光電陰極、電子管及び光電子増倍管
【課題】実効的な量子効率を飛躍的に向上させるための構造を備えた光電陰極、電子管及び光電子増倍管を提供する。
【解決手段】当該光電陰極１Ａ，１Ｂは、入射光を透過又は遮断する支持基板１００と、支持基板１００上に設けられたアルカリ金属を含む光電子放出層３００と、支持基板１００及び光電子放出層３００の間に設けられた下地層２００を備える。特に、下地層２００は、酸化ベリリウムを含み、当該下地層２００と光電子放出層３００の厚み比が特定範囲に収まるよう、その厚みが調節されている。この構造により、飛躍的に向上した量子効率を有する光電陰極１Ａ，１Ｂが得られる。
【解決手段】当該光電陰極１Ａ，１Ｂは、入射光を透過又は遮断する支持基板１００と、支持基板１００上に設けられたアルカリ金属を含む光電子放出層３００と、支持基板１００及び光電子放出層３００の間に設けられた下地層２００を備える。特に、下地層２００は、酸化ベリリウムを含み、当該下地層２００と光電子放出層３００の厚み比が特定範囲に収まるよう、その厚みが調節されている。この構造により、飛躍的に向上した量子効率を有する光電陰極１Ａ，１Ｂが得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定波長の光の入射に応答して光電子を放出する光電陰極（Photocathode）、それを含む電子管、及びそれを含む光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電陰極は、例えば特許文献１に記載されたように、入射光に応答して発生する電子（光電子）を放出するデバイスである。このような光電陰極は、光電子増倍管などの電子管に好適に適用される。また、光電陰極は、適用される支持基板材料の違いにより、透過型と反射型の２タイプがある。
【０００３】
透過型光電陰極では、入射光を透過する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、光電子増倍管などの透明容器の一部が該支持基板として機能する。この場合、支持基板を透過した入射光が光電子放出層に到達すると、到達した該入射光に応答して該光電子放出層内で光電子が発生する。該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、該光電子放出層内で発生した光電子は、該入射光の進行方向に一致した方向に向かって放出される。
【０００４】
一方、反射型光電陰極では、入射光を遮断する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、該支持基板は光電子増倍管の透明容器の内部に配置される。この場合、支持基板は、光電子放出層を支持する補強部材として機能しており、入射光は該支持基板を避けて光電子放出層に直接到達する。光電子放出層内では、到達した該入射光に応答して光電子が発生する。該光電子放出層内で発生した光電子は、該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、支持基板から見て該入射光が進行してきた側に放出される。
【特許文献１】米国特許第３，２５４，２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、光電変換デバイスとしての光電陰極に要求される分光感度はより高い方が好ましい。この分光感度を高くするには、入射する光子の数に対する放出される光電子の数の割合を示す当該光電陰極の実効的な量子効率を高くする必要がある。例えば、上記特許文献１では、支持基板と光電子放出層との間に反射防止膜を備えた光電陰極が検討されている。しかしながら、近年、さらなる量子効率の向上が望まれている。
【０００６】
この発明は、従来の光電陰極と比較して実効的な量子効率を飛躍的に向上させるための構造を備えた光電陰極、それを含む電子管、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る光電陰極は、支持基板と、該支持基板に直接接触した状態で該支持基板上に設けられた下地層と、該下地層に直接接触した状態で該下地層上に設けられたアルカリ金属を含む光電子放出層を備える。当該光電陰極は、支持基板材料の違いにより透過型と反射型の２タイプがある。透過型光電陰極の場合、支持基板は入射光を透過する材料、例えば石英ガラスや硼珪酸ガラスなどのガラス材料からなる。また、反射型光電陰極の場合、支持基板は入射光を遮断する材料、例えばニッケル等の金属からなる。
【０００８】
この発明に係る光電陰極は、透過型及び反射型のいずれにおいても、所定波長の光が入射される光入射面と、該光の入射に応答して光電子を放出する光電子出射面を有する。具体的に、当該光電陰極において、支持基板は、第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する。アルカリ金属を含む光電子放出層も同様に、第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する。また、光電子放出層は、当該光電子放出層の第１主面が支持基板の第２主面に対面するよう前記支持基板の第２主面上に設けられる。そして、下地層は、支持基板の第２主面と光電子放出層の第１主面と直接接触した状態でこれら支持基板及び光電子放出層の間に設けられる。
【０００９】
なお、当該光電陰極が透過型光電陰極である場合、支持基板の第１主面が光入射面として機能する一方、光電子放出層の第２主面が光電子出射面として機能する。一方、当該光電陰極が反射型光電陰極である場合、光電子放出層の第２主面が光入射面として機能するとともに光電子出射面としても機能する。
【００１０】
特に、この発明に係る光電陰極は、支持基板と光電子放出層との間に、ベリリウム元素（Ｂｅ）を含む下地層を設けることにより、当該光電陰極の実効的な量子効率を、従来の光電陰極と比較して飛躍的に向上させることを発明者らが発見したことにより達成されたものである。
【００１１】
以上のように、この発明に係る光電陰極は、支持基板上に設けられる光電子放出層との間にベリリウム元素を含む下地層が設けられた単純構造を有するため、この下地層の存在により、当該光電陰極の製造工程における熱処理時に光電子放出層に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）の支持基板側への拡散が抑制される。このため、光電子放出層における量子効率の低下が効果的に抑制される。さらに、この下地層は、光電子放出層内で発生した光電子のうち、支持基板側（光電子放出層の第１主面）へ向かう光電子の進行方向を該光電子放出層の第２主面側に反転させるよう機能していると推察される。このため、当該光電陰極全体の量子効率を飛躍的に向上すると考えられる。
【００１２】
なお、この明細書において、実効的な量子効率とは、光電子放出層についてだけでなく、支持基板等を含む光電陰極全体での量子効率をいう。したがって、実効的な量子効率には、支持基板の透過率などの要素も反映されている。また、ベリリウム元素を含む当該光電陰極における下地層は、ベリリウム合金の酸化物や酸化ベリリウムからなる単層構造、主材料として酸化ベリリウムを含む層（ＢｅＯ系下地）や酸化ベリリウム単層を含む多層構造など、種々の構造により実現可能である。例えば、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化マンガン（ＭｎＯ）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の混晶を含む場合のいずれでも、高い量子効率が得られることを、発明者らは確認した。なお、当該下地層は、酸化ベリリウムと酸化マグネシウムの混晶からなる層、酸化ベリリウムと酸化マンガンの混晶からなる層、酸化ベリリウムと酸化イットリウムの混晶からなる層、又は酸化ベリリウムと酸化ハフニウムの混晶からなる層を含む多層構造であってもよい。また、当該下地層は、酸化ベリリウムを含む層と、この酸化ベリリウムを含む層と支持基板との間に位置する酸化ハフニウム膜を含む多層構造であってもよい。
【００１３】
この発明に係る光電陰極において、光電子放出層は、アンチモン（Ｓｂ）とアルカリ金属との化合物からなるのが好ましい。また、アルカリ金属は、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）の少なくともいずれかを含むのが好ましい。
【００１４】
この発明に係る光電陰極において、下地層の厚みは、該下地層の厚みに対する光電子放出層の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されるのが好ましい。
【００１５】
この発明に係る光電陰極は、透過型及び反射型のいずれのタイプであっても、光電子増倍管（この発明に係る光電子増倍管）などの電子管（この発明に係る電子管）に好適に適用可能である。この場合、当該電子管は、上述のような構造を有する透過型又は反射型光電陰極と、該光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、該光電陰極及び該陽極を収納する容器を備える。また、当該光電子増倍管は、上述のような構造を有する透過型又は反射型光電陰極と、該光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、該電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、そして、該光電陰極、該電子増倍部及び該陽極を収納する容器を備える。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、この発明に係る光電陰極によれば、従来の光電陰極と比較して実効的な量子効率が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明に係る光電陰極及び光電子増倍管（電子管に含まれる）の各実施形態を、図１〜５を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１８】
図１において、（ａ）は、この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極の断面構造を示す図である。また、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極の断面構造を示す図である。
【００１９】
図１（ａ）に示された透過型光電陰極１Ａは、所定波長の入射光ｈνを透過する支持基板１００Ａと、該支持基板１００Ａ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００を備える。支持基板１００Ａは、当該透過型光電陰極１Ａの光入射面として機能する第１主面１０１ａと、該第１主面１０１ａに対向する第２主面１０２ａを有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａに対面する第１主面３０１ａと、該第１主面３０１ａに対向するとともに当該透過型光電陰極１Ａの光電子出射面として機能する第２主面３０２ａを有する。また、下地層２００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａと光電子放出層３００の第１主面３０１ａに直接接触した状態でこれら支持基板１００Ａ及び光電子放出層３００の間に配置される。すなわち、この透過型光電陰極１Ａは、支持基板１００Ａ側から入射光ｈνが入射され、該入射光ｈνに応答して光電子放出層３００側から光電子ｅ−が放出される。
【００２０】
透過型光電陰極１Ａにおいて、支持基板１００Ａは、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料からなるのが好ましい。このような支持基板材料としては、例えば石英ガラス、硼珪酸ガラスが適している。
【００２１】
一方、図１（ｂ）に示された反射型光電陰極１Ｂは、所定波長の入射光ｈνを遮断する支持基板１００Ｂと、該支持基板１００Ｂ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００を備える。支持基板１００Ｂは、第１主面１０１ｂと、該第１主面１０１ｂに対向する第２主面１０２ｂを有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂに対面する第１主面３０１ｂと、該第１主面３０１ｂに対向するとともに当該反射型光電陰極１Ｂの光入射面及び光電子出射面の双方として機能する第２主面３０２ｂを有する。また、下地層２００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂと光電子放出層３００の第１主面３０１ｂに直接接触した状態でこれら支持基板１００Ｂ及び光電子放出層３００の間に配置される。すなわち、この反射型光電陰極１Ｂは、光電子放出層３００から支持基板１００Ｂに向かって入射光ｈνが到達すると、該入射光ｈνに応答して支持基板１００Ｂから光電子放出層３００に向かう方向に光電子ｅ−が放出される。
【００２２】
このような反射型光電陰極１Ｂにおいて、支持基板１００Ｂは、光電子放出層３００を支持する補強部材として機能するため、ニッケル支持基板等の金属材料からなるのが好ましい。
【００２３】
上述のような透過型光電陰極１Ａ、反射型光電陰極１Ｂのいずれにおいても、下地層２００及び光電子放出層３００は同様の構造を有してもよい。
【００２４】
すなわち、下地層２００は、Ｂｅ元素を含む。具体的には、下地層２００は、Ｂｅ合金の酸化物やＢｅＯからなる単層構造、主材料としてＢｅＯを含む層（ＢｅＯ系下地）やＢｅＯ単層を含む多層構造など、種々の構造により実現可能である。例えば、ＢｅＯ単層の他に、ＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅＸＭｇＹＯＺ）、ＢｅＯとＭｎＯの混晶（ＢｅＸＭｎＹＯＺ）、ＢｅＯとＹ２Ｏ３の混晶（ＢｅＸＹＹＯＺ）、ＢｅＯとＨｆＯ２の混晶（ＢｅＸＨｆＹＯＺ）でもよい。このような構造を有する下地層２００は、ＢｅとＭｇ、ＢｅとＭｎ、ＢｅとＹ、ＢｅとＨｆのいずれかが基板に同時に蒸着された後に酸化される。あるいは、下地層２００は、Ｂｅの蒸着に続けて、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｙ及びＨｆのうちいずれかの蒸着が行われた後に酸化されることでも得られる（Ｂｅが先の蒸着された後に他の金属材料が蒸着されると該Ｂｅの酸化が不十分になる可能性があるので、このような製造方法では下地層の総質量に対する該他の金属材料の質量比率を２０％以下に抑えるのが好ましい）。なお、混晶の場合、Ｂｅの割合は、他の金属材料を含む混晶全体に対する質量比率で５０％よりも大きくしておくのが好ましい。これは、製造時に用意されるＢｅの質量をＭｇ、Ｍｎ等の他の金属材料の総質量に対して多くしておくことにより実現可能である。
【００２５】
光電子放出層３００は、アンチモン（Ｓｂ）とアルカリ金属との化合物からなるのが好ましい。また、アルカリ金属は、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）の少なくともいずれかを含むのが好ましい。このような光電子放出層３００は、当該光電陰極１Ａの活性層として機能する。
【００２６】
なお、以下の説明において、透過型及び反射型光電陰極１Ａ、１Ｂのいずれにも限定せずに単に支持基板と言う場合には、参照番号として“１００”と明記する。
【００２７】
図２は、この発明に係る光電陰極のうち上述の透過型光電陰極１Ａが適用される光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【００２８】
この透過型光電子電子管１０Ａは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備える。この透明容器３２の入射面板が、当該透過型光電陰極１Ａの支持基板１００Ａとして機能する。透明容器３２内には下地層２００を介して光電子放出層３００が配置されるとともに、放出された光電子を増倍部４０へ導く集束電極３６、二次電子を増倍する増倍部４０、及び増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該透過型光電陰極１Ａの少なくとも一部及び陽極３８を収納する。
【００２９】
集束電極３６と陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、容器３２を貫通するように設けられたステムピン４４と電気的に接続されている。
【００３０】
一方、図３は、この発明に係る光電陰極のうち上述の反射型光電陰極１Ｂが適用される光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【００３１】
この反射型光電子電子管１０Ｂは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備えるが、当該反射型光電陰極１Ｂは、支持基板１００Ｂを含む全体が透明容器３２内に配置される。さらに、透明容器３２内には、反射型光電陰極１Ｂから放出された光電子を増倍する増倍部４０、増倍部４０で増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該反射型光電陰極１Ｂ全体及び陽極３８を収納する。
【００３２】
反射型光電陰極１Ｂと陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、図２に示された透過型光電子増倍管１０Ａと同様に、透明容器３２を貫通するように設けられたステムピンと電気的に接続されている。
【００３３】
次に、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルについて説明する。なお、用意されたサンプルは透過型光電陰極であるが、反射型光電陰極の特性については、透過型光電陰極の場合と同様の特性が期待できることが容易に推測できるため、省略する。図４（ａ）は、当該透過型光電陰極１Ａとして用意された複数サンプル（以下、透過型サンプルという）に適用されている下地層構造の種類を説明するための表である。また、図４（ｂ）は、用意された複数の透過型サンプルに適用される光電子放出層構造の種類を説明するための表である。すなわち、用意された透過型サンプルの種類は、５種類の下地層２００と４種類の光電子放出層３００の組み合わせにより得られる２０種類である。
【００３４】
図４（ａ）の表に示されたように、下地層２００の構造Ｎｏ．１は、ＢｅＯ単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．２は、ＭｇＯ単層とＢｅＯ単層の２層構造であり、これらＭｇＯ単層とＢｅＯ単層の界面には合金（ＢｅＯ−ＭｇＯ）が形成されている。なお、この構造Ｎｏ．２では、いずれの単層が支持基板１００に接触してもよい。また、この構造Ｎｏ．２の製造では、ＭｇＯの形成後にＢｅＯが形成されてもよく、ＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着されてもよい。下地層２００の構造Ｎｏ．３は、ＭｎＯ単層とＢｅＯ単層の２層構造であり、これらＭｎＯ単層とＢｅＯ単層の界面には合金（ＢｅＯ−ＭｎＯ）が形成されている。この構造Ｎｏ．３においても、いずれの単層が支持基板１００に接触してもよい。また、この構造Ｎｏ．３の製造でも、ＭｎＯの形成後にＢｅＯが形成されてもよく、ＭｎＯとＢｅＯが同時に蒸着されてもよい。下地層２００の構造Ｎｏ．４は、Ｂｅ合金の酸化物からなる単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．５は、支持基板１００上にＨｆＯ２やＹ２Ｏ３などの薄膜を設け、この薄膜上にＢｅＯ系下地（上記構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のいずれでもよい）が設けられている。この薄膜は入射光に対する反射防止膜（anti-reflection（ＡＲ）コート）として機能させることができる。また、ＨｆＯ２やＹ２Ｏ３の膜厚は、３０Å〜２０００Åの範囲内で選択される。
【００３５】
一方、図４（ｂ）の表に示されたように、光電子放出層３００の構造Ｎｏ．１は、Ｋ−ＣｓＳｂ（Ｋ２ＣｓＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．２は、Ｎａ−ＫＳｂ（Ｎａ２ＫＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．３は、Ｃｓ−Ｎａ−ＫＳｂ（Ｃｓ（Ｎａ２Ｋ）Ｓｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．４は、Ｃｓ−ＴｅＳｂ（Ｃｓ２ＴｅＳｂ）単層である。
【００３６】
上述のＭｎＯＸ、ＭｇＯなどは、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料として知られている。また、薄膜材料であるＨｆＯ２は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光に対して高い透過率を示す。
【００３７】
以上、下地層２００に適用される構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５と、光電子放出層３００に適用される構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の組み合わせのうち代表的な透過型サンプルについて分光感度特性を測定した結果、優れた分光感度特性が得られた。
【００３８】
図５は、この発明に係る光電陰極として上述のような構造を備えた透過型サンプルの感度特性を、比較例に係る透過型光電陰極の比較サンプルの感度特性とともに示すグラフである。ここで、図５中のグラフＧ５１０は上述の下地層構造Ｎｏ．２（ＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅとＭｇの質量比率は９：１））と光電子放出層構造Ｎｏ．１の組み合わせを有する第１透過型サンプルの分光感度特性を示し、グラフＧ５２０は比較例に係る光電陰極である比較サンプルの分光感度特性を示し、そして、グラフＧ５３０は上述の下地層構造Ｎｏ．５（ＨｆＯ２コート上に、ＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶が形成される）と光電子放出層構造Ｎｏ．１の組み合わせを有する第２透過型サンプルの分光感度特性を示す。
【００３９】
この発明に係る光電陰極１Ａの第１透過型サンプルにおいて、支持基板１００Ａは硼珪酸ガラス、下地層２００はＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶（支持基板１００Ａ上にＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着される）、そして、光電子放出層３００はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、当該第１透過型サンプルにおいて、下地層２００の厚みは１００Å、光電子放出層３００の厚みは１６０Åであり、下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、１．６である。
【００４０】
一方、比較サンプルにおいて、支持基板は硼珪酸ガラス、下地層はＭｎＯｘ単層、そして、光電子放出層はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、この比較サンプルにおいて、下地層の厚みは３０Å、光電子放出層の厚みは１６０Åであり、下地層の厚みに対する光電子放出層の厚みの比は、５．３である。
【００４１】
さらに、この発明に係る光電陰極１Ａの第２透過型サンプルにおいて、支持基板１００Ａは硼珪酸ガラスで構成されている。下地層２００は、ＡＲコートとして支持基板１００Ａ上に蒸着されたＨｆＯ２と、Ｂｅ系下地としてＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＨｆＯ２コート上にＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着される）により構成されている。そして、光電子放出層３００はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、当該第２透過型サンプルにおいて、下地層２００の厚みは４００Å（ＨｆＯ２が３００Å、ＢｅＯとＭｇＯの混晶が１００Å）、光電子放出層３００の厚みは１６０Åであり、下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、０．４である。なお、ＢｅＯとＭｇＯの混晶からなる層の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、１．６である。
【００４２】
図５から判るように、この発明に係る光電陰極として用意された透過型サンプルは、下地層２００の少なくとも一部にＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅとＭｇの質量比率は９：１）を含む領域が設けられたことにより、比較サンプルよりも全使用波長領域において量子効率が向上している。特に、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、比較サンプルが２６．９％であるのに対し、第１透過型サンプルは４０．８％、第２透過型サンプルでは４４．８％となり、およそ５０％程度又はそれ以上の感度増加が確認された。このように実効的な量子効率を飛躍的に向上させるためには、この発明に係る光電陰極において、下地層２００の厚みは、該下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されるのが好ましい。また、下地層２００の厚みは２０Å〜５００Åの範囲、光電子放出層３００の厚みは５０Å〜２０００Åの範囲にそれぞれ収まるよう設定されるのが好ましい。
【００４３】
なお、Ｋ−ＣｓＳｂ光電子放出層３００に対して下地層２００の構造を変えことにより得られる種々の透過型サンプルの、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、以下のようになる。すなわち、下地層２００がＢｅＯ単層の場合（構造Ｎｏ．１）、得られる透過型サンプルの量子効率は３８．８％であった。また、ＭｇＯの蒸着後にＢｅＯが蒸着された構造Ｎｏ．２の下地層２００の場合、得られる透過型サンプルの量子効率は３８％（波長３６０ｎｍ）であった。下地層２００がＢｅＯとＭｎＯの混晶（ＢｅとＭｎの質量比率は９：１）の場合（構造Ｎｏ．３）、得られる透過型サンプルの量子効率は３８％であった。下地層２００がＢｅＯとＹ２Ｏ３の混晶（ＢｅとＹの質量比率は９：１、）の場合、量子効率は４１．２％であった。さらに、下地層２００がＢｅＯとＨｆＯ２の混晶（ＢｅとＨｆの質量比率は９：１）の場合、量子効率は３９．６％であった。いずれの下地層構造を備えた透過型サンプルにおいても、比較サンプルと比較して感度増加が確認された。特に、第２透過型サンプル（硼珪酸ガラスの支持基板１００Ａ、ＨｆＯ２コート及びＢｅＯとＭｇＯの混晶で構成された下地層２００、Ｋ−ＣｓＳｂ光電子放出層３００で構成されている）の場合、図５に示されたようにピーク４４．８％の高い量子効率が得られた。
【００４４】
上述のようにこの発明に係る光電陰極として用意されたサンプルが比較サンプルよりも著しく分光感度が向上するのは、ＢｅＯを含む下地層２００がバリア層として機能することに起因していると考えられる。すなわち、当該光電陰極の製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）は、拡散するため当該光電子放出層３００に隣接する層に移動してしまうと考えられる。この場合、実効的な量子効率の低減はその結果によるものと推察される。一方、ＢｅＯを含む下地層２００が隣接層として光電子放出層３００に接触した状態で設けられると、製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）の拡散が効果的に抑制されると考えられる。ＢｅＯを含む下地層２００を備えた光電陰極において高い実効的量子効率を実現できるのは、その結果によるものと推察される。さらに、この下地層２００は、光電子放出層３００内で発生した光電子のうち、支持基板１００側へ向かう光電子の進行方向を該光電子放出層３００側に反転させるよう機能していると推察される。このため、当該光電陰極全体の量子効率を飛躍的に向上すると考えられる。
【００４５】
光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属の種類が複数の場合、複数回に渡ってアルカリ蒸気を送らなければならない。そのため、熱処理による量子効率の低減が抑制されることは、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は、この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極の断面構造を示す図である。
【図２】この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極が適用された光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【図３】この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極が適用された光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【図４】（ａ）は、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルに適用されている下地層構造の種類を説明するための表であり、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルに適用される光電子放出層構造の種類を説明するための表である。
【図５】この発明に係る光電陰極の分光感度特性を、比較例に係る光電陰極の分光感度特性とともに示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１Ａ、１Ｂ…光電陰極、１０Ａ、１０Ｂ…光電子増倍管（電子管）、１００、１００Ａ、１００Ｂ…支持基板、２００…下地層、３００…光電子放出層。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、所定波長の光の入射に応答して光電子を放出する光電陰極（Photocathode）、それを含む電子管、及びそれを含む光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光電陰極は、例えば特許文献１に記載されたように、入射光に応答して発生する電子（光電子）を放出するデバイスである。このような光電陰極は、光電子増倍管などの電子管に好適に適用される。また、光電陰極は、適用される支持基板材料の違いにより、透過型と反射型の２タイプがある。
【０００３】
透過型光電陰極では、入射光を透過する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、光電子増倍管などの透明容器の一部が該支持基板として機能する。この場合、支持基板を透過した入射光が光電子放出層に到達すると、到達した該入射光に応答して該光電子放出層内で光電子が発生する。該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、該光電子放出層内で発生した光電子は、該入射光の進行方向に一致した方向に向かって放出される。
【０００４】
一方、反射型光電陰極では、入射光を遮断する材料からなる支持基板上に光電子放出層が形成され、該支持基板は光電子増倍管の透明容器の内部に配置される。この場合、支持基板は、光電子放出層を支持する補強部材として機能しており、入射光は該支持基板を避けて光電子放出層に直接到達する。光電子放出層内では、到達した該入射光に応答して光電子が発生する。該光電子放出層内で発生した光電子は、該光電子放出層から見て支持基板とは反対側に光電子取り出し用の電界が形成されることで、支持基板から見て該入射光が進行してきた側に放出される。
【特許文献１】米国特許第３，２５４，２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは上述の従来技術を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、光電変換デバイスとしての光電陰極に要求される分光感度はより高い方が好ましい。この分光感度を高くするには、入射する光子の数に対する放出される光電子の数の割合を示す当該光電陰極の実効的な量子効率を高くする必要がある。例えば、上記特許文献１では、支持基板と光電子放出層との間に反射防止膜を備えた光電陰極が検討されている。しかしながら、近年、さらなる量子効率の向上が望まれている。
【０００６】
この発明は、従来の光電陰極と比較して実効的な量子効率を飛躍的に向上させるための構造を備えた光電陰極、それを含む電子管、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る光電陰極は、支持基板と、該支持基板に直接接触した状態で該支持基板上に設けられた下地層と、該下地層に直接接触した状態で該下地層上に設けられたアルカリ金属を含む光電子放出層を備える。当該光電陰極は、支持基板材料の違いにより透過型と反射型の２タイプがある。透過型光電陰極の場合、支持基板は入射光を透過する材料、例えば石英ガラスや硼珪酸ガラスなどのガラス材料からなる。また、反射型光電陰極の場合、支持基板は入射光を遮断する材料、例えばニッケル等の金属からなる。
【０００８】
この発明に係る光電陰極は、透過型及び反射型のいずれにおいても、所定波長の光が入射される光入射面と、該光の入射に応答して光電子を放出する光電子出射面を有する。具体的に、当該光電陰極において、支持基板は、第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する。アルカリ金属を含む光電子放出層も同様に、第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する。また、光電子放出層は、当該光電子放出層の第１主面が支持基板の第２主面に対面するよう前記支持基板の第２主面上に設けられる。そして、下地層は、支持基板の第２主面と光電子放出層の第１主面と直接接触した状態でこれら支持基板及び光電子放出層の間に設けられる。
【０００９】
なお、当該光電陰極が透過型光電陰極である場合、支持基板の第１主面が光入射面として機能する一方、光電子放出層の第２主面が光電子出射面として機能する。一方、当該光電陰極が反射型光電陰極である場合、光電子放出層の第２主面が光入射面として機能するとともに光電子出射面としても機能する。
【００１０】
特に、この発明に係る光電陰極は、支持基板と光電子放出層との間に、ベリリウム元素（Ｂｅ）を含む下地層を設けることにより、当該光電陰極の実効的な量子効率を、従来の光電陰極と比較して飛躍的に向上させることを発明者らが発見したことにより達成されたものである。
【００１１】
以上のように、この発明に係る光電陰極は、支持基板上に設けられる光電子放出層との間にベリリウム元素を含む下地層が設けられた単純構造を有するため、この下地層の存在により、当該光電陰極の製造工程における熱処理時に光電子放出層に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）の支持基板側への拡散が抑制される。このため、光電子放出層における量子効率の低下が効果的に抑制される。さらに、この下地層は、光電子放出層内で発生した光電子のうち、支持基板側（光電子放出層の第１主面）へ向かう光電子の進行方向を該光電子放出層の第２主面側に反転させるよう機能していると推察される。このため、当該光電陰極全体の量子効率を飛躍的に向上すると考えられる。
【００１２】
なお、この明細書において、実効的な量子効率とは、光電子放出層についてだけでなく、支持基板等を含む光電陰極全体での量子効率をいう。したがって、実効的な量子効率には、支持基板の透過率などの要素も反映されている。また、ベリリウム元素を含む当該光電陰極における下地層は、ベリリウム合金の酸化物や酸化ベリリウムからなる単層構造、主材料として酸化ベリリウムを含む層（ＢｅＯ系下地）や酸化ベリリウム単層を含む多層構造など、種々の構造により実現可能である。例えば、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化マンガン（ＭｎＯ）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の混晶を含む場合、当該下地層が酸化ベリリウム（ＢｅＯ）と酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の混晶を含む場合のいずれでも、高い量子効率が得られることを、発明者らは確認した。なお、当該下地層は、酸化ベリリウムと酸化マグネシウムの混晶からなる層、酸化ベリリウムと酸化マンガンの混晶からなる層、酸化ベリリウムと酸化イットリウムの混晶からなる層、又は酸化ベリリウムと酸化ハフニウムの混晶からなる層を含む多層構造であってもよい。また、当該下地層は、酸化ベリリウムを含む層と、この酸化ベリリウムを含む層と支持基板との間に位置する酸化ハフニウム膜を含む多層構造であってもよい。
【００１３】
この発明に係る光電陰極において、光電子放出層は、アンチモン（Ｓｂ）とアルカリ金属との化合物からなるのが好ましい。また、アルカリ金属は、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）の少なくともいずれかを含むのが好ましい。
【００１４】
この発明に係る光電陰極において、下地層の厚みは、該下地層の厚みに対する光電子放出層の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されるのが好ましい。
【００１５】
この発明に係る光電陰極は、透過型及び反射型のいずれのタイプであっても、光電子増倍管（この発明に係る光電子増倍管）などの電子管（この発明に係る電子管）に好適に適用可能である。この場合、当該電子管は、上述のような構造を有する透過型又は反射型光電陰極と、該光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、該光電陰極及び該陽極を収納する容器を備える。また、当該光電子増倍管は、上述のような構造を有する透過型又は反射型光電陰極と、該光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、該電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、そして、該光電陰極、該電子増倍部及び該陽極を収納する容器を備える。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、この発明に係る光電陰極によれば、従来の光電陰極と比較して実効的な量子効率が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明に係る光電陰極及び光電子増倍管（電子管に含まれる）の各実施形態を、図１〜５を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１８】
図１において、（ａ）は、この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極の断面構造を示す図である。また、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極の断面構造を示す図である。
【００１９】
図１（ａ）に示された透過型光電陰極１Ａは、所定波長の入射光ｈνを透過する支持基板１００Ａと、該支持基板１００Ａ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００を備える。支持基板１００Ａは、当該透過型光電陰極１Ａの光入射面として機能する第１主面１０１ａと、該第１主面１０１ａに対向する第２主面１０２ａを有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａに対面する第１主面３０１ａと、該第１主面３０１ａに対向するとともに当該透過型光電陰極１Ａの光電子出射面として機能する第２主面３０２ａを有する。また、下地層２００は、支持基板１００Ａの第２主面１０２ａと光電子放出層３００の第１主面３０１ａに直接接触した状態でこれら支持基板１００Ａ及び光電子放出層３００の間に配置される。すなわち、この透過型光電陰極１Ａは、支持基板１００Ａ側から入射光ｈνが入射され、該入射光ｈνに応答して光電子放出層３００側から光電子ｅ−が放出される。
【００２０】
透過型光電陰極１Ａにおいて、支持基板１００Ａは、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料からなるのが好ましい。このような支持基板材料としては、例えば石英ガラス、硼珪酸ガラスが適している。
【００２１】
一方、図１（ｂ）に示された反射型光電陰極１Ｂは、所定波長の入射光ｈνを遮断する支持基板１００Ｂと、該支持基板１００Ｂ上に設けられた下地層２００と、該下地層２００上に設けられた光電子放出層３００を備える。支持基板１００Ｂは、第１主面１０１ｂと、該第１主面１０１ｂに対向する第２主面１０２ｂを有する。光電子放出層３００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂに対面する第１主面３０１ｂと、該第１主面３０１ｂに対向するとともに当該反射型光電陰極１Ｂの光入射面及び光電子出射面の双方として機能する第２主面３０２ｂを有する。また、下地層２００は、支持基板１００Ｂの第２主面１０２ｂと光電子放出層３００の第１主面３０１ｂに直接接触した状態でこれら支持基板１００Ｂ及び光電子放出層３００の間に配置される。すなわち、この反射型光電陰極１Ｂは、光電子放出層３００から支持基板１００Ｂに向かって入射光ｈνが到達すると、該入射光ｈνに応答して支持基板１００Ｂから光電子放出層３００に向かう方向に光電子ｅ−が放出される。
【００２２】
このような反射型光電陰極１Ｂにおいて、支持基板１００Ｂは、光電子放出層３００を支持する補強部材として機能するため、ニッケル支持基板等の金属材料からなるのが好ましい。
【００２３】
上述のような透過型光電陰極１Ａ、反射型光電陰極１Ｂのいずれにおいても、下地層２００及び光電子放出層３００は同様の構造を有してもよい。
【００２４】
すなわち、下地層２００は、Ｂｅ元素を含む。具体的には、下地層２００は、Ｂｅ合金の酸化物やＢｅＯからなる単層構造、主材料としてＢｅＯを含む層（ＢｅＯ系下地）やＢｅＯ単層を含む多層構造など、種々の構造により実現可能である。例えば、ＢｅＯ単層の他に、ＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅＸＭｇＹＯＺ）、ＢｅＯとＭｎＯの混晶（ＢｅＸＭｎＹＯＺ）、ＢｅＯとＹ２Ｏ３の混晶（ＢｅＸＹＹＯＺ）、ＢｅＯとＨｆＯ２の混晶（ＢｅＸＨｆＹＯＺ）でもよい。このような構造を有する下地層２００は、ＢｅとＭｇ、ＢｅとＭｎ、ＢｅとＹ、ＢｅとＨｆのいずれかが基板に同時に蒸着された後に酸化される。あるいは、下地層２００は、Ｂｅの蒸着に続けて、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｙ及びＨｆのうちいずれかの蒸着が行われた後に酸化されることでも得られる（Ｂｅが先の蒸着された後に他の金属材料が蒸着されると該Ｂｅの酸化が不十分になる可能性があるので、このような製造方法では下地層の総質量に対する該他の金属材料の質量比率を２０％以下に抑えるのが好ましい）。なお、混晶の場合、Ｂｅの割合は、他の金属材料を含む混晶全体に対する質量比率で５０％よりも大きくしておくのが好ましい。これは、製造時に用意されるＢｅの質量をＭｇ、Ｍｎ等の他の金属材料の総質量に対して多くしておくことにより実現可能である。
【００２５】
光電子放出層３００は、アンチモン（Ｓｂ）とアルカリ金属との化合物からなるのが好ましい。また、アルカリ金属は、セシウム（Ｃｓ）、カリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）の少なくともいずれかを含むのが好ましい。このような光電子放出層３００は、当該光電陰極１Ａの活性層として機能する。
【００２６】
なお、以下の説明において、透過型及び反射型光電陰極１Ａ、１Ｂのいずれにも限定せずに単に支持基板と言う場合には、参照番号として“１００”と明記する。
【００２７】
図２は、この発明に係る光電陰極のうち上述の透過型光電陰極１Ａが適用される光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【００２８】
この透過型光電子電子管１０Ａは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備える。この透明容器３２の入射面板が、当該透過型光電陰極１Ａの支持基板１００Ａとして機能する。透明容器３２内には下地層２００を介して光電子放出層３００が配置されるとともに、放出された光電子を増倍部４０へ導く集束電極３６、二次電子を増倍する増倍部４０、及び増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該透過型光電陰極１Ａの少なくとも一部及び陽極３８を収納する。
【００２９】
集束電極３６と陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、容器３２を貫通するように設けられたステムピン４４と電気的に接続されている。
【００３０】
一方、図３は、この発明に係る光電陰極のうち上述の反射型光電陰極１Ｂが適用される光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【００３１】
この反射型光電子電子管１０Ｂは、入射光ｈνを透過する入射面板を有する透明容器３２を備えるが、当該反射型光電陰極１Ｂは、支持基板１００Ｂを含む全体が透明容器３２内に配置される。さらに、透明容器３２内には、反射型光電陰極１Ｂから放出された光電子を増倍する増倍部４０、増倍部４０で増倍された二次電子を収集する陽極３８が設けられている。このように、透明容器３２は、当該反射型光電陰極１Ｂ全体及び陽極３８を収納する。
【００３２】
反射型光電陰極１Ｂと陽極３８との間に設けられる増倍部４０は、複数段のダイノード（電極）４２で構成されている。各ダイノード４２は、図２に示された透過型光電子増倍管１０Ａと同様に、透明容器３２を貫通するように設けられたステムピンと電気的に接続されている。
【００３３】
次に、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルについて説明する。なお、用意されたサンプルは透過型光電陰極であるが、反射型光電陰極の特性については、透過型光電陰極の場合と同様の特性が期待できることが容易に推測できるため、省略する。図４（ａ）は、当該透過型光電陰極１Ａとして用意された複数サンプル（以下、透過型サンプルという）に適用されている下地層構造の種類を説明するための表である。また、図４（ｂ）は、用意された複数の透過型サンプルに適用される光電子放出層構造の種類を説明するための表である。すなわち、用意された透過型サンプルの種類は、５種類の下地層２００と４種類の光電子放出層３００の組み合わせにより得られる２０種類である。
【００３４】
図４（ａ）の表に示されたように、下地層２００の構造Ｎｏ．１は、ＢｅＯ単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．２は、ＭｇＯ単層とＢｅＯ単層の２層構造であり、これらＭｇＯ単層とＢｅＯ単層の界面には合金（ＢｅＯ−ＭｇＯ）が形成されている。なお、この構造Ｎｏ．２では、いずれの単層が支持基板１００に接触してもよい。また、この構造Ｎｏ．２の製造では、ＭｇＯの形成後にＢｅＯが形成されてもよく、ＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着されてもよい。下地層２００の構造Ｎｏ．３は、ＭｎＯ単層とＢｅＯ単層の２層構造であり、これらＭｎＯ単層とＢｅＯ単層の界面には合金（ＢｅＯ−ＭｎＯ）が形成されている。この構造Ｎｏ．３においても、いずれの単層が支持基板１００に接触してもよい。また、この構造Ｎｏ．３の製造でも、ＭｎＯの形成後にＢｅＯが形成されてもよく、ＭｎＯとＢｅＯが同時に蒸着されてもよい。下地層２００の構造Ｎｏ．４は、Ｂｅ合金の酸化物からなる単層である。下地層２００の構造Ｎｏ．５は、支持基板１００上にＨｆＯ２やＹ２Ｏ３などの薄膜を設け、この薄膜上にＢｅＯ系下地（上記構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４のいずれでもよい）が設けられている。この薄膜は入射光に対する反射防止膜（anti-reflection（ＡＲ）コート）として機能させることができる。また、ＨｆＯ２やＹ２Ｏ３の膜厚は、３０Å〜２０００Åの範囲内で選択される。
【００３５】
一方、図４（ｂ）の表に示されたように、光電子放出層３００の構造Ｎｏ．１は、Ｋ−ＣｓＳｂ（Ｋ２ＣｓＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．２は、Ｎａ−ＫＳｂ（Ｎａ２ＫＳｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．３は、Ｃｓ−Ｎａ−ＫＳｂ（Ｃｓ（Ｎａ２Ｋ）Ｓｂ）単層である。光電子放出層３００の構造Ｎｏ．４は、Ｃｓ−ＴｅＳｂ（Ｃｓ２ＴｅＳｂ）単層である。
【００３６】
上述のＭｎＯＸ、ＭｇＯなどは、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光を透過する材料として知られている。また、薄膜材料であるＨｆＯ２は、波長３００ｎｍ〜１０００ｎｍの光に対して高い透過率を示す。
【００３７】
以上、下地層２００に適用される構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５と、光電子放出層３００に適用される構造Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の組み合わせのうち代表的な透過型サンプルについて分光感度特性を測定した結果、優れた分光感度特性が得られた。
【００３８】
図５は、この発明に係る光電陰極として上述のような構造を備えた透過型サンプルの感度特性を、比較例に係る透過型光電陰極の比較サンプルの感度特性とともに示すグラフである。ここで、図５中のグラフＧ５１０は上述の下地層構造Ｎｏ．２（ＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅとＭｇの質量比率は９：１））と光電子放出層構造Ｎｏ．１の組み合わせを有する第１透過型サンプルの分光感度特性を示し、グラフＧ５２０は比較例に係る光電陰極である比較サンプルの分光感度特性を示し、そして、グラフＧ５３０は上述の下地層構造Ｎｏ．５（ＨｆＯ２コート上に、ＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶が形成される）と光電子放出層構造Ｎｏ．１の組み合わせを有する第２透過型サンプルの分光感度特性を示す。
【００３９】
この発明に係る光電陰極１Ａの第１透過型サンプルにおいて、支持基板１００Ａは硼珪酸ガラス、下地層２００はＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶（支持基板１００Ａ上にＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着される）、そして、光電子放出層３００はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、当該第１透過型サンプルにおいて、下地層２００の厚みは１００Å、光電子放出層３００の厚みは１６０Åであり、下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、１．６である。
【００４０】
一方、比較サンプルにおいて、支持基板は硼珪酸ガラス、下地層はＭｎＯｘ単層、そして、光電子放出層はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、この比較サンプルにおいて、下地層の厚みは３０Å、光電子放出層の厚みは１６０Åであり、下地層の厚みに対する光電子放出層の厚みの比は、５．３である。
【００４１】
さらに、この発明に係る光電陰極１Ａの第２透過型サンプルにおいて、支持基板１００Ａは硼珪酸ガラスで構成されている。下地層２００は、ＡＲコートとして支持基板１００Ａ上に蒸着されたＨｆＯ２と、Ｂｅ系下地としてＢｅとＭｇの質量比率が９：１に設定されたＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＨｆＯ２コート上にＭｇＯとＢｅＯが同時に蒸着される）により構成されている。そして、光電子放出層３００はＫ−ＣｓＳｂ層でそれぞれ構成されている。また、当該第２透過型サンプルにおいて、下地層２００の厚みは４００Å（ＨｆＯ２が３００Å、ＢｅＯとＭｇＯの混晶が１００Å）、光電子放出層３００の厚みは１６０Åであり、下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、０．４である。なお、ＢｅＯとＭｇＯの混晶からなる層の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比は、１．６である。
【００４２】
図５から判るように、この発明に係る光電陰極として用意された透過型サンプルは、下地層２００の少なくとも一部にＢｅＯとＭｇＯの混晶（ＢｅとＭｇの質量比率は９：１）を含む領域が設けられたことにより、比較サンプルよりも全使用波長領域において量子効率が向上している。特に、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、比較サンプルが２６．９％であるのに対し、第１透過型サンプルは４０．８％、第２透過型サンプルでは４４．８％となり、およそ５０％程度又はそれ以上の感度増加が確認された。このように実効的な量子効率を飛躍的に向上させるためには、この発明に係る光電陰極において、下地層２００の厚みは、該下地層２００の厚みに対する光電子放出層３００の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されるのが好ましい。また、下地層２００の厚みは２０Å〜５００Åの範囲、光電子放出層３００の厚みは５０Å〜２０００Åの範囲にそれぞれ収まるよう設定されるのが好ましい。
【００４３】
なお、Ｋ−ＣｓＳｂ光電子放出層３００に対して下地層２００の構造を変えことにより得られる種々の透過型サンプルの、波長３６０ｎｍにおける量子効率は、以下のようになる。すなわち、下地層２００がＢｅＯ単層の場合（構造Ｎｏ．１）、得られる透過型サンプルの量子効率は３８．８％であった。また、ＭｇＯの蒸着後にＢｅＯが蒸着された構造Ｎｏ．２の下地層２００の場合、得られる透過型サンプルの量子効率は３８％（波長３６０ｎｍ）であった。下地層２００がＢｅＯとＭｎＯの混晶（ＢｅとＭｎの質量比率は９：１）の場合（構造Ｎｏ．３）、得られる透過型サンプルの量子効率は３８％であった。下地層２００がＢｅＯとＹ２Ｏ３の混晶（ＢｅとＹの質量比率は９：１、）の場合、量子効率は４１．２％であった。さらに、下地層２００がＢｅＯとＨｆＯ２の混晶（ＢｅとＨｆの質量比率は９：１）の場合、量子効率は３９．６％であった。いずれの下地層構造を備えた透過型サンプルにおいても、比較サンプルと比較して感度増加が確認された。特に、第２透過型サンプル（硼珪酸ガラスの支持基板１００Ａ、ＨｆＯ２コート及びＢｅＯとＭｇＯの混晶で構成された下地層２００、Ｋ−ＣｓＳｂ光電子放出層３００で構成されている）の場合、図５に示されたようにピーク４４．８％の高い量子効率が得られた。
【００４４】
上述のようにこの発明に係る光電陰極として用意されたサンプルが比較サンプルよりも著しく分光感度が向上するのは、ＢｅＯを含む下地層２００がバリア層として機能することに起因していると考えられる。すなわち、当該光電陰極の製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）は、拡散するため当該光電子放出層３００に隣接する層に移動してしまうと考えられる。この場合、実効的な量子効率の低減はその結果によるものと推察される。一方、ＢｅＯを含む下地層２００が隣接層として光電子放出層３００に接触した状態で設けられると、製造工程における熱処理時に光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属（例えば、Ｋ、Ｃｓなど）の拡散が効果的に抑制されると考えられる。ＢｅＯを含む下地層２００を備えた光電陰極において高い実効的量子効率を実現できるのは、その結果によるものと推察される。さらに、この下地層２００は、光電子放出層３００内で発生した光電子のうち、支持基板１００側へ向かう光電子の進行方向を該光電子放出層３００側に反転させるよう機能していると推察される。このため、当該光電陰極全体の量子効率を飛躍的に向上すると考えられる。
【００４５】
光電子放出層３００に含まれるアルカリ金属の種類が複数の場合、複数回に渡ってアルカリ蒸気を送らなければならない。そのため、熱処理による量子効率の低減が抑制されることは、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（ａ）は、この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極の断面構造を示す図である。
【図２】この発明に係る光電陰極として、透過型光電陰極が適用された光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【図３】この発明に係る光電陰極として、反射型光電陰極が適用された光電子増倍管（この発明に係る電子管に含まれる）の断面構造を示す図である。
【図４】（ａ）は、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルに適用されている下地層構造の種類を説明するための表であり、（ｂ）は、この発明に係る光電陰極として用意された複数サンプルに適用される光電子放出層構造の種類を説明するための表である。
【図５】この発明に係る光電陰極の分光感度特性を、比較例に係る光電陰極の分光感度特性とともに示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１Ａ、１Ｂ…光電陰極、１０Ａ、１０Ｂ…光電子増倍管（電子管）、１００、１００Ａ、１００Ｂ…支持基板、２００…下地層、３００…光電子放出層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光が入射される光入射面と、該光の入射に応答して光電子を放出する光電子出射面を有する光電陰極であって、
第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する支持基板と、
第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有するとともにアルカリ金属を含む光電子放出層であって、当該光電子放出層の第１主面が前記支持基板の第２主面に対面するよう前記支持基板の第２主面上に設けられた光電子放出層と、そして、
前記支持基板の第２主面と前記光電子放出層の第１主面に直接接触した状態で前記支持基板と前記光電子放出層との間に設けられた下地層であって、ベリリウム元素を含む下地層とを備えた光電陰極。
【請求項２】
前記下地層の厚みは、該下地層の厚みに対する前記光電子放出層の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項３】
前記光電子放出層は、アンチモンとアルカリ金属との化合物からなることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項４】
前記アルカリ金属は、セシウム、カリウム及びナトリウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項５】
前記支持基板は、入射される前記所定波長の光を透過する材料からなり、そして、
当該光電陰極は、前記支持基板の第１主面が前記光入射面として機能する一方、前記光電子放出層の第２主面が前記光電子出射面として機能する透過型光電陰極を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項６】
請求項５記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極及び前記陽極を収納する容器を備えた電子管。
【請求項７】
前記支持基板は、入射される前記所定波長の光を遮断する材料からなり、そして、
当該光電陰極は、前記光電子放出層の第２主面が前記光入射面として機能するとともに前記光電子出射面としても機能する反射型光電陰極を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項８】
請求項７記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極及び前記陽極を収納する容器を備えた電子管。
【請求項９】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化マグネシウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１０】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化マンガンの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１１】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化イットリウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１２】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化ハフニウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１３】
前記下地層は、酸化ベリリウムを含む層と、該酸化ベリリウムを含む層と前記支持基板との間に位置に酸化ハフニウム膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１４】
請求項５又は７記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、
前記電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極、前記電子増倍部及び前記陽極を収納する容器を備えた光電子電子管。
【請求項１】
所定波長の光が入射される光入射面と、該光の入射に応答して光電子を放出する光電子出射面を有する光電陰極であって、
第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有する支持基板と、
第１主面と該第１主面に対向する第２主面を有するとともにアルカリ金属を含む光電子放出層であって、当該光電子放出層の第１主面が前記支持基板の第２主面に対面するよう前記支持基板の第２主面上に設けられた光電子放出層と、そして、
前記支持基板の第２主面と前記光電子放出層の第１主面に直接接触した状態で前記支持基板と前記光電子放出層との間に設けられた下地層であって、ベリリウム元素を含む下地層とを備えた光電陰極。
【請求項２】
前記下地層の厚みは、該下地層の厚みに対する前記光電子放出層の厚みの比が０．１以上かつ１００以下の範囲に収まるよう設定されていることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項３】
前記光電子放出層は、アンチモンとアルカリ金属との化合物からなることを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項４】
前記アルカリ金属は、セシウム、カリウム及びナトリウムの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項５】
前記支持基板は、入射される前記所定波長の光を透過する材料からなり、そして、
当該光電陰極は、前記支持基板の第１主面が前記光入射面として機能する一方、前記光電子放出層の第２主面が前記光電子出射面として機能する透過型光電陰極を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項６】
請求項５記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極及び前記陽極を収納する容器を備えた電子管。
【請求項７】
前記支持基板は、入射される前記所定波長の光を遮断する材料からなり、そして、
当該光電陰極は、前記光電子放出層の第２主面が前記光入射面として機能するとともに前記光電子出射面としても機能する反射型光電陰極を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項８】
請求項７記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極及び前記陽極を収納する容器を備えた電子管。
【請求項９】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化マグネシウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１０】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化マンガンの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１１】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化イットリウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１２】
前記下地層は、酸化ベリリウムと酸化ハフニウムの混晶を含むことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１３】
前記下地層は、酸化ベリリウムを含む層と、該酸化ベリリウムを含む層と前記支持基板との間に位置に酸化ハフニウム膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の光電陰極。
【請求項１４】
請求項５又は７記載の光電陰極と、
前記光電陰極から放出された光電子をカスケード増倍するための電子増倍部と、
前記電子増倍部から放出された二次電子を収集する陽極と、そして、
前記光電陰極、前記電子増倍部及び前記陽極を収納する容器を備えた光電子電子管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１６６２６２（Ｐ２００８−１６６２６２Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０５０６０（Ｐ２００７−３０５０６０）
【出願日】平成１９年１１月２６日（２００７．１１．２６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２６日（２００７．１１．２６）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
[ Back to top ]