光電子増倍管
【課題】 安定した検出精度を実現する微細構造の光電子増倍管を提供する。
【解決手段】 内部が真空に維持された外囲器を備え、該外囲器内に、光電面(22)と、電子増倍部(31)と、陽極(32)とが配置されている。特に、電子増倍部(31)及び陽極(32)を取り囲む外囲器の内部空間に配置されには１又はそれ以上の制御電極(320)が電子増倍部(31)の電子放出端から伸びた１又はそれ以上の接続部を介して電気的に接続されている。この構成において、電子増倍部(31)の電子入射端と電子放出端との間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することより、電子増倍部(31)には、光電面(22)側から陽極(32)側に向かって徐々に増加する電位勾配が形成されるとともに、該電子増倍部(32)の電子放出端と陽極(32)との間に十分な電位差が与えられ、安定した検出精度が得られる。
【解決手段】 内部が真空に維持された外囲器を備え、該外囲器内に、光電面(22)と、電子増倍部(31)と、陽極(32)とが配置されている。特に、電子増倍部(31)及び陽極(32)を取り囲む外囲器の内部空間に配置されには１又はそれ以上の制御電極(320)が電子増倍部(31)の電子放出端から伸びた１又はそれ以上の接続部を介して電気的に接続されている。この構成において、電子増倍部(31)の電子入射端と電子放出端との間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することより、電子増倍部(31)には、光電面(22)側から陽極(32)側に向かって徐々に増加する電位勾配が形成されるとともに、該電子増倍部(32)の電子放出端と陽極(32)との間に十分な電位差が与えられ、安定した検出精度が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。このような光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３０７８９０５号公報
【特許文献２】特開平４−３５９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らは、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。
【０００４】
すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部品自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。
【０００５】
上述のような状況においても、電子増倍部には、光電面側に位置する端部（電子入射端）と陽極側に位置する端部（電子放出端）との間に所定の電圧が印加される。このとき、電子増倍部では、カスケード増倍された電子が光電面側から陽極側へ向かうよう電位勾配（光電面側から陽極側へ向かって電位が徐々に増加する）が形成される。しかしながら、実際には、陽極と電子増倍部における電子放出端との電位差が十分に与えられなければ、陽極へ到達する二次電子の数が激減してしまい、実用的な検出精度が得られないという課題があった。
【０００６】
この発明は、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、より効率的にカスケード増倍された二次電子を取り出すことにより安定した検出精度を実現する微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。
【０００８】
具体的に当該光電子増倍管は、光電子増倍管内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極と、電子増倍部の電子放出端と陽極との十分な電位差を確保するための１又はそれ以上の制御電極を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部と陽極とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。
【０００９】
上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って伸びた溝部を有する。溝部はエッチング技術により微細加工された一対の壁部により規定される。該溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面には、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が、該電子の進行方向に沿って設けられている。このように二次電子放出面が形成された壁部表面に凸部が設けられることにより、陽極に向かう電子が該壁部に衝突する可能性が飛躍的に高くなるため、微細構造においても十分な電子増倍率が得られる。なお、現実的には、二次電子放出面は、凸部表面のみならず、該凸部表面を含む壁部の表面全体及び溝部に挟まれた底部に形成される。
【００１０】
特に、この発明に係る光電子増倍管において、１又はそれ以上の制御電極は、電子増倍部及び陽極を取り囲む外囲器の内部空間に配置されている。また、これら制御電極はカスケード増倍された電子が放出される電子増倍部の電子放出端とそれぞれ電気的に接続されるとともに、該電子放出端よりも高い電位に設定される。なお、制御電極の電位は、陽極の電位と等しいかそれ以下であるのが好ましい。
【００１１】
この構成により、電子増倍部では、光電面側から陽極側に向かって徐々に電位が増加する電位勾配が形成されるとともに、該電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差が確保される。すなわち、電子増倍部の光電面側に位置する端部と制御電極との間に、該電子増倍部の溝部に電位勾配を形成するための電圧を印加することにより、電子放出端における電位を従来よりも低く設定することができ、その結果、該電子放出端と陽極との間に十分な電位差が確保される。
【００１２】
なお、上記制御電極は、電子増倍部の電子放出端から伸びた複数の配線部に接続された状態で、該電子増倍部とともに陽極を挟むよう配置されてもよい。この場合、１つの制御電極が用意されればよい。また、電子増倍部の電子放出端、複数の配線部及び制御電極によって囲まれた領域内に陽極が配置されているような構成であってもよい。
【００１３】
また、この発明に係る光電子増倍管において、上記制御電極は、加工し易いシリコンならなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部における電子放出端から延びた配線部に電気的に接続された制御電極をさらに設け、電子入射端と電子放出端の間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することにより、該電子増倍部に電位勾配が形成された状態で電子放出端の電位を従来よりも低下させることができる。その結果、電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差を与えることができ、電子増倍部内でカスケード増倍された二次電子を効率的に陽極へ導くことが可能になる（安定した検出精度が得られる）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明に係る光電子増倍管の各実施形態を、図１〜図１１を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、この発明に係る光電子増倍管の第1実施形態の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａ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）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印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で示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。
【００１７】
図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。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の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。凹部２０１の底部には光電面２２が形成されている。この光電面２２は凹部２０１の長手方向の一端近傍に形成されている。ガラス基板２０の主面２０ａと対向する面２０ｂには孔２０２が設けられており、孔２０２は光電面２２に達している。孔２０２内には光電面端子２１が配置され、該光電面端子２１は光電面２２に電気的に接触している。なお、この第１実施形態では、ガラス材料からなる上側フレーム２自体が透過窓として機能する。
【００１８】
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、凹部３０１及び貫通部３０２が形成されている。凹部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、凹部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、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。
【００１９】
凹部３０１内には電子増倍部３１が形成されている。電子増倍部３１は、凹部３０１の底部３０１ａから互いに沿うように立設している複数の壁部３１１を有する。このように、壁部３１１それぞれの間には溝部が構成されている。この壁部３１１の側壁（各溝部を規定する側壁）及び底部３０１ａには二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。壁部３１１は凹部３０１の長手方向に沿って設けられており、その一端は凹部３０１の一端と所定の距離を開けて配置され、他端は貫通部３０２に臨む位置に配置されている。貫通部３０２内には陽極３２とともに、電子増倍部３１の電子放出端から伸びた配線部と電気的に接続された制御電極３２０が配置されている。これら陽極３２及び制御電極３２０は貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されており、下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属（例えばインジウムなど）等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されている。
【００２０】
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。ガラス基板４０の主面４０ａからそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には制御電極端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触する一方、制御電極端子４３は側壁フレーム３の制御電極３２０に電気的に接触している。
【００２１】
図３は、図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。既に説明されたように、上側フレーム２の凹部２０１の一端における底部分には光電面２２が形成されている。光電面２２には光電面端子２１が電気的に接触しており、光電面端子２１を介して光電面２２に所定電圧が印加される。上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが接合（陽極接合、拡散接合、封止材による接合など）されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。
【００２２】
上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の凹部３０１及び貫通部３０２が配置されている。側壁フレーム３の凹部３０１には電子増倍部３１が配置されており、凹部３０１の一端の壁と電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されている。この場合、上側フレーム２の光電面２２の直下に側壁フレーム３の電子増倍部３１の一端が位置することになる。側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、陽極３２と貫通部３０２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、陽極３２は下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に接合により固定されている。
【００２３】
側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の電子増倍部３１も下側フレーム４に接合により固定される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。
【００２４】
なお、図３には、図示されていないが、陽極３２の左右（図３が示された紙面に対して垂直方向）には制御電極３２０が配置されており、下側フレーム４における陽極端子４０２の左右にも制御電極端子４０３が存在する（図２参照）。下側フレーム４の光電面側端子４０１及び制御電極端子４０３はそれぞれ側壁フレーム３のシリコン基板３０に接触しているので、光電面側端子４０１及び制御電極端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向と交差する方向、電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。
【００２５】
図４には、側壁フレーム３の壁部３１１近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の凹部３０１内に配置されている壁部３１１の側壁には凸部３１１ａが形成されている。凸部３１１ａは対向する壁部３１１に互い違いになるように交互に配置されている。凸部３１１ａは壁部３１１の上端から下端まで一様に形成されている。
【００２６】
光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−２０００Ｖが、制御電極端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さを薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して光電面２２に光が入射すると、光電面２２から側壁フレーム３に向けて光電子が放出される。この放出された光電子は、光電面２２の直下に位置する電子増倍部３１に到達する。シリコン基板３０の長手方向には電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１は複数の壁部３１１で規定される溝が形成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は壁部３１１の側壁及び互いに対向する側壁３１１間の底部３０１ａに衝突し、複数の二次電子を放出する。電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部へ到達する光電子１個当たり１０５〜１０７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。
【００２７】
次に、電子増倍部３１における電子放出端と陽極３２との電位差を確保するための制御電極の配置について、比較例とともに図５〜８を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）は、比較例に係る光電子増倍管における陽極３２の配置を示す側壁フレーム３の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００２９】
この比較例に係る光電子増倍管では、電子増倍部３１の電子放出端付近（裏面コンタクト領域Ａとして示された領域）が陽極３２と同電位になるよう、光電面側端部と領域Ａとの間に所定電圧が印可されている。この場合、図５（ｂ）に示されたように、電子増倍部３１における電位勾配は、電子放出端付近で飽和してしまい、該電子放出端と陽極３２との間では電位差が生じていない。その結果、電子放出端付近では十分に二次電子が増倍されず、かつ陽極３２への到達電子数も激減してしまう（安定した検出精度が得られない）。
【００３０】
一方、図６（ａ）は、この係る光電子増倍管における制御電極３２０の第１配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３１】
この第１配置例では、制御電極３２０が電子増倍部３１とともに陽極３２を挟むように配置されるとともに、該電子増倍部３１の電子放出端から陽極３２を挟むように伸びた複数の配線部と電気的に接続されている。すなわち、この第１配置例では、電子増倍部３１、配線部、及び制御電極で取り囲まれた領域内に陽極３２が配置されている。また、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３２】
上述のような構成において、電子増倍部３１と制御電極３２０との間にも電圧降下が発生し、該電子増倍部３１には、制御電極３２０に向かって徐々に増加するよう電位勾配が形成され、かつ電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも滑らかな電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３３】
図７（ａ）は、この発明に係る光電子増倍管における制御電極３２０の第２配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３４】
この第２配置例では、制御電極３２０が陽極３２を挟んだ状態で該陽極３２の左右に配置されるとともに、該電子増倍部３１の電子放出端から伸びた複数の配線部それぞれと電気的に接続されている。すなわち、この第２配置例では、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３５】
上述のような構成においても、第１配置例と同様に、電子増倍部３１には、制御電極３２０に向かって滑らかな電位勾配が形成されるとともに、電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも滑らかな電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３６】
一方、制御電極３２０の配置位置は、上述のような陽極３２の周辺に限定されるものではない。図８（ａ）は、この発明に係る光電子増倍管における制御電極３２０の第３配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３７】
この第３配置例では、制御電極３２０が陽極３２の左右ではなく、電子増倍部３１を挟むように該電子増倍部３１の左右に配置される。このとき、電子増倍部３１の電子放出端から伸びた複数の配線部それぞれと電気的に接続されている。この第３配置例では、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３８】
上述のような構成においても、電子増倍部３１には、制御電極３２０に滑らかな電位勾配が形成されるとともに、電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、透過型の光電面を有する光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、反射型の光電面を有していてもよい。例えば、電子増倍部３１に、その陽極側端とは逆側の端部に光電面を形成することにより、反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。また、電子増倍部３１の陽極側とは逆の端部側に陽極側に対面する傾斜面を形成し、この傾斜面上に光電面を形成することによっても反射型の光電子増倍管が得られる。いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態で、反射型の光電面を有する光電子増倍管が得られる。
【００４０】
また、上述の実施形態では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０と接触した状態で一体形成されている。しかしながら、このように側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そこで、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１及び陽極３２は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置されてもよい。具体的には、空隙部３０１ｂが貫通部になり、光電面側端子４０１は電子増倍部３１の光電面側端部に電気的に接触するように配置される。
【００４１】
さらに、上述の実施形態では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、スパッタガラス基板の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon OnInsulator）基板の両面をエッチングし、露出したスパッタガラス基板の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。
【００４２】
次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法の一例について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図９及び図１０を用いて説明する。
【００４３】
まず、図９（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図９（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７０１が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙部に対応する除去部６１１が形成される。なお、図示されていないが、この際、図２の制御電極３２０及び配線部に該当する部位等、他の貫通部分に関しても同様の処理が行われる。
【００４４】
図９（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。図９（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する空隙部５０１が形成される。続いて、図９（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部７１１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７１２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部６０１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部６０２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成される。
【００４５】
図９（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図９（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２がそれぞれ予め加工されている。なお、図示されていないが、陽極３２となる部分の左右（図９が示された紙面に対して垂直方向）には、制御電極３２０となる部分も形成されており、図２の孔４０３に対応する孔８０３も孔８０２の左右に予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図１０（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２及び図２の制御電極３２０及び配線部に相当する構造等（図示せず）がそれぞれ形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に陽極接合により固定される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、図２の壁部３１１間の溝に相当する溝部５１と、図２の壁部３１１と凹部３０１との空隙に相当する凹部５０３とも形成される。ここで、溝部５１の側壁及び底部３０１ａには二次電子放出面が形成される。
【００４６】
続いて、図１０（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されており、ガラス基板９０の表面から凹部９０１に至るように孔９０２（図２の孔２０２に相当）が設けられている。図１０（ｃ）に示されたように、図２の光電面端子２１に相当する光電面端子９２が孔９０２に挿入固定されるとともに、凹部９０１には光電面９１が形成される。
【００４７】
図１０（ａ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図１０（ｃ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図１０（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の制御電極端子４３に相当する制御電極端子８３が孔８０３（図示せず）に、それぞれ挿入固定されることで、図１０（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。
【００４８】
次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図１１（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。
【００４９】
抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。
【００５０】
検出部８５５の構成を、図１１（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。
【００５１】
既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。
【００５２】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部における電子放出端から延びた配線部に電気的に接続された制御電極をさらに設け、電子入射端と電子放出端の間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することにより、該電子増倍部の電位勾配が形成された状態で電子放出端野電位を従来よりも低下させることができる。その結果、電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差を与えることができ、電子増倍部内でカスケード増倍された二次電子を効率的に陽極へ導くことが可能になる（安定した検出精度が得られる）。
【００５３】
また、電子増倍部３１の溝部を規定する壁部３１１の表面に所望の高さを有する凸部３１１ａが設けられることにより、電子増倍効率を飛躍的に向上させることができる。
【００５４】
また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。
【００５５】
陽極３２は、ガラス基板４０ａに接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施形態に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと接合されるため、衝撃、振動で陽極３２が振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。
【００５６】
また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。
【００５７】
電子増倍部３１では、壁部３１１で構成される複数の溝の側壁に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このため、構造が簡単で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。
【００５８】
上述のような構造を有する光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明に係る光電子増倍管の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。
【図３】図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。
【図４】図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。
【図５】この発明に係る電子増倍管の効果を説明するために用意された比較例の構成及び電位勾配を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極の代表的な配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極の他の配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極のさらに他の配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図９】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。
【図１０】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。
【図１１】この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子、３２０…制御電極。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。このような光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３０７８９０５号公報
【特許文献２】特開平４−３５９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らは、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。
【０００４】
すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部品自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。
【０００５】
上述のような状況においても、電子増倍部には、光電面側に位置する端部（電子入射端）と陽極側に位置する端部（電子放出端）との間に所定の電圧が印加される。このとき、電子増倍部では、カスケード増倍された電子が光電面側から陽極側へ向かうよう電位勾配（光電面側から陽極側へ向かって電位が徐々に増加する）が形成される。しかしながら、実際には、陽極と電子増倍部における電子放出端との電位差が十分に与えられなければ、陽極へ到達する二次電子の数が激減してしまい、実用的な検出精度が得られないという課題があった。
【０００６】
この発明は、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、より効率的にカスケード増倍された二次電子を取り出すことにより安定した検出精度を実現する微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。
【０００８】
具体的に当該光電子増倍管は、光電子増倍管内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極と、電子増倍部の電子放出端と陽極との十分な電位差を確保するための１又はそれ以上の制御電極を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部と陽極とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。
【０００９】
上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って伸びた溝部を有する。溝部はエッチング技術により微細加工された一対の壁部により規定される。該溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面には、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が、該電子の進行方向に沿って設けられている。このように二次電子放出面が形成された壁部表面に凸部が設けられることにより、陽極に向かう電子が該壁部に衝突する可能性が飛躍的に高くなるため、微細構造においても十分な電子増倍率が得られる。なお、現実的には、二次電子放出面は、凸部表面のみならず、該凸部表面を含む壁部の表面全体及び溝部に挟まれた底部に形成される。
【００１０】
特に、この発明に係る光電子増倍管において、１又はそれ以上の制御電極は、電子増倍部及び陽極を取り囲む外囲器の内部空間に配置されている。また、これら制御電極はカスケード増倍された電子が放出される電子増倍部の電子放出端とそれぞれ電気的に接続されるとともに、該電子放出端よりも高い電位に設定される。なお、制御電極の電位は、陽極の電位と等しいかそれ以下であるのが好ましい。
【００１１】
この構成により、電子増倍部では、光電面側から陽極側に向かって徐々に電位が増加する電位勾配が形成されるとともに、該電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差が確保される。すなわち、電子増倍部の光電面側に位置する端部と制御電極との間に、該電子増倍部の溝部に電位勾配を形成するための電圧を印加することにより、電子放出端における電位を従来よりも低く設定することができ、その結果、該電子放出端と陽極との間に十分な電位差が確保される。
【００１２】
なお、上記制御電極は、電子増倍部の電子放出端から伸びた複数の配線部に接続された状態で、該電子増倍部とともに陽極を挟むよう配置されてもよい。この場合、１つの制御電極が用意されればよい。また、電子増倍部の電子放出端、複数の配線部及び制御電極によって囲まれた領域内に陽極が配置されているような構成であってもよい。
【００１３】
また、この発明に係る光電子増倍管において、上記制御電極は、加工し易いシリコンならなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部における電子放出端から延びた配線部に電気的に接続された制御電極をさらに設け、電子入射端と電子放出端の間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することにより、該電子増倍部に電位勾配が形成された状態で電子放出端の電位を従来よりも低下させることができる。その結果、電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差を与えることができ、電子増倍部内でカスケード増倍された二次電子を効率的に陽極へ導くことが可能になる（安定した検出精度が得られる）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明に係る光電子増倍管の各実施形態を、図１〜図１１を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、この発明に係る光電子増倍管の第1実施形態の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａ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）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印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で示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。
【００１７】
図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。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の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。凹部２０１の底部には光電面２２が形成されている。この光電面２２は凹部２０１の長手方向の一端近傍に形成されている。ガラス基板２０の主面２０ａと対向する面２０ｂには孔２０２が設けられており、孔２０２は光電面２２に達している。孔２０２内には光電面端子２１が配置され、該光電面端子２１は光電面２２に電気的に接触している。なお、この第１実施形態では、ガラス材料からなる上側フレーム２自体が透過窓として機能する。
【００１８】
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、凹部３０１及び貫通部３０２が形成されている。凹部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、凹部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、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。
【００１９】
凹部３０１内には電子増倍部３１が形成されている。電子増倍部３１は、凹部３０１の底部３０１ａから互いに沿うように立設している複数の壁部３１１を有する。このように、壁部３１１それぞれの間には溝部が構成されている。この壁部３１１の側壁（各溝部を規定する側壁）及び底部３０１ａには二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。壁部３１１は凹部３０１の長手方向に沿って設けられており、その一端は凹部３０１の一端と所定の距離を開けて配置され、他端は貫通部３０２に臨む位置に配置されている。貫通部３０２内には陽極３２とともに、電子増倍部３１の電子放出端から伸びた配線部と電気的に接続された制御電極３２０が配置されている。これら陽極３２及び制御電極３２０は貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されており、下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属（例えばインジウムなど）等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されている。
【００２０】
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。ガラス基板４０の主面４０ａからそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には制御電極端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触する一方、制御電極端子４３は側壁フレーム３の制御電極３２０に電気的に接触している。
【００２１】
図３は、図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。既に説明されたように、上側フレーム２の凹部２０１の一端における底部分には光電面２２が形成されている。光電面２２には光電面端子２１が電気的に接触しており、光電面端子２１を介して光電面２２に所定電圧が印加される。上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが接合（陽極接合、拡散接合、封止材による接合など）されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。
【００２２】
上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の凹部３０１及び貫通部３０２が配置されている。側壁フレーム３の凹部３０１には電子増倍部３１が配置されており、凹部３０１の一端の壁と電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されている。この場合、上側フレーム２の光電面２２の直下に側壁フレーム３の電子増倍部３１の一端が位置することになる。側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、陽極３２と貫通部３０２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、陽極３２は下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に接合により固定されている。
【００２３】
側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の電子増倍部３１も下側フレーム４に接合により固定される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。
【００２４】
なお、図３には、図示されていないが、陽極３２の左右（図３が示された紙面に対して垂直方向）には制御電極３２０が配置されており、下側フレーム４における陽極端子４０２の左右にも制御電極端子４０３が存在する（図２参照）。下側フレーム４の光電面側端子４０１及び制御電極端子４０３はそれぞれ側壁フレーム３のシリコン基板３０に接触しているので、光電面側端子４０１及び制御電極端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向と交差する方向、電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。
【００２５】
図４には、側壁フレーム３の壁部３１１近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の凹部３０１内に配置されている壁部３１１の側壁には凸部３１１ａが形成されている。凸部３１１ａは対向する壁部３１１に互い違いになるように交互に配置されている。凸部３１１ａは壁部３１１の上端から下端まで一様に形成されている。
【００２６】
光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−２０００Ｖが、制御電極端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さを薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して光電面２２に光が入射すると、光電面２２から側壁フレーム３に向けて光電子が放出される。この放出された光電子は、光電面２２の直下に位置する電子増倍部３１に到達する。シリコン基板３０の長手方向には電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１は複数の壁部３１１で規定される溝が形成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は壁部３１１の側壁及び互いに対向する側壁３１１間の底部３０１ａに衝突し、複数の二次電子を放出する。電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部へ到達する光電子１個当たり１０５〜１０７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。
【００２７】
次に、電子増倍部３１における電子放出端と陽極３２との電位差を確保するための制御電極の配置について、比較例とともに図５〜８を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）は、比較例に係る光電子増倍管における陽極３２の配置を示す側壁フレーム３の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００２９】
この比較例に係る光電子増倍管では、電子増倍部３１の電子放出端付近（裏面コンタクト領域Ａとして示された領域）が陽極３２と同電位になるよう、光電面側端部と領域Ａとの間に所定電圧が印可されている。この場合、図５（ｂ）に示されたように、電子増倍部３１における電位勾配は、電子放出端付近で飽和してしまい、該電子放出端と陽極３２との間では電位差が生じていない。その結果、電子放出端付近では十分に二次電子が増倍されず、かつ陽極３２への到達電子数も激減してしまう（安定した検出精度が得られない）。
【００３０】
一方、図６（ａ）は、この係る光電子増倍管における制御電極３２０の第１配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３１】
この第１配置例では、制御電極３２０が電子増倍部３１とともに陽極３２を挟むように配置されるとともに、該電子増倍部３１の電子放出端から陽極３２を挟むように伸びた複数の配線部と電気的に接続されている。すなわち、この第１配置例では、電子増倍部３１、配線部、及び制御電極で取り囲まれた領域内に陽極３２が配置されている。また、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３２】
上述のような構成において、電子増倍部３１と制御電極３２０との間にも電圧降下が発生し、該電子増倍部３１には、制御電極３２０に向かって徐々に増加するよう電位勾配が形成され、かつ電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも滑らかな電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３３】
図７（ａ）は、この発明に係る光電子増倍管における制御電極３２０の第２配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３４】
この第２配置例では、制御電極３２０が陽極３２を挟んだ状態で該陽極３２の左右に配置されるとともに、該電子増倍部３１の電子放出端から伸びた複数の配線部それぞれと電気的に接続されている。すなわち、この第２配置例では、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３５】
上述のような構成においても、第１配置例と同様に、電子増倍部３１には、制御電極３２０に向かって滑らかな電位勾配が形成されるとともに、電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも滑らかな電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３６】
一方、制御電極３２０の配置位置は、上述のような陽極３２の周辺に限定されるものではない。図８（ａ）は、この発明に係る光電子増倍管における制御電極３２０の第３配置例を示す側壁フレーム３の平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に対応した位置における電位（電位勾配）を示すグラフである。
【００３７】
この第３配置例では、制御電極３２０が陽極３２の左右ではなく、電子増倍部３１を挟むように該電子増倍部３１の左右に配置される。このとき、電子増倍部３１の電子放出端から伸びた複数の配線部それぞれと電気的に接続されている。この第３配置例では、制御電極３２０自体が裏面コンタクト領域Ａとなり、陽極３２と同電位に設定される。
【００３８】
上述のような構成においても、電子増倍部３１には、制御電極３２０に滑らかな電位勾配が形成されるとともに、電子放出端と陽極３２との間に十分な電位差Ｂが確保される。さらに、電子増倍部３１の電子放出端と陽極３２との間の空間にも電位勾配が形成されているので、該電子放出端から放出された二次電子は、効率的に陽極３２に到達することが可能になり、安定した検出精度が得られる。また、印加される電圧を制御する以外にも、配線部の長さや断面積を調節することによって、電子増倍部３１の電位勾配及び電子放出端と陽極３２との電位差Ｂを簡単に制御することが可能である。
【００３９】
なお、上述の実施形態では、透過型の光電面を有する光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、反射型の光電面を有していてもよい。例えば、電子増倍部３１に、その陽極側端とは逆側の端部に光電面を形成することにより、反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。また、電子増倍部３１の陽極側とは逆の端部側に陽極側に対面する傾斜面を形成し、この傾斜面上に光電面を形成することによっても反射型の光電子増倍管が得られる。いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態で、反射型の光電面を有する光電子増倍管が得られる。
【００４０】
また、上述の実施形態では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０と接触した状態で一体形成されている。しかしながら、このように側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そこで、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１及び陽極３２は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置されてもよい。具体的には、空隙部３０１ｂが貫通部になり、光電面側端子４０１は電子増倍部３１の光電面側端部に電気的に接触するように配置される。
【００４１】
さらに、上述の実施形態では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、スパッタガラス基板の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon OnInsulator）基板の両面をエッチングし、露出したスパッタガラス基板の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。
【００４２】
次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法の一例について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図９及び図１０を用いて説明する。
【００４３】
まず、図９（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図９（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７０１が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙部に対応する除去部６１１が形成される。なお、図示されていないが、この際、図２の制御電極３２０及び配線部に該当する部位等、他の貫通部分に関しても同様の処理が行われる。
【００４４】
図９（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。図９（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する空隙部５０１が形成される。続いて、図９（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部７１１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７１２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部６０１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部６０２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成される。
【００４５】
図９（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図９（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２がそれぞれ予め加工されている。なお、図示されていないが、陽極３２となる部分の左右（図９が示された紙面に対して垂直方向）には、制御電極３２０となる部分も形成されており、図２の孔４０３に対応する孔８０３も孔８０２の左右に予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図１０（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２及び図２の制御電極３２０及び配線部に相当する構造等（図示せず）がそれぞれ形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に陽極接合により固定される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、図２の壁部３１１間の溝に相当する溝部５１と、図２の壁部３１１と凹部３０１との空隙に相当する凹部５０３とも形成される。ここで、溝部５１の側壁及び底部３０１ａには二次電子放出面が形成される。
【００４６】
続いて、図１０（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されており、ガラス基板９０の表面から凹部９０１に至るように孔９０２（図２の孔２０２に相当）が設けられている。図１０（ｃ）に示されたように、図２の光電面端子２１に相当する光電面端子９２が孔９０２に挿入固定されるとともに、凹部９０１には光電面９１が形成される。
【００４７】
図１０（ａ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図１０（ｃ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図１０（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の制御電極端子４３に相当する制御電極端子８３が孔８０３（図示せず）に、それぞれ挿入固定されることで、図１０（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。
【００４８】
次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図１１（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。
【００４９】
抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。
【００５０】
検出部８５５の構成を、図１１（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。
【００５１】
既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。
【００５２】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部における電子放出端から延びた配線部に電気的に接続された制御電極をさらに設け、電子入射端と電子放出端の間に印加されていた電圧を電子入射端と制御電極の間に印加することにより、該電子増倍部の電位勾配が形成された状態で電子放出端野電位を従来よりも低下させることができる。その結果、電子増倍部における電子放出端と陽極との間に十分な電位差を与えることができ、電子増倍部内でカスケード増倍された二次電子を効率的に陽極へ導くことが可能になる（安定した検出精度が得られる）。
【００５３】
また、電子増倍部３１の溝部を規定する壁部３１１の表面に所望の高さを有する凸部３１１ａが設けられることにより、電子増倍効率を飛躍的に向上させることができる。
【００５４】
また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。
【００５５】
陽極３２は、ガラス基板４０ａに接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施形態に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと接合されるため、衝撃、振動で陽極３２が振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。
【００５６】
また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。
【００５７】
電子増倍部３１では、壁部３１１で構成される複数の溝の側壁に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このため、構造が簡単で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。
【００５８】
上述のような構造を有する光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明に係る光電子増倍管の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。
【図３】図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。
【図４】図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。
【図５】この発明に係る電子増倍管の効果を説明するために用意された比較例の構成及び電位勾配を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極の代表的な配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図７】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極の他の配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図８】第１実施形態に係る光電子増倍管において、制御電極のさらに他の配置及び電位勾配を説明するための図である。
【図９】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。
【図１０】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。
【図１１】この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子、３２０…制御電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が真空状態に維持された外囲器と、
前記外囲器内に収納され、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
前記外囲器内に収納され、電子の進行方向に沿って伸びた溝部を有する電子増倍部と、
前記外囲器内に収納され、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、
前記電子増倍部及び前記陽極を取り囲む前記外囲器の内部空間に配置された１又はそれ以上の制御電極であって、カスケード増倍された電子が放出される前記電子増倍部の電子放出端とそれぞれ電気的に接続されるとともに、該電子放出端よりも高い電位に設定される制御電極を備えた光電子増倍管。
【請求項２】
前記制御電極は、前記電子増倍部の電子放出端から伸びた複数の配線部に接続された状態で、前記電子増倍部とともに前記陽極を挟むよう配置されており、前記陽極は、前記電子増倍部の電子放出端、前記複数の配線部及び前記制御電極によって囲まれた領域内に配置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。
【請求項３】
前記制御電極の電位は、前記電子増倍部における電子放出端の電位よりも高く、かつ前記陽極の電位と等しいかそれ以下に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記制御電極は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項１】
内部が真空状態に維持された外囲器と、
前記外囲器内に収納され、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
前記外囲器内に収納され、電子の進行方向に沿って伸びた溝部を有する電子増倍部と、
前記外囲器内に収納され、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、
前記電子増倍部及び前記陽極を取り囲む前記外囲器の内部空間に配置された１又はそれ以上の制御電極であって、カスケード増倍された電子が放出される前記電子増倍部の電子放出端とそれぞれ電気的に接続されるとともに、該電子放出端よりも高い電位に設定される制御電極を備えた光電子増倍管。
【請求項２】
前記制御電極は、前記電子増倍部の電子放出端から伸びた複数の配線部に接続された状態で、前記電子増倍部とともに前記陽極を挟むよう配置されており、前記陽極は、前記電子増倍部の電子放出端、前記複数の配線部及び前記制御電極によって囲まれた領域内に配置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。
【請求項３】
前記制御電極の電位は、前記電子増倍部における電子放出端の電位よりも高く、かつ前記陽極の電位と等しいかそれ以下に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記制御電極は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−４８６３１（Ｐ２００７−４８６３１Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３２４８８（Ｐ２００５−２３２４８８）
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
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