WO2013141400A1 - 電子増幅用細孔ガラスプレートおよび検出器 - Google Patents
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Abstract
Description
また、粒子線または電磁波の検出器用途の電子増幅用細孔ガラスプレートに対しては、その表裏に貫通する複数の貫通孔について、孔径および配列ピッチを微細化したほうが好ましいと考える。貫通孔の孔径および配列ピッチが検出分解能に直接的な影響を及ぼし、検出分解能を向上させるためには孔径および配列ピッチの微細化が必要だからである。しかしながら、ソーダ石灰ガラスや耐熱ガラス等のガラス材料については、例えば微粉噴射法等の機械加工によって貫通孔を形成することが考えられるが、それでは孔径100μm程度、配列ピッチ150μm程度での形成が限界であり、それよりも微細な加工を行うことが非常に困難である。さらに、ソーダ石灰ガラスや耐熱ガラス等のガラス材料については、上述したように薄板化が困難であり、この点も貫通孔の孔径および配列ピッチの微細化を実現する上での障害となる。
この目的達成のために、本願発明者らは、先ず、貫通孔の孔径および配列ピッチの微細化について検討した。貫通孔の孔径および配列ピッチの微細化のためには、例えば半導体製造プロセスで用いられる微細加工技術を利用することが有効である。そこで、本願発明者らは、感光性ガラスに着目した。感光性ガラスは、露光することにより感光部分のみにフッ化水素(HF)による選択的なエッチングを行えるように構成されたもので、ガラスの特性を生かしつつ微細加工が可能な材料である。
ところが、感光性ガラスでは、微細加工が可能であっても、薄板化を実現することが困難である。なぜならば、感光性ガラスであっても、薄板化を実現しようとすると、ソーダ石灰ガラスや耐熱ガラス等と同様に、強度不足による割れ等が生じてしまうからである。つまり、感光性ガラスはソーダ石灰ガラスや耐熱ガラス等と同様に非晶質固体であり、このような非晶質固体であるガラスをポリイミド等からなるフィルム部材と同等に薄板化することは、必ずしも実現容易でないとも思われる。
この点につき、本願発明者らは、さらに鋭意検討を重ねた。そして、感光性ガラスそのものではなく、感光性ガラスを結晶化して得られる感光性結晶化ガラスであれば、脆性材料であるガラスを用いた場合であっても、半導体製造プロセスで用いられる微細加工技術の利用を可能にしつつ、薄板化を実現し得る十分な強度が得られるのではないかとの考えに至った。ここでいう感光性結晶化ガラスとは、感光性ガラスに加熱処理を行ってガラス中に均等に微細な結晶を析出させたものであり、完全に結晶化が進行した多結晶状態となっており非晶質のものと比較して機械的特性に優れている。
本発明は、上述した本願発明者らによる新たな知見に基づいてなされたものである。
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の発明において、前記感光性結晶化ガラスは、前記貫通孔の未形成状態における曲げ強度が150MPaより大きいことを特徴とする。
本発明の第3の態様は、第1または第2の態様に記載の発明において、前記複数の貫通孔は、孔径が100μm以下で形成されていることを特徴とする。
本発明の第4の態様は、第1~第3のいずれか1態様に記載の発明において、前記複数の貫通孔は、配列のピッチが400μm以下で形成されていることを特徴とする。
本発明の第5の態様は、第1~第4のいずれか1態様に記載の発明において、前記板状部材は、板厚が500μm以下に形成されていることを特徴とする。
本発明の第6の態様は、板状部材に二次元配列された複数の貫通孔が設けられてなるとともに、前記板状部材が感光性ガラスを結晶化して得られる感光性結晶化ガラスによって形成されている電子増幅用細孔ガラスプレートと、前記電子増幅用細孔ガラスプレートの表裏面に形成された導電層を有してなり、当該表裏面の間に電位差を与えることで前記貫通孔内に電界を形成する電極と、前記電子増幅用細孔ガラスプレートおよび前記電極をガス中に配置するためのチャンバとを備え、前記ガス中で前記貫通孔内に形成された電界によって起こる電子雪崩増幅を利用して電離電子についての測定を行うように構成されたことを特徴とする検出器である。
本実施形態では、以下の順序で項分けをして説明を行う。
1.検出器の概略構成
2.電子増幅用細孔ガラスプレートの構成
3.電子増幅用細孔ガラスプレートの製造手順
4.検出器における電離電子の測定手順
5.本実施形態の効果
6.変形例等
先ず、本実施形態における検出器の概略構成について説明する。
検出器は、検出ガス中での電子雪崩増幅を利用して電離電子についての測定を行うことを可能にし、これにより粒子線または電磁波の検出を行うように構成されたものである。
図1は、本実施形態における検出器の概略構成例を示す説明図である。
次に、本実施形態における電子増幅用細孔ガラスプレートの構成について説明する。
電子増幅用細孔ガラスプレートは、ガラスを形成材料とする板状部材11に二次元配列された複数の貫通孔14が設けられてなるもの、すなわちガラス製毛細管(キャピラリ)が規則的に平行に束ねられてそれが板状に形成されたものであり、特にガス中での電子雪崩増幅作用を引き起こすことが可能に構成されたものである。このような電子増幅用細孔ガラスプレートの表裏面に電極として機能する導電層12が形成されると、電子増幅用基板10が構成されることになる。
感光性ガラスは、紫外線を照射することによって、酸化還元反応が起こり、金属原子が生じる。さらに加熱すると金属原子が凝集しコロイドを形成し、このコロイドを結晶核にしてLi2O・SiO2(メタケイ酸リチウム)の結晶が成長する。ここで析出するLi2O・SiO2(メタケイ酸リチウム)はHFに容易に溶解し、紫外線の照射されていないガラス部分と比べると約50倍程度の溶解速度の差がある。この溶解速度差を利用することで選択的エッチングが可能となり、機械加工を用いることなく微細な加工物を形成することができる。
このような感光性ガラスとしては、例えばHOYA株式会社製の「PEG3(商品名)」が挙げられる。
このような感光性結晶化ガラスとしては、例えばHOYA株式会社製の「PEG3C(商品名)」が挙げられる。
図例から明らかなように、感光性結晶化ガラスは、感光性ガラスに比べて、優れた機械的特性を有している。具体的には、「PEG3」の曲げ強度が65MPaより大きいのに対して、「PEG3C」の曲げ強度は150MPaより大きくなっており、「PEG3C」のほうが大きな曲げ強度を有していることがわかる。
したがって、例えば「PEG3C」によって形成した場合、電子増幅用細孔ガラスプレートは、貫通孔14の未形成状態における曲げ強度が150MPaより大きいことになる。
次に、以上のように構成された電子増幅用細孔ガラスプレートの製造手順について説明する。
図3は、本実施形態における電子増幅用細孔ガラスプレートの製造手順の一例を示す説明図である。
そして、図3(b)に示すように、用意した板状部材11上に、所望パターンが形成されたフォトマスク15を重ね、そのフォトマスク15を介して板状部材11に対して紫外線16を照射する。これにより、板状部材11では、紫外線照射箇所において、酸化還元反応が起こり、金属原子が生じる。
その後は、紫外線照射後の板状部材11に対して、例えば450~600℃の温度で熱処理をする。そうすると、板状部材11では、図3(c)に示すように、紫外線照射によって生じた金属原子が凝集しコロイドを形成し、このコロイドを結晶核にしてLi2O・SiO2(メタケイ酸リチウム)の結晶が成長する。
ここで析出するLi2O・SiO2(メタケイ酸リチウム)はHF(フッ化水素)に容易に溶解し、紫外線16の照射されていないガラス部分と比べると約50倍程度の溶解速度の差がある。そこで、熱処理による結晶成長後は、図3(d)に示すように、板状部材11に対してHFを用いたエッチングを行う。これにより、熱処理で析出した結晶部分17を除去するエッチング、すなわちHFに対する溶解速度差を利用した選択的エッチングがされることになり、その結果として機械加工を用いることなくフォトマスク15のパターンと略同等の精度の微細な貫通孔14を板状部材11に形成することができる。
次に、以上のような本実施形態の電子増幅用細孔ガラスプレート18を基にして形成された電子増幅用基板10を用いつつ検出器1を構成した場合において、その検出器1で電離電子の測定を行い、これにより粒子線または電磁波の検出を行う際の手順について、図1を参照しながら具体的に説明する。ここでは、X線を検出対象とした場合を例に挙げて、以下の説明を行う。
本実施形態で説明した電子増幅用細孔ガラスプレート18および検出器1によれば、以下のような効果が得られる。
特に、貫通孔14の孔径については、100μm以下とすることで、以下のような効果が得られる。貫通孔14の孔径を小さくすれば(具体的には100μm以下)、これに伴って貫通孔14の配列ピッチも細かくできるので、その結果として検出分解能を向上させることができる。
また、貫通孔14の配列ピッチについては、400μm以下とすることで、以下のような効果が得られる。貫通孔14の配列ピッチを400μm以下とする場合、具体的には当該配列ピッチを例えば50~400μmとすることが考えられる。50μm未満であると、電子増幅用細孔ガラスプレートの板厚を過度に薄くしなければならないからである。貫通孔14の配列ピッチが50~400μmであれば、30~350μmの孔径の貫通孔14を形成できるので、検出分解能もよくゲインもよく検出効率も維持できる。
以上に本発明の実施形態を説明したが、上記の開示内容は、本発明の例示的な実施形態を示すものである。すなわち、本発明の技術的範囲は、上記の例示的な実施形態に限定されるものではない。
実施例1では、図4に示すように、貫通孔14が孔径30μm、配列ピッチ50μm、単位面積当たりの解像度が40000画素/cm2で形成された板厚100μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18の表裏面に1μm厚の導電層12が形成されてなる電子増幅用基板10について、以下のようなシミュレーションを行った。このような構成の電子増幅用基板10を、CF410%、Ne90%の混合ガスが温度300K、圧力1atmで充填された環境下に置き、各導電層12に500Vの電位差を与えたところ、図5に示すように貫通孔14の孔内で電界が収束され、図6または図7に示すように貫通孔14の孔内に侵入した電子が加速されて電子雪崩増幅が生じることがわかった。つまり、板厚100μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18を用いた場合であっても、貫通孔14の孔内で電子雪崩増幅を生じさせることが可能であることが確認できた。
実施例2では、図8に示すように、貫通孔14が孔径50μm、配列ピッチ70μm、単位面積当たりの解像度が20408画素/cm2で形成された板厚100μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18の表裏面に1μm厚の導電層12が形成されてなる電子増幅用基板10について、以下のようなシミュレーションを行った。このような構成の電子増幅用基板10を、CF410%、Ne90%の混合ガスが温度300K、圧力1atmで充填された環境下に置き、各導電層12に500Vの電位差を与えたところ、図9に示すように貫通孔14の孔内で電界が収束され、図10または図11に示すように貫通孔14の孔内に侵入した電子が加速されて電子雪崩増幅が生じることがわかった。つまり、ここでも、上述した実施例1の場合と同様に、板厚100μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18を用いた場合であっても、貫通孔14の孔内で電子雪崩増幅を生じさせることが可能であることが確認できた。
実施例3では、図12に示すように、貫通孔14が孔径100μm、配列ピッチ360μm、単位面積当たりの解像度が774画素/cm2で形成された板厚150μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18を用いて構成された電子増幅用基板10を、検出器1のチャンバ2内に配置した。チャンバ2内には、Ne+CF4の混合ガスが圧力1atmで充填されており、また外部の放射線源から100μmφでコリメートされた6keVのX線が入射されるようになっている。さらに、チャンバ2内では、ドリフト電極3と電子増幅用基板10との間隔が5mm、そこに印加される電位差ΔVDriftが50V、電子増幅用基板10と読み出し電極4との間隔が2mm、そこに印加される電位差ΔVInductionが100Vとなるように、それぞれが配置されている。このような状況下で、電子増幅用基板10における各導電層12の間に可変可能な電位差(ギャップ電位)ΔVGAPを与えつつ、読み出し電極4および当該読み出し電極4の側の導電層12にて電子雪崩増幅の際のゲイン特性を調べたところ、図13に示すような結果が得られた。この結果によれば、各導電層12の電位差ΔVGAPが580V程度であれば、電子増幅用基板10が一枚のみの場合であっても、電子雪崩増幅に際して十分なゲイン、すなわち104程度の電子増倍率が得られることがわかる。このように、実施例3では、後述する実施例8の場合に比べて解像度は落ちるが、電子増倍率が104以上となり得る。
なお、電子増幅用細孔ガラスプレート18として感光性結晶化ガラスを用いていれば、ソーダ石灰ガラスや耐熱ガラス等のガラス材料に比べると絶縁抵抗が高いことから、図12に示したように導電層12からもギャップアウト信号を得ることができる。このギャップアウト信号は、例えば検出器1所定動作開始を指示するトリガー信号といった利用をすることが考えられる。
実施例4では、実施例3の場合と同様の状況下で(図12参照)、各導電層12の電位差ΔVGAPを540V程度に設定し、読み出し電極4および当該読み出し電極4の側の導電層12にてエネルギー分解能を調べたところ、図14に示すような結果が得られた。ここで「エネルギー分解能」とは、放射線エネルギー測定の精度を表す指標のことをいう。X線等のエネルギーを測定する際に、その全エネルギーを検出器中で失うと、そのエネルギースペクトルは原理的には線スペクトルとなるが、実際の検出器では、ある広がりを持った分布スペクトルとして検出される。そのスペクトル分布の広がりを表したものがエネルギー分解能であり、広がりが狭いほど検出能力(精度)が高いことを意味する。図14の結果によれば、導電層12からのギャップアウト信号で15.7%程度、読み出し電極4からのアノード信号で17.2%程度のエネルギー分解能であり、ソーダ石灰ガラス等のガラス材料を用いた場合(例えば23%程度のエネルギー分解能)に比べて広がりが狭く、良好な検出結果が得られていることがわかる。これは、電子増幅用細孔ガラスプレート18として感光性結晶化ガラスを用いることで、各貫通孔14の微細化が実現でき、しかも各々の孔についてバラツキ等がなく均一性が高く保たれているためと考えられる。
実施例5では、実施例3の場合と同様の状況下で(図12参照)、各導電層12の電位差ΔVGAPを530V程度に設定し、放射線源からのX線照射のオン/オフを図15(a)に示すように時間経過に伴って切り替えるようにした。その場合において、時間経過に伴うゲイン変動を調べたところ、図15(b)に示すように時間経過によるゲインの波高値に変動が認められないことがわかった。これは、電子増幅用基板10のチャージアップを有効に抑制できているからと考えられる。なお、比較のため、ポリイミドからなる一般的なGEMを利用した場合における時間経過に伴うゲイン変動を図15(c)に示す。この結果によれば、照射直後の10分間で28%程度のダウンが生じていることが認められるが、これは感光性結晶化ガラスを用いた場合とは異なり、チャージアップを有効に抑制できていないからと考えられる。
実施例6では、実施例3の場合と同様の状況下で(図12参照)、各導電層12の電位差ΔVGAPを530V程度に設定し、放射線源からのX線照射のレート(Hz)を可変させた。その場合において、レート可変に伴うエネルギースペクトルのピークチャンネルおよびエネルギー分解能を調べたところ、図16に示すようにいずれについてもレート可変による変動が抑えられていることがわかった。これは、上述した実施例5の場合と同様に、電子増幅用基板10のチャージアップを有効に抑制できているからと考えられる。
実施例7では、実施例3の場合と同様の状況下で(図12参照)、各導電層12の電位差ΔVGAPを530V程度に設定し、放射線源からのX線照射の位置を可変させた。ここでの位置は、電子増幅用基板10に対するX線照射の平面的な位置である。その場合において、X線照射位置可変に伴うエネルギースペクトルのピークチャンネルを調べたところ、図17に示すような結果が得られた。この結果によれば、X線の照射位置を変えても、例えば15mm程度の照射位置の変化に対してピークチャンネルは±3%以内で一定であることがわかる。これは、電子増幅用細孔ガラスプレート18として感光性結晶化ガラスを用いることで、各貫通孔14の微細化が実現でき、しかも各々の孔についてバラツキ等がなく均一性が高く保たれているためと考えられる。
実施例8では、貫通孔14が孔径50μm、配列ピッチ70μm、単位面積当たりの解像度が20408画素/cm2で形成された板厚130μmの電子増幅用細孔ガラスプレート18を用いて構成された電子増幅用基板10を、検出器1のチャンバ2内に配置した。チャンバ2内には、Ne+CF4の混合ガスが圧力1atmで充填されており、また外部の放射線源から100μmφでコリメートされた6keVのX線が入射されるようになっている。さらに、チャンバ2内では、ドリフト電極3と電子増幅用基板10との間隔が5mm、そこに印加される電位差ΔVDriftが50V、電子増幅用基板10と読み出し電極4との間隔が2mm、そこに印加される電位差ΔVInductionが100Vとなるように、それぞれが配置されている。このような状況下で、電子増幅用基板10における各導電層12の間に可変可能な電位差(ギャップ電位)ΔVGAPを与えつつ、読み出し電極4および当該読み出し電極4の側の導電層12にて電子雪崩増幅の際のゲイン特性を調べたところ、図18に示すような結果が得られた。この結果によれば、各導電層12の電位差ΔVGAPが600V程度であれば、103程度の電子増倍率が得られることがわかる。本実施例によれば、微細な配列ピッチで高い解像度でありながら、電子増幅倍率が高水準であることがわかる。
Claims (6)
- ガス中での電子雪崩増幅を利用して電離電子についての測定を行う検出器に用いられる電子増幅用細孔ガラスプレートであって、
板状部材に二次元配列された複数の貫通孔が設けられてなるとともに、
前記板状部材が感光性ガラスを結晶化して得られる感光性結晶化ガラスによって形成されている
ことを特徴とする電子増幅用細孔ガラスプレート。 - 前記感光性結晶化ガラスは、前記貫通孔の未形成状態における曲げ強度が150MPaより大きい
ことを特徴とする請求項1記載の電子増幅用細孔ガラスプレート。 - 前記複数の貫通孔は、孔径が100μm以下で形成されている
ことを特徴とする請求項1または2記載の電子増幅用細孔ガラスプレート。 - 前記複数の貫通孔は、配列のピッチが400μm以下で形成されている
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の電子増幅用細孔ガラスプレート。 - 前記板状部材は、板厚が500μm以下に形成されている
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の電子増幅用細孔ガラスプレート。 - 板状部材に二次元配列された複数の貫通孔が設けられてなるとともに、前記板状部材が感光性ガラスを結晶化して得られる感光性結晶化ガラスによって形成されている電子増幅用細孔ガラスプレートと、
前記電子増幅用細孔ガラスプレートの表裏面に形成された導電層を有してなり、当該表裏面の間に電位差を与えることで前記貫通孔内に電界を形成する電極と、
前記電子増幅用細孔ガラスプレートおよび前記電極をガス中に配置するためのチャンバとを備え、
前記ガス中で前記貫通孔内に形成された電界によって起こる電子雪崩増幅を利用して電離電子についての測定を行うように構成された
ことを特徴とする検出器。
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