、画像を構成している被検出光が入射窓 7 1を透過して透過型光電陰極 4に入射すると、透過型光電陰極 4内部において光電子が生成されて真空容器 7内部に放出される。そして、放出された光電子は M C P 5 1に入射する。このとき、 M C P 5 1の入力端には透過型光電陰極 4に対して正の電圧が印加され、電界が形成されている。光電子はこの電界と平行に進むので、画像増強管に入射したときの 2次元情報を保ちながら M C P 5 1に入射する。 M C P 5 1に入射した光電子は増倍されて 2次電子として放出され、蛍光体からなる陽極 6 aに収集される。このとき、 M C P 5 1の出力端には入力端に対して正の電圧が印加され、かつ陽極 6 aには M C P 5 1の出力端に対して正の電圧が印加されている。これらにより電界が形成され、光電子が有していた 2次元情報を保ちながら 2次電子が陽極 6 aに収集されて、蛍光体からなる陽極 6 aが発光する。以上の動作によって、画像増強管に入射した被検出光による画像は増強されて、蛍光体からなる陽極 6 aから出力される。

図 1 0に示した画像増強管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極 4を用いることによって、高い量子効率を有する画像増強管を実現できる。

また、透過型光電陰極 4に入射した被検出光の光量に応じて、高い量子効率で得られた光電子が、さらに増倍されて蛍光体へ入射し、高輝度の画像が得られる。これにより、入射された画像が微弱である場合においても精度よく画像を増倍することが可能になる。

なお、上記した画像増強管においては、光電子または 2次電子によって発光する手段として蛍光体が用いられているが、この手段は電子を画像に変換できるものであればよい。例えば、蛍光体のかわりに電荷結合素子（C C D ) などの撮像素子を備え、光電子あるいは 2次電子を直接撮像素子に打ち込み、画像化することによっても同様の効果を得ることができる。

図 1 1に示す電子管は、透過型光電陰極 4、陽極 6 b、及び真空容器 7によつて構成されている。これらの透過型光電陰極 4、陽極 6 b、及び真空容器 7の構成は、図 1 0に示した画像増強管と同様であるが、本実施形態の電子管は、電子増倍手段を有しない構成となっている。本電子管は、透過型光電陰極に入射された被検出光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光させることにより、画像を. 表示する画像表示素子として用いることができる。以下に、画像表示素子としての電子管の動作を説明する。

画像信号としての被検出光（ 1 1、 m l、 n 1 ) が入射窓 7 1を透過して透過型光電陰極 4の所定の位置に入射すると、透過型光電陰極 4内部において被検出光の入射位置に対応した光電子（e l、 e 2、 e 3 ) が生成されて真空容器 7内部に放出される。真空中へ放出された光電子は、透過型光電陰極 4と陽極 6 bとの間に高電圧が印加されているため、加速されて直進し、蛍光体からなる陽極 6 bに収集される。すなわち入射位置の異なる被検出光 1 1、 m l、 n lに対応する位置において、それぞれ光 1 2、 m 2、 n 2が蛍光体から発光される。

図 1 1に示した電子管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極 4を用いることによって、高い量子効率を有する電子管を実現できる。このことから、透過型光電陰極 4に入力された画像信号の光量に対して高い量子効率で得られた光電子によつて高輝度の画像が得られるので、高輝度、低消費電力で静止画や動画を表示することが可能となる。また、電子管に入力される画像信号として、 X Yアドレスなどの 2次元での位置情報が与えられた、プラズマ光などの紫外光を用いれば、従来のプラズマディスプレイのようにプラズマにより直接蛍光体を発光させるよりも、より高輝度、低消费電力な画像表示装置を実現できる。

なお、第 3実施形態の画像増強管、及び第 4実施形態の画像表示素子において、さらに高輝度な画像を得る必要があるときには、 2次電子増倍率をさらに得るために M C P 5 1は任意の個数とすることができる。このようにすれば、入射した画像をさらに増強し、高輝度とすることができる。

本発明による透過型光電陰極及び電子管は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、透過型光電陰極の各実施形態において、光吸収層 1の機械的強度が充分であるなどの場合には、この機械的強度を補うための支持枠 2 1〜2 3を有しない構成としてもよい。また、光吸収層 1から光電子を充分に効率よく放出できるなどの場合には、光吸収層 1の出射面の仕事関数を低下させる活性層 1 1を設けない構成としてもよい。

また、電子管の各実施形態において、大気圧に対して真空容器 7の強度が不足する場合には、真空容器 7内部にスぺーサなどの補強手段を備えるとよい。また、電子増倍手段として M C P 5 1を用いているが、電子増倍手段はこれに限られるものではなく、 1段または複数段のダイノードなどを用いてもよい。

産業上の利用可能性

本発明は、例えば半導体集積素子の製造工程においてフォトリソグラフィ一を用いる際の光モニタ装置に適用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 入射された被検出光によって励起された光電子を放出する光電陰極であつて、

ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなり、その一方の面が前記被検出光を入射する入射面、他方の面が前記光電子を放出する出射面となっている光吸収層と、

前記光吸収層に対して、前記入射面と前記出射面との間に所定電圧を印加する電圧印加手段と

を備えることを特徴とする透過型光電陰極。

2 . 前記光吸収層の機械的強度を補う支持手段を備えることを特徴とする請求項 1記載の透過型光電陰極。

3 . 前記光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項 1または 2記載の透過型光電陰極。

4 . 前記光吸収層の前記多結晶ダイヤモンドの粒界面が酸素終端されていることを特徴とする請求項 3記載の透過型光電陰極。

5 . 前記光吸収層の前記出射面が水素終端されていることを特徴とする請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の透過型光電陰極。

6 . 前記光吸収層の前記出射面が酸素終端されていることを特徴とする請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の透過型光電陰極。

7 . 前記光吸収層の前記出射面上に、前記光吸収層の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることを特徴とする請求項 1〜 6のレ、ずれか 1項に記載の透過型光電陰極。

8 . 前記光吸収層の前記活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物からなることを特徴とする請求項 Ί記載の透過型光電陰極。

9 . 請求項 1〜 8の何れか一項記載の透過型光電陰極と、

前記透過型光電陰極から放出された前記光電子を直接または間接に収集するための陽極と、

前記透過型光電陰極及び前記陽極を収納する容器と

を備えることを特徴とする電子管。

1 0 . 前記透過型光電陰極から放出された前記光電子を 2次電子増倍する電子增倍手段を備えることを特徴とする請求項 9記載の電子管。

1 1 . 前記陽極は、電子が入射することによって発光する蛍光体からなることを特徴とする請求項 9または 1 0記載の電子管。

1 2 . 電子が入射することによって発光する蛍光体を備え、前記透過型光電陰極への前記被検出光の入射位置に対応する位置の前記蛍光体を発光させることにより画像を表示することを特徴とする請求項 9または 1 0記載の電子管。