光電子増倍管
【課題】小型化された場合でも耐電圧の低下を抑制すること。
【解決手段】この光電子増倍管１は、上側フレーム２及び下側フレーム４からなる筐体５と、下側フレーム４上に配列されたダイノード３３ａ〜３３ｌを有する電子増倍部３３と、光電面４１と、陽極部３４とを備え、上側フレーム２の対向面２０ａ上には導電膜２０２が設けられ、電子増倍部３３は、ダイノード３３ａ〜３３ｄそれぞれの下側フレーム４側に設けられた基台部５２ａ〜５２ｄと、それぞれの基台部５２ａ〜５２ｄの対向面４０ａに沿った方向の一端部で導電膜２０２に接続される給電部５３ａ〜５３ｄとを有し、基台部５２ａ〜５２ｄは、その両端部が該対向面４０ａに接合され、その中央部が該対向面４０ａから離間するように構成されており、給電部５３ａ〜５３ｄ側の一端部の断面積が他端部における断面積よりも大きくなるように形成されている。
【解決手段】この光電子増倍管１は、上側フレーム２及び下側フレーム４からなる筐体５と、下側フレーム４上に配列されたダイノード３３ａ〜３３ｌを有する電子増倍部３３と、光電面４１と、陽極部３４とを備え、上側フレーム２の対向面２０ａ上には導電膜２０２が設けられ、電子増倍部３３は、ダイノード３３ａ〜３３ｄそれぞれの下側フレーム４側に設けられた基台部５２ａ〜５２ｄと、それぞれの基台部５２ａ〜５２ｄの対向面４０ａに沿った方向の一端部で導電膜２０２に接続される給電部５３ａ〜５３ｄとを有し、基台部５２ａ〜５２ｄは、その両端部が該対向面４０ａに接合され、その中央部が該対向面４０ａから離間するように構成されており、給電部５３ａ〜５３ｄ側の一端部の断面積が他端部における断面積よりも大きくなるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（下記特許文献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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，２６４，６９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような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ために、小型化された場合に各構造物間の耐電圧が低下することが問題となる。特に、電子増倍部においては、生成された二次電子が絶縁基板上に入射することで、絶縁基板が帯電して隣接するダイノード間の耐電圧が低下してしまうおそれがある。また、小型化されるに従って、ダイノードの物理的な強度は低下してしまうため、給電部材の接続によるダイノードの変形や破損等が生じることで、やはり耐電圧が低下してしまうおそれがある。
【０００５】
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、小型化された場合でも耐電圧の低下を抑制す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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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の基板を含む外囲器と、第１の基板の対向面上の一端側から他端側に向けた一方向に沿って、順に離間して配列された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、外囲器内の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、外囲器内の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を備え、第２の基板の対向面上には、電子増倍部に対して給電するための給電部が設けられ、電子増倍部は、複数段のダイノードそれぞれの第１の基板側の端部に電気的に接続されて、複数段のダイノードによって形成された電子増倍路を跨るように設けられた支持台と、それぞれの支持台の第１の基板の対向面に沿った方向の両端部の一方の端部から第２の基板に向けて伸びるように形成され、給電部と電気的に接続される給電部材と、を有し、支持台は、両端部が、該対向面に接合され、且つ、両端部によって挟まれる中央部が、該対向面から離間するように構成されており、両端部のうち給電部材側の一方の端部における該対向面に沿った断面積が、両端部のうちの他方の端部における断面積よりも大きくなるように形成されている。
【０００７】
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、外囲器内の第１の基板の内面上の複数段のダイノードによって形成された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、各ダイノードには、その第１の基板側の端部に支持台が設けられ、この支持台には、その一方の端部から第１の基板と対向する第２の基板に向けて伸びる給電部材が電気的に接続され、この給電部材が第２の基板の内面に設けられた給電部に接続されることにより、各ダイノードが給電される。さらに、支持台は、その両端部が第１の基板の対向面に接合され、その中央部が対向面から離間されており、給電部材側の一方の端部の対向面に沿った断面積が、他方の端部の断面積よりも大きくされている。これにより、二次電子等の入射によって基板の絶縁面が耐電しやすい電子増倍路の領域において、各ダイノードが基板の絶縁面から離間しているので、耐電圧の低下を抑制することができる。さらに、基板の給電部と接触する部位側の支持台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の物理的な強度が確保されるため、変形や破損等を起こすことなく、耐電圧の低下を抑制することができる。
【０００８】
第１の基板の対向面上には凹部が形成されており、支持台の中央部は、凹部上に配置されることにより、該対向面から離間される、ことが好適である。この場合、電子増倍部の強度を低下させることなく支持台の中央部を基板から離間させることができるため、さらに耐電圧の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、凹部は、複数段のダイノードのそれぞれに接続された複数の支持台を跨って形成されている、ことも好適である。かかる構成を採れば、複数段のダイノード間を通過する二次電子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。
【００１０】
さらに、複数段のダイノードに対応する複数の支持台は、第１の基板の対向面に沿って一方の端部と他方の端部とが互い違いに並べられるように配置されている、ことも好適である。こうすれば、それぞれの支持台の給電部材側の端部の基板に沿った断面積を大きくすることができるので、電子増倍部の物理的強度をさらに高めることが可能となり、さらに耐電圧の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型化された場合でも耐電圧の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】図１の光電子増倍管の分解斜視図である。
【図３】図１の側壁フレームの平面図である。
【図４】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である。
【図５】図１の光電子増倍管のV-V線に沿った断面図である。
【図６】（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７】図６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。
【図８】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である。
【図９】本発明の比較例に係る電子増倍部の平面図である。
【図１０】本発明の別の比較例に係る電子増倍部の平面図である。
【図１１】本発明の変形例に係る下側フレームの斜視図である。
【図１２】図１１の下側フレームを裏面側から見た底面図である。
【図１３】本発明の別の変形例に係る下側フレームの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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の分解斜視図である。
【００１５】
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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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矩形状の窪み部（凹部）４２が形成されている。
【００２４】
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。
【００２５】
図３に示すように、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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る。
【００２８】
図４に示すように、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｄは、下側フレーム４の対向面４０ａ上に形成された窪み部４２の底部から離間して配置されている。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基台部（支持台）５２ａ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、及びそれぞれの基台部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、基台部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、基台部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、及び基台部５２ａ〜５２ｄはそれぞれ一体に形成されているが、柱状部と基台部を別体にしても良い。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。
【００２９】
さらに、この基台部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、基台部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。
【００３０】
図５に示すように、上記のような構造を有するダイノード３３ｂは、電子増倍方向に対して垂直であり、且つ対向面４０ａに沿った方向の基台部５２ｂの両端部が、対向面４０ａ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、基台部５２ｂにおけるこれらの両端部によって挟まれる中央部５４ｂは、その対向面４０ａ側の面が窪み部４２の底部から離間するように配置される。言い換えると、ダイノード３３ｂにおいて、電子増倍チャネルＣが形成される電子増倍領域が下側フレーム４から離間して配置され、電子増倍方向に対して垂直であり、且つ対向面４０ａに沿った方向の両端部が下側フレーム４に対する固定部となるように、下側フレーム４の対向面４０ａに窪み部４２が形成されている。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、基台部、給電部に関して同様の基本構造を有している。また、これに対応して対向面４０ａ上の窪み部４２は、電子増倍方向において複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌの基台部及び陽極部３４を跨るような幅で形成されている。つまり、窪み部４２は、ダイノード３３ａ〜３３ｌ及び陽極部３４に対応する部位のみではなく、これらで挟まれた領域も含めて一体的に窪む底面を有しており、第１段ダイノード３３ａにおける電子増倍チャネルＣが形成される電子増倍領域から、陽極部３４における最終段ダイノード３３ｌの電子増倍領域との対向領域までを、下側フレーム４から離間するように連続的に形成されている。
【００３１】
次に、図６及び図７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６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７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。
【００３２】
図６（ａ）に示すように、上側フレーム２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６（ｂ）に示すように、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。
【００３３】
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７）。
【００３４】
ここで、図６（ｂ）に示すように、ダイノード３３ｂの基台部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における対向面との接合部位に相当する断面積Ｓ２よりも大きくなるように、ダイノード３３ｂの基台部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基台部の向き（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基台部の向き）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。
【００３５】
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に順次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。
【００３６】
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側の端部に基台部５２ａ〜５２ｄが設けられ、この基台部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、基台部５２ａ〜５２ｄは、その両端部が下側フレーム４の対向面４０ａに接合され、その中央部が対向面４０ａから離間されており、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。これにより、二次電子や光電子の入射によって下側フレーム４の絶縁面が帯電しやすい電子増倍経路の領域において、各ダイノード３３ａ〜３３ｄが下側フレーム４の絶縁面から離間しているので、耐電圧の低下を抑制することができる。それと同時に、上側フレーム２の導電膜２０２と接触する部位側の基台部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ため、変形や破損等を起こすことがなく、耐電圧の低下を抑制することができる。
【００３７】
また、下側フレーム４の対向面４０ａ上には窪み部４２が形成されており、基台部５２ａ〜５２ｄの中央部は、窪み部４２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基台部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、窪み部４２は、複数の基台部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。
【００３８】
そして、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。すなわち、ダイノード３３ａ，３３ｂで例示すれば、その柱状部５１ａ，５１ｂの表面の二次電子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８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、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、窪み部４２の深さを0.2mm、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と離間している窪み部４２内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。
【００３９】
さらに、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌに対応する複数の基台部は、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、それぞれの基台部の給電部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。また、複数段のダイノード３３ｂ〜３３ｌの他方の端部は、上側フレーム２に向けてほぼ垂直に伸びた柱状部となっており、下側フレーム４の対向面４０ａと正対する方向から見て、その最先端部が給電部５３ａ〜５３ｌよりも窪み部４２側に引っ込んでいる。よって、他方の端部と給電部５３ａ〜５３ｌとの間隔が大きくなる。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、耐電圧の低下を抑制することができる。これに対して、図９に示すように、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１０に示すように、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。
【００４０】
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１１及び図１２に示すように、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１３に示すように、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１１の構成の方がより好ましい。
【００４１】
なお、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。
【符号の説明】
【００４２】
１…光電子増倍管、２…上側フレーム（第２の基板）、４…下側フレーム（第１の基板）、５…筐体（外囲器）、２０ａ，４０ａ…対向面、３３…電子増倍部、３３ａ〜３３ｌ…ダイノード、５１ａ〜５１ｄ…柱状部、５２ａ〜５２ｄ…基台部（支持台）、５３ａ〜５３ｌ…給電部（給電部材）、５４ｂ…中央部、３４…陽極部、４１…光電面、４２…窪み部（凹部）、２０２…導電膜（給電部）、Ｓ１，Ｓ２…断面積。
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（下記特許文献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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，２６４，６９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような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ために、小型化された場合に各構造物間の耐電圧が低下することが問題となる。特に、電子増倍部においては、生成された二次電子が絶縁基板上に入射することで、絶縁基板が帯電して隣接するダイノード間の耐電圧が低下してしまうおそれがある。また、小型化されるに従って、ダイノードの物理的な強度は低下してしまうため、給電部材の接続によるダイノードの変形や破損等が生じることで、やはり耐電圧が低下してしまうおそれがある。
【０００５】
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、小型化された場合でも耐電圧の低下を抑制す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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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の基板を含む外囲器と、第１の基板の対向面上の一端側から他端側に向けた一方向に沿って、順に離間して配列された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、外囲器内の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、外囲器内の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を備え、第２の基板の対向面上には、電子増倍部に対して給電するための給電部が設けられ、電子増倍部は、複数段のダイノードそれぞれの第１の基板側の端部に電気的に接続されて、複数段のダイノードによって形成された電子増倍路を跨るように設けられた支持台と、それぞれの支持台の第１の基板の対向面に沿った方向の両端部の一方の端部から第２の基板に向けて伸びるように形成され、給電部と電気的に接続される給電部材と、を有し、支持台は、両端部が、該対向面に接合され、且つ、両端部によって挟まれる中央部が、該対向面から離間するように構成されており、両端部のうち給電部材側の一方の端部における該対向面に沿った断面積が、両端部のうちの他方の端部における断面積よりも大きくなるように形成されている。
【０００７】
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、外囲器内の第１の基板の内面上の複数段のダイノードによって形成された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、各ダイノードには、その第１の基板側の端部に支持台が設けられ、この支持台には、その一方の端部から第１の基板と対向する第２の基板に向けて伸びる給電部材が電気的に接続され、この給電部材が第２の基板の内面に設けられた給電部に接続されることにより、各ダイノードが給電される。さらに、支持台は、その両端部が第１の基板の対向面に接合され、その中央部が対向面から離間されており、給電部材側の一方の端部の対向面に沿った断面積が、他方の端部の断面積よりも大きくされている。これにより、二次電子等の入射によって基板の絶縁面が耐電しやすい電子増倍路の領域において、各ダイノードが基板の絶縁面から離間しているので、耐電圧の低下を抑制することができる。さらに、基板の給電部と接触する部位側の支持台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の物理的な強度が確保されるため、変形や破損等を起こすことなく、耐電圧の低下を抑制することができる。
【０００８】
第１の基板の対向面上には凹部が形成されており、支持台の中央部は、凹部上に配置されることにより、該対向面から離間される、ことが好適である。この場合、電子増倍部の強度を低下させることなく支持台の中央部を基板から離間させることができるため、さらに耐電圧の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、凹部は、複数段のダイノードのそれぞれに接続された複数の支持台を跨って形成されている、ことも好適である。かかる構成を採れば、複数段のダイノード間を通過する二次電子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。
【００１０】
さらに、複数段のダイノードに対応する複数の支持台は、第１の基板の対向面に沿って一方の端部と他方の端部とが互い違いに並べられるように配置されている、ことも好適である。こうすれば、それぞれの支持台の給電部材側の端部の基板に沿った断面積を大きくすることができるので、電子増倍部の物理的強度をさらに高めることが可能となり、さらに耐電圧の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型化された場合でも耐電圧の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２】図１の光電子増倍管の分解斜視図である。
【図３】図１の側壁フレームの平面図である。
【図４】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である。
【図５】図１の光電子増倍管のV-V線に沿った断面図である。
【図６】（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７】図６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。
【図８】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である。
【図９】本発明の比較例に係る電子増倍部の平面図である。
【図１０】本発明の別の比較例に係る電子増倍部の平面図である。
【図１１】本発明の変形例に係る下側フレームの斜視図である。
【図１２】図１１の下側フレームを裏面側から見た底面図である。
【図１３】本発明の別の変形例に係る下側フレームの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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の分解斜視図である。
【００１５】
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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【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、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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矩形状の窪み部（凹部）４２が形成されている。
【００２４】
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。
【００２５】
図３に示すように、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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る。
【００２８】
図４に示すように、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｄは、下側フレーム４の対向面４０ａ上に形成された窪み部４２の底部から離間して配置されている。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基台部（支持台）５２ａ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、及びそれぞれの基台部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、基台部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、基台部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、及び基台部５２ａ〜５２ｄはそれぞれ一体に形成されているが、柱状部と基台部を別体にしても良い。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。
【００２９】
さらに、この基台部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、基台部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。
【００３０】
図５に示すように、上記のような構造を有するダイノード３３ｂは、電子増倍方向に対して垂直であり、且つ対向面４０ａに沿った方向の基台部５２ｂの両端部が、対向面４０ａ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、基台部５２ｂにおけるこれらの両端部によって挟まれる中央部５４ｂは、その対向面４０ａ側の面が窪み部４２の底部から離間するように配置される。言い換えると、ダイノード３３ｂにおいて、電子増倍チャネルＣが形成される電子増倍領域が下側フレーム４から離間して配置され、電子増倍方向に対して垂直であり、且つ対向面４０ａに沿った方向の両端部が下側フレーム４に対する固定部となるように、下側フレーム４の対向面４０ａに窪み部４２が形成されている。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、基台部、給電部に関して同様の基本構造を有している。また、これに対応して対向面４０ａ上の窪み部４２は、電子増倍方向において複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌの基台部及び陽極部３４を跨るような幅で形成されている。つまり、窪み部４２は、ダイノード３３ａ〜３３ｌ及び陽極部３４に対応する部位のみではなく、これらで挟まれた領域も含めて一体的に窪む底面を有しており、第１段ダイノード３３ａにおける電子増倍チャネルＣが形成される電子増倍領域から、陽極部３４における最終段ダイノード３３ｌの電子増倍領域との対向領域までを、下側フレーム４から離間するように連続的に形成されている。
【００３１】
次に、図６及び図７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６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７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。
【００３２】
図６（ａ）に示すように、上側フレーム２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６（ｂ）に示すように、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。
【００３３】
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７）。
【００３４】
ここで、図６（ｂ）に示すように、ダイノード３３ｂの基台部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における対向面との接合部位に相当する断面積Ｓ２よりも大きくなるように、ダイノード３３ｂの基台部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基台部の向き（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基台部の向き）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。
【００３５】
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に順次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。
【００３６】
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側の端部に基台部５２ａ〜５２ｄが設けられ、この基台部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、基台部５２ａ〜５２ｄは、その両端部が下側フレーム４の対向面４０ａに接合され、その中央部が対向面４０ａから離間されており、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。これにより、二次電子や光電子の入射によって下側フレーム４の絶縁面が帯電しやすい電子増倍経路の領域において、各ダイノード３３ａ〜３３ｄが下側フレーム４の絶縁面から離間しているので、耐電圧の低下を抑制することができる。それと同時に、上側フレーム２の導電膜２０２と接触する部位側の基台部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ため、変形や破損等を起こすことがなく、耐電圧の低下を抑制することができる。
【００３７】
また、下側フレーム４の対向面４０ａ上には窪み部４２が形成されており、基台部５２ａ〜５２ｄの中央部は、窪み部４２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基台部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、窪み部４２は、複数の基台部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。
【００３８】
そして、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。すなわち、ダイノード３３ａ，３３ｂで例示すれば、その柱状部５１ａ，５１ｂの表面の二次電子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８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、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、窪み部４２の深さを0.2mm、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と離間している窪み部４２内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。
【００３９】
さらに、複数段のダイノード３３ａ〜３３ｌに対応する複数の基台部は、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、それぞれの基台部の給電部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。また、複数段のダイノード３３ｂ〜３３ｌの他方の端部は、上側フレーム２に向けてほぼ垂直に伸びた柱状部となっており、下側フレーム４の対向面４０ａと正対する方向から見て、その最先端部が給電部５３ａ〜５３ｌよりも窪み部４２側に引っ込んでいる。よって、他方の端部と給電部５３ａ〜５３ｌとの間隔が大きくなる。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、耐電圧の低下を抑制することができる。これに対して、図９に示すように、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１０に示すように、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。
【００４０】
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１１及び図１２に示すように、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１３に示すように、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１１の構成の方がより好ましい。
【００４１】
なお、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。
【符号の説明】
【００４２】
１…光電子増倍管、２…上側フレーム（第２の基板）、４…下側フレーム（第１の基板）、５…筐体（外囲器）、２０ａ，４０ａ…対向面、３３…電子増倍部、３３ａ〜３３ｌ…ダイノード、５１ａ〜５１ｄ…柱状部、５２ａ〜５２ｄ…基台部（支持台）、５３ａ〜５３ｌ…給電部（給電部材）、５４ｂ…中央部、３４…陽極部、４１…光電面、４２…窪み部（凹部）、２０２…導電膜（給電部）、Ｓ１，Ｓ２…断面積。
【特許請求の範囲】
【請求項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の基板を含む外囲器と、
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た一方向に沿って、順に離間して配列された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、
前記外囲器内の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、
前記外囲器内の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を備え、
前記第２の基板の前記対向面上には、前記電子増倍部に対して給電するための給電部が設けられ、
前記電子増倍部は、
前記複数段のダイノードそれぞれの前記第１の基板側の端部に電気的に接続されて、前記複数段のダイノードによって形成された電子増倍路を跨るように設けられた支持台と、
それぞれの前記支持台の前記第１の基板の前記対向面に沿った方向の両端部の一方の端部から前記第２の基板に向けて伸びるように形成され、前記給電部と電気的に接続される給電部材と、
を有し、
前記支持台は、
前記両端部が、該対向面に接合され、且つ、前記両端部によって挟まれる中央部が、該対向面から離間するように構成されており、
前記両端部のうち前記給電部材側の一方の端部における該対向面に沿った断面積が、前記両端部のうちの他方の端部における断面積よりも大きくなるように形成されている、
ことを特徴とする光電子増倍管。
【請求項２】
前記第１の基板の前記対向面上には凹部が形成されており、
前記支持台の前記中央部は、前記凹部上に配置されることにより、該対向面から離間される、
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】
前記凹部は、前記複数段のダイノードのそれぞれに接続された複数の支持台を跨って形成されている、
ことを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記複数段のダイノードに対応する複数の前記支持台は、前記第１の基板の前記対向面に沿って前記一方の端部と前記他方の端部とが互い違いに並べられるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項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の基板を含む外囲器と、
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た一方向に沿って、順に離間して配列された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、
前記外囲器内の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、
前記外囲器内の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を備え、
前記第２の基板の前記対向面上には、前記電子増倍部に対して給電するための給電部が設けられ、
前記電子増倍部は、
前記複数段のダイノードそれぞれの前記第１の基板側の端部に電気的に接続されて、前記複数段のダイノードによって形成された電子増倍路を跨るように設けられた支持台と、
それぞれの前記支持台の前記第１の基板の前記対向面に沿った方向の両端部の一方の端部から前記第２の基板に向けて伸びるように形成され、前記給電部と電気的に接続される給電部材と、
を有し、
前記支持台は、
前記両端部が、該対向面に接合され、且つ、前記両端部によって挟まれる中央部が、該対向面から離間するように構成されており、
前記両端部のうち前記給電部材側の一方の端部における該対向面に沿った断面積が、前記両端部のうちの他方の端部における断面積よりも大きくなるように形成されている、
ことを特徴とする光電子増倍管。
【請求項２】
前記第１の基板の前記対向面上には凹部が形成されており、
前記支持台の前記中央部は、前記凹部上に配置されることにより、該対向面から離間される、
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】
前記凹部は、前記複数段のダイノードのそれぞれに接続された複数の支持台を跨って形成されている、
ことを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記複数段のダイノードに対応する複数の前記支持台は、前記第１の基板の前記対向面に沿って前記一方の端部と前記他方の端部とが互い違いに並べられるように配置されている、
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１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２６７４１４（Ｐ２０１０−２６７４１４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１５８３３（Ｐ２００９−１１５８３３）
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１２日（２００９．５．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
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