調整可能な抵抗膜を有するマイクロチャネルプレートデバイス
中性子を検出するためのマイクロチャネルプレートは、基板の頂面から基板の底面まで延在する複数のチャネルを画定する、水素に富むポリマー基板を含み、中性子は、複数のチャネルと相互作用して、少なくとも１つの二次電子を生成する。頂部電極は、基板の頂面上に位置付けられ、底部電極は、基板の底面上に位置付けられる。抵抗層は、実質的に一定の抵抗率でオーミック伝導を提供する、複数のチャネルの外面上に形成される。放出層は、抵抗層上に形成される。中性子相互作用生成物は、基板により画定される複数のチャネルおよび放出膜と相互作用し、複数のチャネル内でカスケード増幅して中性子の検出に関連した増幅信号を提供する二次電子を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において用いられるセクションの見出しは、編集のみを目的とし、本願において説明される主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００８年６月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１２／１４３，７３２号の一部継続出願である。米国特許出願番号第１２／１４３，７３２号の全内容は、本明細書において参照により援用される。
【０００３】
（連邦政府の研究の声明）
本発明は、国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）によって付与された助成金番号ＨＲ００１１−０５−９−０００１の下で政府支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
（発明の背景）
マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）は、イオン、電子、光子、中性原子、および中性子を含む、非常に低い流束の検出（単一事象の計数に至るまで）に使用される。例えば、マイクロチャネルプレートは、画像増倍デバイスにおける電子増倍管として一般的に使用される。マイクロチャネルプレートは、細孔またはマイクロチャネルとして知られ、厚板を通して延在する複数の微小な管またはスロットを有する高抵抗材料の厚板である。マイクロチャネルは、互いに平行であり、表面に対し微小角度で位置付けられ得る。マイクロチャネルは、通常、高密度で実装される。連続したダイノードとして機能するように、複数のチャネルのそれぞれの内部表面上に高抵抗層および高い二次電子放出効率を有する層が形成される。マイクロチャネルプレートを備える厚板の頂面および底面上には導電性コーティングが堆積される。
【０００５】
動作中、マイクロチャネルプレートの頂面および底面上の導電性コーティングの間に加速電圧が印加される。加速電圧は、複数のチャネルのそれぞれの反対端部間の電位勾配を確立する。複数のチャネルを移動するイオンおよび／または電子が加速される。これらのイオンおよび電子は、高い二次電子放出効率を有する細孔の高抵抗外層と衝突し、それにより二次電子を生成する。二次電子は加速され、放出層と複数の衝突を繰り返す。したがって、電子は複数のチャネルの各々内部で増幅される。電子は、最終的に、複数のチャネルのそれぞれの放射端でチャネルから離れる。電子は検出され得るか、または、蛍光スクリーン等の電子感受性スクリーン上、もしくは種々のアナログ／デジタル計測器上で画像を形成するために使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、好ましく例示的な実施形態に従い、そのさらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の詳細な説明においてより具体的に説明される。図面は必ずしも正確な縮尺とは限らず、概して本発明の原理を示すことが強調される。
【０００７】
本明細書において、「一実施形態」または「実施形態」という言及は、実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。本明細書における種々の場所で「一実施形態において」という語句が出現した場合、すべて同じ実施形態を指しているわけではない。
【０００８】
本発明の方法の個々のステップは、本発明が実行可能である限り、任意の順番および／または同時に行われてもよいことを理解されたい。さらに、本発明の装置および方法は、本発明が実行可能である限り、記載された実施形態の任意の数または全てを含み得ることを理解されたい。
【０００９】
本教示は、添付の図面に示されるようなその例示的実施形態を参照してより詳細に説明される。本発明は、多様な実施形態および実施例に関連して説明されるが、本発明が当該実施形態に限定されることを意図するものではない。そうではなく、本発明は、当業者によって理解されるように、多様な代替、変形および相当物に及ぶ。本明細書の本発明を入手する権利を有する当業者は、本明細書に説明される本開示の範囲内である、追加の実装、変形および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの断面の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの断面図である。
【図２】図２は、本発明によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明に従い堆積された膜、および従来のマイクロチャネルプレートのチャネル抵抗に対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯのパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗の実験データである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明に従い製造された膜に対する、銅のパーセントの関数としての抵抗のデータである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、市販マイクロチャネルプレートデバイス、真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイス、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する、電圧の関数としての正規化マイクロチャネルプレート電流のデータである。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインおよび抵抗のデータである。
【図３Ｅ】図３Ｅは、市販マイクロチャネルプレートおよび本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、Ｃ／ｃｍ２単位の線量の関数としての相対ゲインのデータである。
【図３Ｆ】図３Ｆは、最新の市販の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）マイクロチャネルプレートデバイス、真性ポリシリコン、および本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜において観察される、温度の関数としての正規化抵抗のデータである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明による高速中性子の検出に好適な基板を備えるプラスチックマイクロチャネルプレートの概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、マイクロチャネルプレート内での中性子−陽子相互作用および二次電子生成を示す、図４Ａに示されるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一マイクロチャネルの断面の概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一プラスチックマイクロチャネルにおける、電子雪崩プロセスの概略図である。
【図５】図５は、４つの異なるプラスチック基板厚に対する、ＭｅＶ単位の中性子エネルギーの関数としての中性子相互作用確率のグラフである。
【図６】図６は、ホウ素でドーピングされたプラスチックマイクロチャネルプレートの断面図、ならびに７Ｌｉイオンおよびアルファ粒子を生成する入射熱中性子と１０Ｂ原子核との相互作用の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａは、従来技術によるマイクロチャネルプレート１００の断面の斜視図を示す。マイクロチャネルプレート１００は、基板１０２の頂面１０６から基板１０２の底面１０８まで延在する複数の細孔またはマイクロチャネル１０４を規定する、基板１０２を含む。頂面１０６は、電極材料１１０でコーティングされている。底面は、電極材料１１２でコーティングされている。電極材料１１０、１１２は、電子のカスケード増幅を可能にする電場を生成するための電子伝達媒体を提供する導電性コーティングである。マイクロチャネル１０４は、約１０６／ｃｍ２以上のチャネル密度を有する、円筒状であってもよい中空のチャネルである。
【００１２】
動作中、マイクロチャネル１０４は、約１×１０−５トル以下の圧力まで排気され、外部電源１１４によりバイアスがかけられる。マイクロチャネルは、好適な入力信号に応じて大規模な電子雪崩を支援する。電子倍増プロセスは、チャネルの絶対径（Ｄ）または長さ（Ｌ）のいずれにも大きく依存しないが、時にαと呼ばれるＬ／Ｄの比に依存する。この幾何学的比率は、概して、雪崩を形成する電子の細孔壁との衝突（およびその分布）の平均数（ｎ）を決定する。しかしながら、より小さいチャネル径を有するＭＣＰは、より大きいチャネル径および同じＬ／Ｄ比を有するＭＣＰよりも、若干小さいゲインを有する傾向がある。αの典型的な値は、約２〜１２．５μｍのチャネル径Ｄを有する従来のＭＣＰの場合、３０から８０の範囲である。
【００１３】
図１Ｂは、従来技術によるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）１５０の信号チャネルの斜視図を示す。チャネル１５２は、電子倍増を行うダイノード１６０を含む。ＭＣＰ１５０の動作は、離散型ダイノードを使用した光電子放出検出器（例えば通常の光電子増倍管）の動作と同様である。動作中、ダイノード１６０は、過剰の電流を引き出すことなく、バイアス電場（ε）＝１０２〜１０５Ｖ／ｃｍを支援するのに十分な抵抗を有さなければならない。ダイノード１６０はまた、抵抗層（またはストリップ）電流が、電子雪崩の間ダイノード１６０から放出される電子を補充するために利用可能であるように、十分導電性でなければならない。例えば、荷電粒子（例えば電子もしくはイオン）、中性原子／分子または十分にエネルギーを有する放射線（例えばＸ線もしくはＵＶ光子）等の単一事象１６２が、マイナスのバイアスがかけられた入射端部１５６の近くのダイノード１６０に衝突した場合、二次電子１６４が表面１６０から射出される可能性が高い。これらの二次電子１６４は、電源１５４で表されるバイアス電位（ＶＢ）により生成される印加電場εによって、ダイノード１６０により規定されるチャネルを通して加速される。印加電場ε＝ＶＢ／Ｌ（式中、ＶＢはボルト単位である）は、従来の直線チャネルＭＣＰの場合、約２０〜２５αである。
【００１４】
放出された二次電子１６４のダイノード１６０との衝突は、追加の二次電子１６４の放出をもたらす。これらの二次電子は、続いてダイノード１６０と衝突し、これにより別の組の二次電子を生成する。入射一次電子毎に平均して２つ以上の二次電子が放出される、例えば二次電子収率（δ）＞１であり、この一次衝突−二次放出のｎ回の反復が放射端１５８の方向に繰り返される場合、大きさδｎの放射電子雪崩１６６が達成される。
【００１５】
図１Ｃは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネル１８０の断面図を示す。抵抗層１８２は、ガラスチャネル材料１８４の外面上に形成される。ガラスチャネル材料１８４は、ＭＣＰ内の微視的なチャネルのアレイの形状におけるチャネル１８０の機械的支持を提供する。抵抗層１８２は、放出層の放電と、カスケード増幅に必要な電場の支持との両方のための電気伝導経路として機能する。界面層１８６は、抵抗層１８２から放出層１８８への遷移を例示するために示されている。約２〜２０ｎｍの厚さを有する、表面のシリカおよびアルカリに富む（ただし鉛分が低い）誘電放出層１８８（またはダイノード表面）は、抵抗層１８２の上に形成される。放出層１８８は、有用な電子倍増を達成するために適正な二次放出を生成する。
【００１６】
計算によれば、抵抗層１８２が厚さｔ＝１００ｎｍを有すると仮定すると、適切な動作を得るためには、チャネル１８０を含む低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）ダイノードは、１０６〜１０９Ωｃｍの範囲のバルク電気抵抗率を有さなければならないことが示されている。ＭＣＰと構造および動作が類似した単一チャネル電子増倍管（ＣＥＭ）は、単一の電子増倍チャネルのみを使用する。これにより、ＣＥＭの抵抗要件は６桁低減される結果となる。
【００１７】
マイクロチャネルプレート１００は、典型的には、ガラスマルチファイバ引き出し（ＧＭＤ）プロセスを用いて製造される。ＧＭＤプロセスにおいて、エッチング可能なコアガラスおよびアルカリケイ酸鉛クラッドガラスからなる個々の複合繊維が、ロッドインチューブプレフォームの引き出しにより形成される。次いでロッドインチューブプレフォームは、六角形または矩形アレイに封入される。次いでこのアレイは、再び六角形／矩形マルチファイババンドル状に引き出され、これが互いに積層されてガラス外皮内で融合され、中実ビレットを形成する。次いで中実ビレットは、典型的には、繊維軸に対する法線から約４°〜１５°の小さい角度でスライスされる。
【００１８】
個々のスライスは、次いで薄いプレート状に研磨される。可溶性のコアガラスは、化学エッチャントにより除去され、１０５〜１０７／ｃｍ２のチャネル密度を有する微視的チャネルのアレイが得られる。さらなる化学処理、続いて水素還元プロセスにより、微視的チャネル内での電子増倍に必要な抵抗および放出表面特性が形成される。その後、金属電極１１０および１１２がウエハ面上に堆積され、マイクロチャネルプレートの製造が完了する。代替の製造技術では、コアガラスのないクラッドガラスのみに引き出しプロセスが行われる。この技術は、最終段階におけるコアガラスのエッチングの必要性を排除する。
【００１９】
水素還元ステップは、従来技術のＭＣＰデバイスの動作に重要であり、連続ダイノードの抵抗および放出特性の両方を決定する。連続ガラスダイノードの表面近傍領域における鉛陽イオンは、水素雰囲気中、３５０〜６５０℃の温度で、Ｐｂ２の状態からより低い酸化状態へ、Ｈ２Ｏを反応副生成物として伴って化学的に還元される。このプロセスにより、ＲＬＳＧダイノードの表面までサブミクロンの距離内で、著しい電気伝導性が発達する。導電性に関与する物理学的機構は十分には理解されていないが、バンドギャップにおける局在電子状態からの電子ホッピング機構、またはＲＬＳＧ膜内の金属鉛の不連続アイランド間のトンネル機構に起因すると考えられる。
【００２０】
観察される電気伝導性は事実上オーミックであり、観察される材料特性に起因する金属の導電性に類似する。「オーミック」という用語は、電気伝導性が、抵抗が印加電圧の関数として実質的に一定であるオームの法則に従うことを意味する。例えば、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）は、典型的には、℃当たり１％未満である。また、一般的金属において観察される、印加外部電場に対する抵抗の非感受性および印可バイアスに対する抵抗の安定性が存在する。オーミック伝導の存在は、安定なＭＣＰデバイス動作に不可欠である。得られるＲＬＳＧダイノードは、１０１４Ω／ｓｑの公称シート抵抗を有する電気伝導表面を示す。当技術分野において、ＲＬＳＧダイノードの電気特性は、その製造の詳細により決定されるような、ガラス表面の化学的および熱的履歴の複雑な関数となることが知られている。
【００２１】
水素還元の間、ケイ酸鉛ガラス内の移動性化学種（例えばアルカリ、アルカリ土類、および鉛原子）の拡散および蒸発等の他の高温プロセスは、ＲＬＳＧダイノードの化学および構造を改質するように作用する。ＭＣＰのマイクロチャネル表面の表面近傍領域の材料分析では、図１Ｃと関連して説明されるように、ＲＬＳＧダイノードが抵抗層および放出層を含む２層構造を有することが示されている。
【００２２】
ＲＬＳＧ製造技術は十分確立されており、比較的安価で高性能のデバイスの製造をもたらしている。しかしながら、ＲＬＳＧ製造技術は、ある望ましくない制限を有する。例えば、ＲＬＳＧダイノードの電気特性および電子放出特性は両方とも、ダイノードを備えるガラス表面の化学的および熱的履歴に極めて感受性である。したがって、ＲＬＳＧ ＭＣＰの再現性のある性能特性は、複雑で時間を要する労働集約的な製造操作に対する厳格な制御に決定的に依存する。さらに、ＲＬＳＧ ＭＣＰの特性を向上または調整する能力は、現行の製造技術に適合する材料の限られた選択肢により制限される。性能は、従来のＭＣＰの製造に使用されるケイ酸鉛ガラスの材料上の制限により悪影響を受ける。これらの制限には、ゲイン振幅および安定性、計数率能力、最大処理温度、最大動作温度、暗騒音、再現性、サイズ、形状、ならびに高電流デバイスにおける熱放散が含まれる。
【００２３】
ＧＭＤプロセスに従うマイクロチャネルプレートの製造は、利用可能な材料の選択において制限されている。マルチファイバ引き出し技術では、コアおよびクラッド出発材料の両方が、慎重に選択された温度−粘度および熱膨張特性を有するガラスであることが必要とされる。融合ビレットは、ウエハ製造および仕上げに好適な特性を有さなければならない。コア材料は、非常に高い選択性をもって、クラッドより優先的にエッチングされなければならない。さらに、クラッド材料は、最終的に、電子増倍のための連続ダイノードとして機能するために、十分な表面導電性および二次電子放出特性を示さなければならない。この１組の制限は、現行技術によるＭＣＰの製造に好適な材料の範囲を大幅に制限する。
【００２４】
最も知られたマイクロチャネルプレートは、本明細書において図１Ａ〜１Ｃと関連して説明されるように、ガラス繊維から製造される。ガラス繊維からのマイクロチャネルプレートの製造の詳細な説明に関しては、「Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊｏｓｅｐｈ Ｗｉｚａ、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ、Ｖｏｌ．１６２、１９７９、５８７−６０１頁も参照されたい。数多くの種類の基板材料をマイクロチャネルプレート１００に使用することができる。
【００２５】
最近、マイクロチャネルプレート用の基板として、シリコンが使用されてきている。例えば、本出願人に譲渡された、Ｌｏｃｋｗｏｏｄへの米国特許第６，５２２，０６１ Ｂ１号を参照する。シリコン製マイクロチャネルプレートは、ガラス製マイクロチャネルプレートに比較していくつかの利点を有する。シリコンマイクロチャネルプレートは、ガラスマイクロチャネルプレートのようにチャネルが手作業で積層されるのではなく、リソグラフィーにより規定され得るため、より正確に製造することができる。シリコンプロセス技術は、非常に高度に開発されており、このようなマイクロチャネルプレートを加工するために適用され得る。また、シリコン製基板は、他の材料との適応性がはるかに高く、高温プロセスに耐えることができる。
【００２６】
一方、ガラスマイクロチャネルプレートは、シリコンマイクロチャネルプレートよりも低い温度で溶融する。さらに、シリコンマイクロチャネルプレートは、他のデバイスと容易に統合され得る。例えば、シリコンマイクロチャネルプレートは、光検出器、ＭＥＭＳ、および様々な種類の電気および光学集積回路等、様々な種類の他の電子および工学デバイスと容易に統合され得る。当業者には、基板材料が、数々の他の種類の絶縁基板材料のいずれか１つであり得ることが理解される。
【００２７】
本発明の一実施形態において、マイクロチャネルプレートを形成するためにプラスチック材料が使用される。例えば、マイクロチャネルプレートは、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料で形成され得る。当業者には、マイクロチャネルプレートが、数々の他のポリマーおよびプラスチック材料で形成され得ることが理解される。実際、マイクロチャネルプレート基板の必要とされる形状を形成するために、広範なプラスチックおよびポリマー材料が利用可能である。例えば、水素に富むプラスチックマイクロチャネルデバイスを使用して、動作寿命の長い高ゲイン検出器を製造することができる。
【００２８】
プラスチック成形プロセスは、当技術分野において周知である。マイクロチャネルプレートの形成に好適な射出成形プロセス等、多くのプラスチック製造プロセスがある。また、プラスチックマイクロチャネルプレートを形成するために使用され得る、数多くの光ファイバマルチドロー製造プロセスがある。放出および導電材料は、本発明の低温堆積技術により、プラスチックマイクロチャネルプレート上に形成され得る。プラスチックマイクロチャネルプレートプロセスは、実装するのに比較的安価となり得る。プラスチックＭＣＰはまた、現行のガラスマイクロチャネルプレートよりもはるかに大きな寸法で製造され得る。
【００２９】
種々の実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、熱中性子を検出するために使用することができる。「熱中性子」という用語は、本明細書において、その周囲とほぼ熱平衡にあり、約０．０２５ｅＶの平均エネルギーを示す中性子として定義される。熱中性子とプラスチック材料内に含有される特定の材料との間の相互作用は核反応であり、典型的には、アルファ粒子等の高エネルギーの重荷電粒子を生成する。
【００３０】
いくつかの実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、熱中性子に対し感受性となるように、ホウ素、リチウムまたはガドリニウムでドーピングされる。これらのプラスチックマイクロチャネルプレートにおいて、アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ量子、およびいくつかの場合にはＬｉ粒子等の反応副生成物が、細孔壁との相互作用により二次電子を生成する。これらの二次電子は、プラスチックマイクロチャネルプレートの細孔をコーティングする放出膜と衝突しながらＭＣＰ細孔内でカスケード増幅し、それにより事象検出および信号増幅を提供する。
【００３１】
例えば、熱中性子は、約１９．８％の天然存在度および約３８４０バーンの熱中性子反応断面積を有するホウ素−１０同位体と相互作用する。この相互作用の結果、ともにＭｅＶ範囲のエネルギーを有する、アルファ粒子および７Ｌｉ粒子が生成する。さらに、熱中性子は、約７．４％の天然存在度および９４０バーンの熱中性子反応断面積を有するリチウム−６同位体と相互作用する。この相互作用の結果、約２．７３ＭｅＶのエネルギーを有する高エネルギー三重陽子および約２．０５ＭｅＶのエネルギーを有するアルファ粒子が生成する。さらに、熱中性子は、約１５．７％の天然存在度および２２５，０００バーンの中性子反応断面積を有するガドリニウム−１５７同位体と効率的に相互作用し得る。この相互作用の結果、ガンマ線および転換電子が生成する。
【００３２】
プラスチックマイクロチャネルプレートはまた、高速中性子を検出するために使用することができる。「高速中性子」という用語は、本明細書において、０．５ＭｅＶを超えるエネルギーを有する中性子として定義される。高速中性子の検出は、入射高速中性子を、水素に富むポリマーマイクロチャネル構造内での中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳相互作用により生成される電子のパルスに転換することにより達成される。高速中性子は、散乱により原子核と相互作用し、１回の衝突で相当量のエネルギーを伝達し得る。反跳核は、中性子衝突から得られる測定可能な量のエネルギーを有する。これらの反跳核は、ＭＣＰを含むバルク材料からの離脱時、および本発明の方法に従い細孔壁上に堆積された膜との相互作用時に、二次電子を生成する。核散乱部位において、中性子はエネルギーを失い、より低いエネルギーまで減速される。中性子は、水素原子核（陽子）との１回の衝突で、最大でそのエネルギーの全てを失うことができるため、最も効率的な減速材は水素である。
【００３３】
高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、水素を含むプラスチック材料から製造することができ、また本明細書に記載のような薄膜放出および導電材料を堆積させることができる。そのようなプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器は、高速中性子に対し、１０ｎｓ未満の時間分解能で、比較的低い暗騒音、および比較的高い効率を有する。さらに、そのようなプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器は、製造するのに比較的安価となり得る。
【００３４】
本発明による高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳反応から、マイクロチャネル構造の壁と相互作用した時に二次電子を励起する陽子を生成する。続いて二次電子は、感受性膜要素にわたるバイアスにより支援される増幅プロセスを用いて、細孔内で増幅される。そのようなデバイスにより生成される、得られる信号は、抵抗アノード、クロスディレイラインアノード、クロスストリップアノード、および読み出し特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の種々の利用可能な機器の技術により容易に検出することができる。後者のデバイスの１つは、当技術分野においてＭｅｄｉｐｉｘ ＩＩとして知られている。
【００３５】
本発明による高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、マイクロチャネルプレート検出器に特徴的な非常に低い暗計数率（＜０．０１カウント／ｃｍ２／ｓ）での高速中性子の直接検出の可能性を与える。これらのマイクロチャネルプレートデバイスはまた、ガンマ除去率を大幅に増加させ、また中性子方向感受性を提供して比較的大きなガンマバックグラウンドの存在下での局在化および高速中性子計数を可能とするために、同時技術と併せて使用することができる。
【００３６】
また、Ｔａｓｋｅｒへの米国特許第５，３７８，９６０号、名称「Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｄｙｎｏｄｅｓ Ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ」は、従来技術ＭＣＰのＲＬＳＧダイノードの通電層が、ＳｉもしくはＧｅ半導体層、ドーピング半導体（ＰドーピングＳｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）または窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）等の半導体通電層で置き換えることができることを教示している。米国特許第５，３７８，９６０号はまた、ＭＣＰ通電層が、公称１００ｎｍ膜に対して、１０１１〜１０１４Ω／ｓｑのシート抵抗に対応する１０６〜１０９Ω−ｃｍの範囲内の抵抗率を有さなければならないと説明している。シート抵抗のこの値は、４０：１のＬ／Ｄに対し、デバイスが過剰のワット損なしに十分な速度で充電され得るように、最適化された電流引き込みで、ＭＣＰバイアス電圧を維持するために必要であり、これは約１，０００Ｖでなければならない。実際、荷電粒子検出器および画像増倍管において使用されているもの等の市販のＭＣＰデバイスは、多くの用途において１０１４Ω／ｓｑを超えるシート抵抗を必要とする。
【００３７】
純粋な半導体材料に対する可能最大抵抗値が、真性キャリア濃度（例えば未ドーピング）で得られる値と仮定すると、純粋なＳｉの抵抗率は、約２．３×１０５Ω−ｃｍである。同様に、純粋な半導体材料に対する可能最大抵抗値が、真性キャリア濃度（例えば未ドーピング）で得られる値と仮定すると、純粋なＧｅの抵抗率は、約４７Ω−ｃｍである。したがって、ＭＣＰデバイスの最大シート抵抗（実現可能な最小膜厚が１００ｎｍと仮定して）は、Ｓｉの場合５．８×１０１０Ω／ｓｑ、Ｇｅの場合２×１０７Ω／ｓｑであるが、これらはどちらも、安定なＭＣＰ動作に必要なシート抵抗を数桁下回っている。安定な動作とは、ＭＣＰが、マイナスの抵抗の温度係数に起因する熱散逸をもたらす過剰のジュール熱を生成しない動作モードを意味する。結果的に、これらのＳｉおよびＧｅ膜は、ＣＥＭクラスの電子増倍管にのみ適合する。
【００３８】
ＣＥＭおよびＭＣＰ用の通電層としての半導体薄膜の使用に対する別の基本的制限は、これらの薄膜が電場の影響を受けやすいことである。電流伝導の方向に対し直角に電場を印加すると、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の特性に類似した特性が得られる。ＣＥＭおよびＭＣＰにおける電界効果は、外部印可場に起因する半導体層の導電性の変調をもたらす。より具体的には、ＭＣＰチャネルの動作中、増幅カスケードプロセス中の二次電子の離脱に起因して、放出膜表面上に正電荷が蓄積する。この正電荷は、放出薄膜にわたり比較的強い電場を形成し、これは、抵抗層と放出層との間の界面（図１Ｃにおいて界面１８６として示される）でのキャリア（電子）の濃度を増加させることにより、その下の真性通電層の抵抗を減少させるように機能する。この効果は、印加入力の関数としてのデバイスを流れる電流の変化を観測することにより、半導体材料で形成された抵抗層を含むＭＣＰデバイスにおいて、容易に測定することができる。半導体における電界効果は、安定ではないデバイス抵抗をもたらす。このデバイス抵抗の不安定性は、ドーピングレベルとは無関係である。
【００３９】
増加したキャリア濃度は、通電層内での数桁の抵抗減少をもたらし得る。半導体膜はまた、温度または抵抗の温度係数（ＴＣＲ）により大きな抵抗値変化を示す。真性Ｓｉの場合、ＴＣＲは、従来技術のガラスＭＣＰデバイスに見られるＲＬＳＧ膜の℃当たり１％未満と比較して、℃当たり８％と高い。従来技術のガラスＭＣＰを４桁下回り得る半導体膜の低い最大抵抗、ならびに、ＭＣＰ動作において層抵抗のさらなる低下および電流引き込みの増加をもたらす、電界効果と組み合わせた場合に得られる高い電流引き込みは、安定した抵抗で機能しないＭＣＰデバイスをもたらす。そのようなＭＣＰは、ＴＣＲの高いマイナス値により局在化領域においてプラスに強化された比較的高いジュール熱に起因して、熱散逸を経験し得る。したがって、これらの理由により、半導体膜はＭＣＰデバイスに好適ではない。
【００４０】
また、米国特許第５，３７８，９６０号は、半導体の酸化物および窒化物の導電層としての使用を記載している。ＳｉＯｘおよびＳｉｘＮｙ等の半導体の酸化物および窒化物内の伝導は、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｉｅｍトンネル効果、Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導、空間電荷制限伝導、および弾道輸送の４つの機構のうちの１つを介して達成される。空間電荷制限伝導および弾道輸送は、非常に高い電流（空間電荷約Ｖ２）または非常に高い電場（弾道約Ｖ１．５）を必要とするため、ＭＣＰデバイスにおいては生じ得ない。
【００４１】
電子は、直接トンネル効果またはＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（Ｆ−Ｎ）トンネル効果により、ＳｉＯ２薄膜を移動し得る。直接トンネル効果は、台形の電位障壁の存在を示し、一方Ｆ−Ｎトンネル効果は、電子が電位障壁を透過した場合に生じる。直接トンネル効果は、ＳｉＯ２の場合、印加電場の方向において約４ｎｍ以下の極めて薄い誘電層を必要とする。ＭＣＰにおいて、印加電場の方向の導電層の有効厚は、典型的には数百ミクロンである。Ｆ−Ｎトンネル効果は、矩形の電位障壁を三角形の電位障壁に変換するために、典型的には大きな電場を必要とする。したがって、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果は、通常、比較的高い電場において支配的であり、一方直接トンネル効果は、低い電場における薄膜の主要な導電機構である。
【００４２】
ＳｉＯ２における電荷輸送を担うのは主にトンネル効果であると考えられているものの、ＳｉＯ２においてはＦｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅ効果もまた観察されている。Ｆｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅ効果は、荷電トラップからの電荷キャリアの電場増強熱放出に関連する。Ｓｉトラップが荷電され得ることが知られている。したがって、印加電場によりＳｉトラップが酸化ケイ素内の効率的に電荷キャリアを放出し得るということが可能である。
【００４３】
窒化ケイ素における電流伝導機構は周知である。典型的には、窒化ケイ素における電流伝導は、幾何学的に近接した欠陥の間の電子ジャンピングが支配的な、欠陥支援型電流伝導機構である。この機構は、Ｆｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅの式により説明される。
【００４４】
ＳｉＯｘ通電層およびＳｉｘＮｙ通電層の両方において、チャネル放出層充電を支援するために適切な漏洩（ストリップ）電流を供給するのに必要な電場は、既知のＭＣＰバイアス電源が提供可能なもの（１，０００Ｖ対１００，０００Ｖ）よりも少なくとも２桁高い（１０６対１０４Ｖ／ｃｍ）。１００，０００Ｖのバイアス電圧は、典型的なＭＣＰ用途には実用的ではない。また、これらの高電圧は、チャネル内での電子の平均自由行程を大幅に増加させる。さらに、これらの高電圧は、衝突数を著しく低減し、またデバイスの得られるゲインを著しく低減する。これらの理由により、酸化ケイ素および窒化ケイ素系膜は、ＭＣＰ用途の抵抗膜として機能しない。
【００４５】
Ｒａｉｎａへの米国特許第７，０９７，５２６号、名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｄｏｐｅｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｆｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｐｌａｔｅ」は、薄膜抵抗を増加させるためのシリコンの窒素または酸素ドーピングの使用を記載している。この特許は、窒素ドーピングを変動させることにより、バルクアモルファスシリコンの伝導率を５００〜１０４Ω−ｃｍの範囲にわたり変化させることができることを教示している。同様に、Ｂｒａｎｄｅｓらへの米国特許第６，２６８，２２９号、名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」は、アモルファスシリコン−カーバイドが、カーバイドに対するシリコンの比、および種々のドーパントの濃度を選択することにより、１Ω−ｃｍから１０１１Ω−ｃｍの範囲内の抵抗率を示し得ることを記載している。これらの膜は、ＭＣＰ動作に必要な抵抗率を達成することができることが実証されたが、膜は依然として半導体であり、すべての半導体膜について観察される以前に特定された問題と同じ問題に晒される。さらに、それらの膜の高い抵抗率範囲は、任意の不純物、ドーパント、および結晶粒の寸法に対するその極めて高い感受性に起因して、異なる実験間で再現するのが非常に困難であることが判明した。
【００４６】
本発明は、製造中に幅広く調整可能な導電性を有する連続したダイノードを備えるマイクロチャネルプレートデバイスに関する。一実施形態において、層の抵抗は、約１０９〜１０１６Ω／ｓｑの範囲にわたり調整することができる。膜層はまた、金属のオーミック電気伝導性に本質的に類似した電気伝導性を有する。膜はまた、印加外部横電場に影響されない導電性、比較的小さいＴＣＲ値、および印加バイアスの関数として安定である抵抗値を有する。
【００４７】
本発明の種々の実施形態において、抵抗層は、原子層成長法等の種々の堆積技術により、単独で、または少なくとも１つの放出層と併せて、マイクロチャネルプレートの複数のチャネルのそれぞれに形成される。本発明の方法は、従来のガラスマイクロチャネルプレート、半導体マイクロチャネルプレート、セラミックマイクロチャネルプレートおよびプラスチックマイクロチャネルプレートを含む任意の種類のマイクロチャネルプレート構造とともに使用することができることが、当業者には理解される。
【００４８】
本発明によるマイクロチャネルプレートにおける複数のチャネルのそれぞれは、少なくとも、抵抗層および放出層または組み合わされた放出／抵抗層を含む。本発明によるマイクロチャネルプレートは、チャネル上に形成された任意の数の放出層と組み合わされた抵抗層を含み得る。種々の実施形態において、複数のチャネルの外面上、放出層の間、および／または外側放出層の外面上に他の抵抗層が形成され得る。また、種々の実施形態において、複数のチャネルの外面上、放出層の間、および／または外側放出層の外面上に薄膜抵抗層が形成され得る。種々の可能な抵抗および放出層を、図２と関連してより詳細に説明する。
【００４９】
図２は、本発明によるマイクロチャネルプレートの単一チャネル２８０の断面図を示す。抵抗層２８２は、チャネル２８０の外面上に形成される。抵抗層２８２の抵抗は、製造中に所定レベルの導電性を達成するように調整することができる。いくつかの実施形態において、抵抗層２８２は、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金（ＣＺＯ）導電膜が積層された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）絶縁層で構成される交互薄膜を含有する、ナノラミネート構造である。導電層および絶縁層を備える材料は、例えば候補となる材料のバンドギャップに基づき選択することができる。候補となる材料は、バンドギャップに基づき、バンドギャップなし（金属）、中程度のバンドギャップ（半導体／半絶縁体）、および広いバンドギャップ（絶縁体）の主要な３つの群に分類することができる。例えば、バンドギャップなしの材料は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕを含み得る。中程度のバンドギャップ材料は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄの酸化物を含み得る。広いバンドギャップの材料は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒの酸化物および窒化物を含み得る。
【００５０】
種々の他の実施形態において、ナノラミネート抵抗層２８２の導電層は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄの酸化物等の中間バンドギャップ材料を使用して形成される。導電層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕ等の金属（バンドギャップなしの材料）種がドーピングされた任意の絶縁酸化物または窒化物（広いバンドギャップの材料）を含み得る。種々の実施形態において、ナノラミネート抵抗層２８２において使用される絶縁膜は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒ、ならびにこれらの任意の混合物等の非常に広いバンドギャップの材料を使用して形成することができる。ナノラミネート構造はまた、金属酸化物単体であってもナノ合金であってもよい抵抗膜を含み得る。抵抗膜はまた、ドーピングされた半絶縁酸化物または純粋な半絶縁酸化物であってもよい。
【００５１】
「ナノラミネート」という用語は、本明細書において、層状スタックにおける２つ以上の材料の超薄層の複合膜として定義され、層は、複合膜の材料の交互の層である。交互超薄層に対して、たびたび「ナノ合金」と言う用語が使用される。しかしながら、「ナノラミネート」という用語と「ナノ合金」という用語の間の区別は、当技術分野において明確ではない。「ナノ合金」という用語は、本明細書において使用される場合、数枚の単分子層の厚さ以下の極めて薄いナノラミネートから形成される膜を表す。典型的には、ナノラミネート内の各層は、数オングストロームから数ナノメートルの範囲の厚さを有する。ナノラミネートの個々の材料層はそれぞれ、材料の単分子層ほどの薄い厚さを有し得る。
【００５２】
例えば、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金（ＣＺＯ）および酸化アルミニウムのナノラミネートは、少なくとも１つのＣＺＯ薄層、および１つの酸化アルミニウム薄層を含む。そのような層は、ＣＺＯ／酸化アルミニウムのナノラミネートと言うことができる。ＣＺＯ／酸化アルミニウムナノラミネートは、酸化アルミニウム層の後に交互する１つのＣＺＯ層に限定されず、複数の酸化アルミニウム薄層と交互する複数のＣＺＯ薄層を含み得る。さらに、ＣＺＯ薄層の数および酸化アルミニウム薄層の数は、ナノラミネート構造内で独立して変動し得る。
【００５３】
したがって、ＣＺＯ／酸化アルミニウムナノラミネートは、異なる導電酸化物および絶縁酸化物の層を含むことができ、各層はその絶縁特性または導電特性に従い選択される。導電酸化物および絶縁酸化物の交互の層を含有する誘電層は、ナノラミネートの層の組合せに関連した実効導電率を有する。実効導電率は、導電酸化物層および絶縁酸化物層の相対的な厚さに依存する。したがって、導電酸化物／絶縁酸化物ナノラミネートを含有するそのような膜は、製造中、広範囲にわたり変動し得る所定の抵抗を提供するように効果的に加工することができる。
【００５４】
ダイノード膜の導電率はまた、導電膜をドーピングすることにより変調され得る。亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金がそのような膜の一例であり、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金の亜鉛含量を用いて、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金の導電率を決定することができる。したがって、選択された膜抵抗を操作するために、ドーピングを単独で、またはナノラミネートと併せて使用することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態において、第１の抵抗層２８２が形成される前に、チャネル２８０の外面上に障壁薄層２８４が形成される。障壁薄層２８４はまた、二次電子放出、ゲイン、均一性、寿命、および／または歩留まり等、ＭＣＰデバイス機能を改善または最適化するために使用することができる。障壁薄層２８４はまた、マイクロチャネルプレートの所定の電流出力を達成するために使用することができる。障壁薄層２８４はまた、ＭＣＰの電荷トラップ特性を制御するために使用することができる。さらに、障壁薄層２８４は、チャネル２８０の表面からイオンが移動するのを防止するため、チャネル２８０の外面を不動態化するために使用することができる。
【００５６】
チャネル２８０を通して電子を移動させる、マイクロチャネルプレート内に維持される静電場はまた、チャネル２８０を通して移動する任意の陽イオンを、光電陰極またはマイクロチャネルプレートと使用される他の上流側デバイスもしくは機器に向けて移動させる。これらの陽イオンは、水素、酸素および窒素等、相当なサイズとなり得るガス原子の核を含む。これらのガス原子は、電子よりもはるかに巨大である。そのような陽イオンは、チャネル入口に向かって加速され、さらにはＭＣＰと併せて使用され得るその他のコンポーネントに影響し得る。そのようなデバイスの一例は、ＭＣＰにより増幅される電子を生成して高感度画像化を提供するために光電陰極（典型的にはＧａＡｓ）を使用する、暗視デバイスの画像増倍管コンポーネントである。光電陰極に対するイオン衝撃は、物理的および／もしくは化学的損傷をもたらすか、または効率的光変換に重要な表面の電子親和力を改変し得る。チャネル２８０内に存在する、または光電陰極に近接する同じイオンまたは他の原子は、高効率に必要な光電陰極のマイナスの電子親和力を破壊し得るか、および／または、光電陰極と化学的に結合し腐食するのに効果的となり得る。
【００５７】
さらに、チャネル２８０は、抵抗層２８２上または障壁層２８６上に形成される放出層２８８を含む。種々の実施形態において、放出層２８８は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、およびこれらの任意の混合物から成る群より選択される、少なくとも１つの元素の酸化物および窒化物を含む。いくつかの実施形態において、放出層２８８の厚さおよび材料特性は、一般に、鉛ガラス、マルチドロープロセスで製造される従来のマルチチャネルプレートと比較して、マイクロチャネルプレートの二次電子放出効率を増加させるように選択される。いくつかの実施形態において、放出層２８８の厚さおよび材料特性は、一般に、イオン移動に対する障壁を提供するように選択される。イオンに対するそのような障壁は、電荷トラップ特性を制御するために使用することができる。
【００５８】
図２は、抵抗層および放出層２８２、２８８を有するマイクロチャネルプレートを示す。しかしながら、マイクロチャネルプレートは、任意の数および任意の組み合わせの抵抗および放出層を用いて本発明に従い製造することができることが、当業者には理解される。そのような実施形態において、異なる放出層および抵抗層の組成および厚さの多くの可能な組み合わせがある。さらに、複数の抵抗および放出層を、障壁層とともに、または障壁層なしで積層することができる。
【００５９】
実験では、原子層成長法（ＡＬＤ）による抵抗膜の堆積が、マイクロチャネルプレートの性能を著しく向上させることが示されている。原子層成長法は、数オングストロームほども薄い、極めて均一でピンホールのない膜の生成に効果的であることが示されている。ＡＬＤにより堆積された膜は、特にＭＣＰ細孔の大きなアスペクト比を考慮すると、物理気相成長法（ＰＶＤ）、熱蒸発、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の他の堆積法に比べ、比較的高い品質および高い膜完全性を有する。
【００６０】
原子層成長法は、極めて薄いコーティングを形成するために使用される化学プロセスである。原子層成長法は、自己制御反応を使用するＣＶＤの変形型である。「自己制御反応」という用語は、本明細書において、何らかの様式で反応自体を制限する反応を意味する。例えば、自己制御反応は、反応物質が反応により完全に消費された後に、または、一度堆積表面上の反応部位が占有されたら終了することによって、反応自体を制限し得る。
【００６１】
ＡＬＤ堆積シーケンスのサイクルには、前駆体材料のパルス化、不活性パージガスの支援を用いたチャンバの完全排気、反応物質前駆体のパルス化、続く不活性パージガスを使用した反応物質前駆体のチャンバからの完全排出が含まれる。ＡＬＤ堆積シーケンスの結果、表面に吸着し、次いで表面を飽和させる第１の前駆体の量に依存する、非常に一貫した堆積厚が得られる。このサイクルは、単一材料層において所望の厚さが達成されるまで繰り返すことができる。このサイクルはまた、第３の前駆体材料のパルス化、不活性パージガスを使用した、第３の前駆体に対応する反応物質前駆体のチャンバからの完全排出、第４の反応物質前駆体のパルス化、続く不活性パージガスを使用した反応物質前駆体のチャンバからの完全排出と交互させることができる。本発明のいくつかの実施形態において、前駆体材料が基板と直接相互作用する場合、反応物質ガスが存在する必要はない。例えば、本発明の一実施形態において、ＡＬＤ堆積シーケンスには、導電酸化物層上へのドーパント金属前駆体材料のパルス化が含まれる。
【００６２】
ナノ層およびナノラミネート材料は、層状スタック内に２種以上の異なる材料の超薄層を含む複合材料であり、層は、約１ナノメートル以下の厚さを有する異なる材料の交互の層である。ナノ層およびナノラミネート材料は、単一の単分子層の厚さである連続膜であってもよい。ナノ層およびナノラミネート材料は、第１の一連のサイクルの厚さが僅か数枚の分子層の厚さである層をもたらし、第２の一連のサイクルの厚さが僅か数枚の分子層の厚さである異なる層をもたらす場合に形成される。
【００６３】
ナノ層およびナノラミネート材料は、各材料の交互の単一の層に限定されない。代わりに、ナノ層およびナノラミネート材料は、２つ以上の材料の所望の比率を形成する、他の材料の単一の層と交互する１つの材料のいくつかの層を含み得る。そのような配置は、広範囲にわたり変動する導電率を有する膜を達成し得る。ナノ層およびナノラミネート材料はまた、ＭＯＣＶＤ反応等の別の種類の反応により形成された異なる材料の単一の層の上または下にＡＬＤ反応により形成される、１つの材料のいくつかの層を含み得る。異なる材料の層は、堆積後別個であってもよく、または互いに反応して合金層を形成してもよい。合金層は、ドーピング層であってもよい。層のドーピングは、層の特性を変化させるために使用することができる。
【００６４】
ナノラミネート亜鉛ドーピング酸化銅（ＣＺＯ）膜は、例えばジエチル亜鉛（ＤＥＺ）等のアルキル型前駆体化学物質、銅（ＩＩ）ヘキサフルオロアセチルアセトネート水和物またはＣｕ（ｈｆａｃ）２等のアセトネート型前駆体、および脱イオン（ＤＩ）水等の酸化前駆体を使用して、ＡＬＤにより形成することができる。そのような膜は、２５０℃以下となり得る比較的低い温度で形成することができる。そのような膜は、非晶質または多結晶質であってもよく、また平滑表面を有し得る。そのような膜は、より反復可能な電気性能をもたらすその比較的平滑な表面および低減された損傷に起因して、スパッタリング等の物理的堆積法、または典型的な化学的層堆積により形成された膜と比較して、向上した電気特性を提供し得る。
【００６５】
一実施形態において、原子層成長法（ＡＬＤ）を用いてＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート抵抗層が形成される。そのような膜は、他の処理技術に比べ比較的平滑な表面を有する。原子層成長法を用いたそのような膜の形成中、遷移が制御され得る。したがって、堆積されたＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート層は、必要とされる電気的または物理的特性を提供するように加工することができる。さらに、ＡＬＤ堆積ＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート層は、それらが堆積される表面上にコンフォーマルな被覆を提供する。
【００６６】
本発明のマイクロチャネルプレートの別の態様は、抵抗層２８２および基板２８０上に掲載された任意の他の抵抗および放出層が、基板２８０を保護および不動態化するということである。すなわち、抵抗層２８２および基板層２８０上に形成された任意の他の抵抗および放出層は、脱ガス特性を制御するために使用され得るイオン移動に対する障壁を提供することができる。従来の抵抗および放出層は、容易に損傷され得る。
【００６７】
ガラスマイクロチャネルプレートにおいて、Ｐｂ−ガラス組成に含有されるアルカリ金属は、バルク材料中比較的安定である。しかしながら、放出層を形成するマイクロチャネルの外面上の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）中に含有されるアルカリ金属は、酸素を除去し材料構造内の結合を破壊する高温水素環境への暴露により、膜構造内に緩く保持されているだけである。電子倍増中に生じる電子衝撃は、膜からこれらの元素を浸食する。この浸食は、マイクロチャネルプレートのゲインを経時的に劣化させる。シリコンマイクロチャネルプレートにおいて、放出層は、典型的には、通常のデバイス動作中に生じる電子衝撃の間も浸食される、非常に薄いコーティングである。本発明の一態様は、抵抗および放出層を電子衝撃の作用により耐えるように加工することができ、したがってデバイスの安定性および寿命を増加させることができることである。
【００６８】
したがって、種々の実施形態において、抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、初期動作（Ｈ、ＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２Ｏ等のイオン種の脱ガス）、ならびにＮａ、Ｋ、およびＲｂ等の吸着アルカリ金属の基板からのより長期の除去の間に放出されるイオンの数が低減されるように、マイクロチャネルプレートを不動態化するよう選択することができる。基板から放出されるイオンの数の低減は、マイクロチャネルプレートの寿命、ならびに光電陰極と組み合わせてＭＣＰを利用するデバイスの寿命を改善する。光電陰極は、ＭＣＰからの脱ガスまたは脱着イオンによるイオン腐食を特に受けやすい。マイクロチャネルプレート基板を不動態化するように抵抗層の厚さおよび組成を選択することは、歩留まりも改善する。
【００６９】
本発明のマイクロチャネルプレートの別の態様は、抵抗層および放出層２８２、２８８が、互いに独立して最適化され得るということである。抵抗層および放出層２８２、２８８はまた、種々の性能、寿命、および収率の目標を達成するために、他のマイクロチャネルプレートパラメータから独立して最適化することができる。例えば、抵抗層２８２は、特定の出力電流動作範囲を可能とするように最適化することができる。二次電子放出層２８８は、高いもしくは最大の二次電子放出効率、または高いもしくは最大の寿命を達成するように、ならびに／あるいは高い計数率能力を有するように、別個に最適化することができる。そのようなマイクロチャネルプレートは、従来技術のマイクロチャネルプレートデバイスと比較して、大幅に改善されたマイクロチャネルプレートゲイン、計数率、および寿命性能を有することができる。
【００７０】
種々の抵抗および放出層を独立して最適化する能力は、マイクロチャネルプレートの性能が、チャネル内の連続ダイノードを形成するこれらの組み合わされた層の特性により決定されるため、重要である。連続ダイノードは、少なくとも３つの異なる機能を提供する放出および抵抗表面特性を有さなければならない。第１に、連続ダイノードは、効率的な電子倍増に望ましい放出表面特性を有さなければならない。第２に、連続ダイノードは、放出層が、放出された電子を置換するために適切な電流を支援するのを可能にする導電特性を有さなければならない。第３に、連続ダイノードは、放出された電子のための加速電場の確立を可能とする抵抗特性を有さなければならない。
【００７１】
結果的に、これらの３つの機能の性能である、二次電子の放出、放出された電子の置換、および放出された電子のための加速電場の確立は、典型的には、単一の組み合わされたＲＬＳＧ抵抗および放出層を利用する現在の最先端ＭＣＰ技術内では、同時に最大化することができない。このように、従来技術の単一放出層マイクロチャネルプレートデバイスにおいては、放出層の二次電子放出特性は、二次電子放出を最大化するために最適化することができず、したがって、マイクロチャネルプレートの感度性能を最大化するように最適化することができない。実際、ほとんどの既知のマイクロチャネルプレートは、二次電子放出を最適化するのではなく、ガラスの微視的材料組成により決定される非常に狭い範囲にわたりデバイスの抵抗を最適化するように製造される。本発明の方法は、種々の抵抗および放出層が、１つ以上の性能、寿命、または収率の目標のために独立して最適化されることを可能にする。
【００７２】
図３Ａは、本発明に従い堆積された膜、および従来のマイクロチャネルプレートのチャネル抵抗に対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯのパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗の実験データ３００を示す。単一の組み合わされた抵抗および放出層を有する従来の最先端マイクロチャネルプレートの、チャネル当たりの抵抗のデータ３０２が示されている。データ３０２は、チャネル当たりの抵抗が約１０１４であることを示している。これらのデータは、一般的に使用されている最先端暗視デバイスである製造後のマイクロチャネルプレートデバイスについて取られた。
【００７３】
図３Ａはまた、本発明に従い堆積された抵抗膜の（ＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３）×Ｎ層の交互の組合せに対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗のデータ３０４を示す。さらに、本発明に従い堆積されたＣＺＯ×２層／Ａｌ２Ｏ３×Ｎ層抵抗膜の交互の組合せに対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗のデータ３０６が示されている。
【００７４】
公正な比較を示すために、データ３０４、３０６は、図３Ａに示されたチャネル当たりの抵抗のデータ３０２を有する同じ従来型マイクロチャネルプレートデバイスに対して得られたが、抵抗および放出層の同時形成が得られる水素還元ステップの直前に処理が停止された。続いて抵抗および放出層が本発明に従い形成された。データ３００は、従来技術のマイクロチャネルプレート製造方法と比較して、本発明の方法を使用して達成され得るチャネル導電率の広い可能な範囲を示している。
【００７５】
図３Ｂは、本発明に従い製造された膜に対する、銅のパーセントの関数としての抵抗のデータ３２０である。亜鉛ドーピング酸化銅（ＣＺＯ）膜に対するデータ３２２が示されている。データ３２２は、本発明に従い亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金膜に含有される亜鉛のパーセントを調節することにより、ほぼ２桁にわたって抵抗を変化させることが可能であることを示している。また、本発明に従い製造されたＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート膜に対するデータ３２４が示されている。データ３２４は、ＣＺＯ膜内の亜鉛のパーセンテージを固定することにより、および本発明に従いＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート比を変化させることにより、はるかに広い抵抗率幅を達成することができることを示している。この実験における範囲は、試験構造設計により、図３Ａに示される上限値よりはるかに小さい上限値に制限されている。
【００７６】
図３Ｃは、市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイス、真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイス、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する、電圧の関数としての正規化マイクロチャネルプレート電流のデータ３３０を示す。市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３２が示されている。本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３４が示されている。
【００７７】
市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートに対する正規化電流−電圧データ３３２、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３４は、ほぼ同一の線形正規化電流−電圧特性を示している。ほぼ線形のデータ特性は、市販のデバイスおよび本発明によるナノラミネート抵抗層を有するデバイスの両方が、印加電圧の関数としてほぼ同一および実質的に一定の抵抗を有することでオーミック挙動を示すことを示唆している。本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層の抵抗の固有安定性は、本明細書に記載の組み合わされたナノラミネート／ナノ合金微細構造を使用して抵抗層の導電性を調整する能力に起因する。
【００７８】
真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３６が示されている。データ３３６により示される非オーミック挙動は、真性シリコンマイクロチャネルプレートが、印加電圧の関数として実質的に一定ではない抵抗を示すことを示唆しており、これは、半導体真性シリコンダイノードの導電率を改変する熱的効果および電界効果に起因し得る。
【００７９】
図３Ｄは、本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインおよび抵抗のデータ３５０を示す。マイクロチャネルプレートデバイスは、約５ミクロンの直径および約５０：１に等しいＬ／Ｄ比を有するチャネルを含む。データは、入力電流を一定としてバイアス電圧を５００Ｖから１，０００Ｖまで変化させることにより収集した。
【００８０】
本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレート抵抗のデータ３５２が示されている。本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインのデータ３５４が示されている。データ３５２、３５４は、本発明によるマイクロチャネルプレートデバイスが、動作電圧にわたり安定した抵抗、および、従来技術のマイクロチャネルプレートデバイスと比較して、同等のバイアスおよび入力条件に対しより高いゲインを達成することを示している。
【００８１】
図３Ｅは、市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートおよび本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、Ｃ／ｃｍ２単位の線量の関数としての相対ゲインのデータ３７０を示す。市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートに対する、クーロン／ｃｍ２単位の合計抽出電荷密度の関数としての相対ゲインデータとして、データ３７２が示されている。本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、クーロン／ｃｍ２単位の合計抽出電荷密度の関数としての相対ゲインデータとして、データ３７４が示されている。
【００８２】
データ３７２、３７４は、本発明に従い製造された、組み合わされた抵抗および放出膜に関して観察される、現在の最先端マイクロチャネルプレート技術を使用して収集された寿命データと比較して向上した寿命を実証している。相対ゲイン低下データは、本発明に従い製造された抵抗および放出層を有するマイクロチャネルプレートの場合、合計抽出電荷の関数として、ゲイン低下が大幅により小さいことを示している。したがって、ゲイン低下データは、本発明に従い抵抗および放出層を製造することは、マイクロチャネルプレートデバイスの寿命を大幅に改善し得ることを示している。
【００８３】
図３Ｆは、最先端の市販の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）マイクロチャネルプレートデバイス、真性ポリシリコン、および本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜において観察される、温度の関数としての正規化抵抗のデータ３９０を示す。最先端の市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜のデータ３９２が示されている。真性ポリシリコンのデータ３９４が示されている。本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスのデータ３９６が示されている。
【００８４】
データ３９２および３９６は、本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗の温度計数が、市販のＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗の温度計数に匹敵することを示している。本発明およびＲＬＳＧデバイスの抵抗の温度計数は、ともに℃当たり１％未満であり、これは℃当たり８％を超える真性ポリシリコンの抵抗の温度計数の性能を大幅に超える、オーミックまたは「金属的」導電性を示している。
【００８５】
本発明の別の態様において、中性子感受性であるプラスチックマイクロチャネルプレート検出器が、本発明の抵抗および放出膜で製造される。これらのマイクロチャネルプレート検出器は、中性子を間接的に検出する。中性子はＭＣＰ内で核反応により相互作用するか、または、陽子およびアルファ粒子等の短距離荷電粒子にそのエネルギーを伝達する。これらの二次粒子は、測定可能な電気信号を生成するために使用される。
【００８６】
図４Ａは、本発明による高速中性子４０４の検出に好適な基板４０２を備えるプラスチックマイクロチャネルプレート４００の概略図を示す。プラスチック基板４０２は、図１Ａと関連して説明されるような基板４０２を通して延在する複数の細孔またはマイクロチャネルを規定する。高濃度の水素を含有するプラスチックマイクロチャネルプレート基板は、中性子−陽子反跳反応の比較的高い効率を提供する。抵抗および放出層は、本明細書に記載の複数のマイクロチャネルの壁上に堆積される。抵抗および放出層の組成および厚さは、最適な細孔抵抗および二次電子放出を提供するように最適化することができる。
【００８７】
図４Ｂは、マイクロチャネルプレート内での中性子−陽子相互作用および二次電子生成を示す、図４Ａに示されるプラスチックマイクロチャネルプレート４００の単一マイクロチャネル４５０の断面の概略図を示す。マイクロチャネル４５０の断面図は、マイクロチャネル４５０の表面上に堆積された抵抗膜４５４を示す。さらに、断面図４５０は、抵抗膜４５４上に堆積された放出膜４５２を示す。プラスチックマイクロチャネルプレート４００は、０．１ＭｅＶを超えるエネルギーを有する高速中性子を検出するように設計されている。
【００８８】
マイクロチャネル４５０の断面図は、高速中性子４０４が、反跳陽子４５６を生成する中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳反応により、プラスチック基板４０２と相互作用することを示している。バルクプラスチック基板材料内で生成された反跳陽子４５６は、マイクロチャネル４５０の表面に到達し、放出および／または抵抗膜と相互作用し、それにより二次電子４５８を放出することができる。二次電子４５８は、図４Ｃに示されるように、マイクロチャネルプレート４００内で電子雪崩プロセスを開始する。
【００８９】
図４Ｃは、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一プラスチックマイクロチャネル４８０における、電子雪崩プロセスの概略図を示す。マイクロチャネル４８０は、図４Ｂと関連して説明された放出膜４５２および抵抗膜４５４を示す。二次電子４５８がマイクロチャネル内で生成されると、増幅および検出のプロセスは、低流束用途に実装されるようなマイクロチャネルプレートデバイスの標準的動作と同一である。
【００９０】
本発明に従い製造されたプラスチックマイクロチャネルプレートは、０．０１カウント／ｃｍ２／秒未満のレベルのバックグラウンド計数率を有する高速中性子検出器を形成し得る。そのようなバックグラウンド計数率は、現在の最先端ガラスマイクロチャネルプレートのバックグラウンド計数率より大幅に低い。改善された性能は、少なくとも部分的に、プラスチック基板内の重金属および放射性トレース、例えばＲｂおよびＫ等の不在に起因する。本発明に従い製造されたプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器の時間分解能は、中性子吸収の深さおよび中性子伝播速度にのみ制限される。時間分解能は、これらのデバイスにおいて１０ｎｓより良好となり得る。
【００９１】
本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの検出効率は、プラスチック基板の水素濃度等の組成、ならびに形状（厚さ、細孔直径、および壁の厚さ）の関数である。いくつかの実施形態において、水素濃度を最大限化するのが望ましい。しかしながら、水素濃度が増加するほど、プラスチックのガラス転移温度は低下する。したがって、水素の最大濃度は、抵抗層、放出層、頂部電極および底部電極を堆積させるために必要な処理温度により制限される。第１の中性子検出効率は、特定用途に合わせて調整することができ、いくつかの設計においては、１０％以上もの高いレベルに到達し得る。
【００９２】
図５は、４つの異なるプラスチック基板厚に対する、ＭｅＶ単位の中性子エネルギーの関数としての中性子相互作用確率のグラフ５００を示す。グラフ５００は、より厚いプラスチック基板厚さが、より高い中性子相互作用確率を有することを示している。例えば、グラフ５００は、５ｍｍ厚のプラスチック基板が、高速中性子に対し、低エネルギーにおける約５０％から、５ＭｅＶを超えるエネルギーにおける約１０％までの範囲の中性子相互作用確率を有することを示している。しかしながら、低エネルギー範囲の高速中性子に対する検出効率は、プラスチック中の反跳陽子の範囲により低減される。したがって、最適性能を達成するためには、ＭＣＰ形状および水素濃度の最適化が必要とされる。
【００９３】
このように、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートは、低いガンマ感受性で高速中性子を直接検出することができる。そのような能力は、従来の熱中性子に基づく（Ｈｅ−３、１０Ｂドーピング）マイクロチャネルプレートデバイスでは不可能である。熱中性子検出器は、この用途において使用される場合、高速中性子の緩和を必要とし、これは事象計数率を大幅に低減し、元の高速中性子に関する任意の空間的情報を効果的に破壊する。また、プラスチックＭＣＰ基板中に重元素が存在しないことにより、この基板は、従来のガラス系ＭＣＰと比較して、ガンマ線バックグラウンド放射に対し極めて非感受性となる。
【００９４】
本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスの多くの可能な設計が存在する。例えば、一実施形態において、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートで極めて指向性の高速中性子検出器が製造される。極めて指向性のプラスチックマイクロチャネルプレート検出器は、バイアス角を有するマイクロチャネルを形成し、次いで角度範囲にわたりマイクロチャネルを回転させることにより達成することができる。マイクロチャネルの壁に衝突する中性子のみが検出される。したがって、入射放射線に対する感度は、マイクロチャネルバイアス角により規定される非常に狭い円錐角で到達する中性子に対し非常に低減される。そのような指向性プラスチックマイクロチャネルプレート検出器は、それでも広範囲の角度で到達する高速中性子を検出することができる。数々の他の手法を用いて、指向性高速中性子検出器を形成することができる。例えば、マイクロチャネルプレートは、中性子源に対する種々の角度に沿って走査され得る。いくつかの実施形態において、マイクロチャネルプレートは、指向性を増加させるために連続して位置付けられる。そのような指向性マイクロチャネルプレートデバイスは、国家防衛用途を含む種々の用途の中性子源を特定するために使用することができる。
【００９５】
図６は、ホウ素でドーピングされたプラスチックマイクロチャネルプレート６００の断面図、ならびに７Ｌｉイオンおよびアルファ粒子を生成する入射熱中性子と１０Ｂ原子核との相互作用の概略図である。この実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、ホウ素、リチウム、またはガドリニウム等の熱中性子および冷中性子感受性元素でドーピングされ、これらの元素は、検出器を、約０．０２５ｅＶの平均エネルギーを有する熱中性子および約５ｍｅＶのエネルギーを有する冷中性子に対し感受性とする。マイクロチャネルプレート６００は、複数のマイクロチャネル６０４を備えるホウ素ドーピングプラスチック基板６０２を含む。感受性膜は、マイクロチャネル６０４のそれぞれの表面上に堆積される。放出膜は、図４Ａと関連して説明されたように、抵抗膜上に堆積される。
【００９６】
図６は、入射熱中性子６０６が、プラスチック基板中の１０Ｂ原子核６１４と相互作用し、７Ｌｉイオン６０８およびアルファ粒子６１０を生成することを示している。１０Ｂ原子核６１４は、比較的大きい捕獲断面を有する。高エネルギーアルファ粒子６１０は、約１．４７ＭｅＶのエネルギーを有するが、抵抗および放出膜層と相互作用し、典型的には２０を超える電子である多数の二次電子およびイオン（これは一方で二次電子を生成する）６１２を生成する。これらの二次電子は、通常の様式においてマイクロチャネルプレート６００内で加速され、信号増幅カスケードをもたらす。マイクロチャネルプレート６００内でアルファ粒子６１０により生成される多数の二次電子６１２は、高速中性子の中性子−陽子反跳反応により生成される二次電子の数よりも１０桁超多い。
【００９７】
したがって、プラスチックマイクロチャネル検出器により生成された信号を処理することによって、熱中性子により生成された信号と、高速中性子により生成された信号を区別することが可能である。例えば、検出された信号がそれにより後のゲイン段階で増幅される、ユニティゲインモードでのプラスチック中性子検出器の動作により、信号は、熱中性子信号と高速中性子信号を区別するために使用され得るパルス振幅を決定するために処理され得るようになる。熱中性子信号と高速中性子信号を区別するために、他の多くの信号処理方法を使用することもできる。
【００９８】
（均等物）
本教示は種々の実施形態および実施例と関連して説明されているが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されない。逆に、本教示は、当業者に理解されるように、種々の代替例、修正例および均等物を含み、これらは本発明の精神および範囲から逸脱することなしに成され得る。
【技術分野】
【０００１】
本明細書において用いられるセクションの見出しは、編集のみを目的とし、本願において説明される主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００８年６月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願番号第１２／１４３，７３２号の一部継続出願である。米国特許出願番号第１２／１４３，７３２号の全内容は、本明細書において参照により援用される。
【０００３】
（連邦政府の研究の声明）
本発明は、国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）によって付与された助成金番号ＨＲ００１１−０５−９−０００１の下で政府支援によりなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
（発明の背景）
マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）は、イオン、電子、光子、中性原子、および中性子を含む、非常に低い流束の検出（単一事象の計数に至るまで）に使用される。例えば、マイクロチャネルプレートは、画像増倍デバイスにおける電子増倍管として一般的に使用される。マイクロチャネルプレートは、細孔またはマイクロチャネルとして知られ、厚板を通して延在する複数の微小な管またはスロットを有する高抵抗材料の厚板である。マイクロチャネルは、互いに平行であり、表面に対し微小角度で位置付けられ得る。マイクロチャネルは、通常、高密度で実装される。連続したダイノードとして機能するように、複数のチャネルのそれぞれの内部表面上に高抵抗層および高い二次電子放出効率を有する層が形成される。マイクロチャネルプレートを備える厚板の頂面および底面上には導電性コーティングが堆積される。
【０００５】
動作中、マイクロチャネルプレートの頂面および底面上の導電性コーティングの間に加速電圧が印加される。加速電圧は、複数のチャネルのそれぞれの反対端部間の電位勾配を確立する。複数のチャネルを移動するイオンおよび／または電子が加速される。これらのイオンおよび電子は、高い二次電子放出効率を有する細孔の高抵抗外層と衝突し、それにより二次電子を生成する。二次電子は加速され、放出層と複数の衝突を繰り返す。したがって、電子は複数のチャネルの各々内部で増幅される。電子は、最終的に、複数のチャネルのそれぞれの放射端でチャネルから離れる。電子は検出され得るか、または、蛍光スクリーン等の電子感受性スクリーン上、もしくは種々のアナログ／デジタル計測器上で画像を形成するために使用され得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、好ましく例示的な実施形態に従い、そのさらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の詳細な説明においてより具体的に説明される。図面は必ずしも正確な縮尺とは限らず、概して本発明の原理を示すことが強調される。
【０００７】
本明細書において、「一実施形態」または「実施形態」という言及は、実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。本明細書における種々の場所で「一実施形態において」という語句が出現した場合、すべて同じ実施形態を指しているわけではない。
【０００８】
本発明の方法の個々のステップは、本発明が実行可能である限り、任意の順番および／または同時に行われてもよいことを理解されたい。さらに、本発明の装置および方法は、本発明が実行可能である限り、記載された実施形態の任意の数または全てを含み得ることを理解されたい。
【０００９】
本教示は、添付の図面に示されるようなその例示的実施形態を参照してより詳細に説明される。本発明は、多様な実施形態および実施例に関連して説明されるが、本発明が当該実施形態に限定されることを意図するものではない。そうではなく、本発明は、当業者によって理解されるように、多様な代替、変形および相当物に及ぶ。本明細書の本発明を入手する権利を有する当業者は、本明細書に説明される本開示の範囲内である、追加の実装、変形および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの断面の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの断面図である。
【図２】図２は、本発明によるマイクロチャネルプレートの単一チャネルの断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明に従い堆積された膜、および従来のマイクロチャネルプレートのチャネル抵抗に対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯのパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗の実験データである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明に従い製造された膜に対する、銅のパーセントの関数としての抵抗のデータである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、市販マイクロチャネルプレートデバイス、真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイス、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する、電圧の関数としての正規化マイクロチャネルプレート電流のデータである。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインおよび抵抗のデータである。
【図３Ｅ】図３Ｅは、市販マイクロチャネルプレートおよび本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、Ｃ／ｃｍ２単位の線量の関数としての相対ゲインのデータである。
【図３Ｆ】図３Ｆは、最新の市販の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）マイクロチャネルプレートデバイス、真性ポリシリコン、および本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜において観察される、温度の関数としての正規化抵抗のデータである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明による高速中性子の検出に好適な基板を備えるプラスチックマイクロチャネルプレートの概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、マイクロチャネルプレート内での中性子−陽子相互作用および二次電子生成を示す、図４Ａに示されるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一マイクロチャネルの断面の概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一プラスチックマイクロチャネルにおける、電子雪崩プロセスの概略図である。
【図５】図５は、４つの異なるプラスチック基板厚に対する、ＭｅＶ単位の中性子エネルギーの関数としての中性子相互作用確率のグラフである。
【図６】図６は、ホウ素でドーピングされたプラスチックマイクロチャネルプレートの断面図、ならびに７Ｌｉイオンおよびアルファ粒子を生成する入射熱中性子と１０Ｂ原子核との相互作用の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａは、従来技術によるマイクロチャネルプレート１００の断面の斜視図を示す。マイクロチャネルプレート１００は、基板１０２の頂面１０６から基板１０２の底面１０８まで延在する複数の細孔またはマイクロチャネル１０４を規定する、基板１０２を含む。頂面１０６は、電極材料１１０でコーティングされている。底面は、電極材料１１２でコーティングされている。電極材料１１０、１１２は、電子のカスケード増幅を可能にする電場を生成するための電子伝達媒体を提供する導電性コーティングである。マイクロチャネル１０４は、約１０６／ｃｍ２以上のチャネル密度を有する、円筒状であってもよい中空のチャネルである。
【００１２】
動作中、マイクロチャネル１０４は、約１×１０−５トル以下の圧力まで排気され、外部電源１１４によりバイアスがかけられる。マイクロチャネルは、好適な入力信号に応じて大規模な電子雪崩を支援する。電子倍増プロセスは、チャネルの絶対径（Ｄ）または長さ（Ｌ）のいずれにも大きく依存しないが、時にαと呼ばれるＬ／Ｄの比に依存する。この幾何学的比率は、概して、雪崩を形成する電子の細孔壁との衝突（およびその分布）の平均数（ｎ）を決定する。しかしながら、より小さいチャネル径を有するＭＣＰは、より大きいチャネル径および同じＬ／Ｄ比を有するＭＣＰよりも、若干小さいゲインを有する傾向がある。αの典型的な値は、約２〜１２．５μｍのチャネル径Ｄを有する従来のＭＣＰの場合、３０から８０の範囲である。
【００１３】
図１Ｂは、従来技術によるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）１５０の信号チャネルの斜視図を示す。チャネル１５２は、電子倍増を行うダイノード１６０を含む。ＭＣＰ１５０の動作は、離散型ダイノードを使用した光電子放出検出器（例えば通常の光電子増倍管）の動作と同様である。動作中、ダイノード１６０は、過剰の電流を引き出すことなく、バイアス電場（ε）＝１０２〜１０５Ｖ／ｃｍを支援するのに十分な抵抗を有さなければならない。ダイノード１６０はまた、抵抗層（またはストリップ）電流が、電子雪崩の間ダイノード１６０から放出される電子を補充するために利用可能であるように、十分導電性でなければならない。例えば、荷電粒子（例えば電子もしくはイオン）、中性原子／分子または十分にエネルギーを有する放射線（例えばＸ線もしくはＵＶ光子）等の単一事象１６２が、マイナスのバイアスがかけられた入射端部１５６の近くのダイノード１６０に衝突した場合、二次電子１６４が表面１６０から射出される可能性が高い。これらの二次電子１６４は、電源１５４で表されるバイアス電位（ＶＢ）により生成される印加電場εによって、ダイノード１６０により規定されるチャネルを通して加速される。印加電場ε＝ＶＢ／Ｌ（式中、ＶＢはボルト単位である）は、従来の直線チャネルＭＣＰの場合、約２０〜２５αである。
【００１４】
放出された二次電子１６４のダイノード１６０との衝突は、追加の二次電子１６４の放出をもたらす。これらの二次電子は、続いてダイノード１６０と衝突し、これにより別の組の二次電子を生成する。入射一次電子毎に平均して２つ以上の二次電子が放出される、例えば二次電子収率（δ）＞１であり、この一次衝突−二次放出のｎ回の反復が放射端１５８の方向に繰り返される場合、大きさδｎの放射電子雪崩１６６が達成される。
【００１５】
図１Ｃは、従来技術によるマイクロチャネルプレートの単一チャネル１８０の断面図を示す。抵抗層１８２は、ガラスチャネル材料１８４の外面上に形成される。ガラスチャネル材料１８４は、ＭＣＰ内の微視的なチャネルのアレイの形状におけるチャネル１８０の機械的支持を提供する。抵抗層１８２は、放出層の放電と、カスケード増幅に必要な電場の支持との両方のための電気伝導経路として機能する。界面層１８６は、抵抗層１８２から放出層１８８への遷移を例示するために示されている。約２〜２０ｎｍの厚さを有する、表面のシリカおよびアルカリに富む（ただし鉛分が低い）誘電放出層１８８（またはダイノード表面）は、抵抗層１８２の上に形成される。放出層１８８は、有用な電子倍増を達成するために適正な二次放出を生成する。
【００１６】
計算によれば、抵抗層１８２が厚さｔ＝１００ｎｍを有すると仮定すると、適切な動作を得るためには、チャネル１８０を含む低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）ダイノードは、１０６〜１０９Ωｃｍの範囲のバルク電気抵抗率を有さなければならないことが示されている。ＭＣＰと構造および動作が類似した単一チャネル電子増倍管（ＣＥＭ）は、単一の電子増倍チャネルのみを使用する。これにより、ＣＥＭの抵抗要件は６桁低減される結果となる。
【００１７】
マイクロチャネルプレート１００は、典型的には、ガラスマルチファイバ引き出し（ＧＭＤ）プロセスを用いて製造される。ＧＭＤプロセスにおいて、エッチング可能なコアガラスおよびアルカリケイ酸鉛クラッドガラスからなる個々の複合繊維が、ロッドインチューブプレフォームの引き出しにより形成される。次いでロッドインチューブプレフォームは、六角形または矩形アレイに封入される。次いでこのアレイは、再び六角形／矩形マルチファイババンドル状に引き出され、これが互いに積層されてガラス外皮内で融合され、中実ビレットを形成する。次いで中実ビレットは、典型的には、繊維軸に対する法線から約４°〜１５°の小さい角度でスライスされる。
【００１８】
個々のスライスは、次いで薄いプレート状に研磨される。可溶性のコアガラスは、化学エッチャントにより除去され、１０５〜１０７／ｃｍ２のチャネル密度を有する微視的チャネルのアレイが得られる。さらなる化学処理、続いて水素還元プロセスにより、微視的チャネル内での電子増倍に必要な抵抗および放出表面特性が形成される。その後、金属電極１１０および１１２がウエハ面上に堆積され、マイクロチャネルプレートの製造が完了する。代替の製造技術では、コアガラスのないクラッドガラスのみに引き出しプロセスが行われる。この技術は、最終段階におけるコアガラスのエッチングの必要性を排除する。
【００１９】
水素還元ステップは、従来技術のＭＣＰデバイスの動作に重要であり、連続ダイノードの抵抗および放出特性の両方を決定する。連続ガラスダイノードの表面近傍領域における鉛陽イオンは、水素雰囲気中、３５０〜６５０℃の温度で、Ｐｂ２の状態からより低い酸化状態へ、Ｈ２Ｏを反応副生成物として伴って化学的に還元される。このプロセスにより、ＲＬＳＧダイノードの表面までサブミクロンの距離内で、著しい電気伝導性が発達する。導電性に関与する物理学的機構は十分には理解されていないが、バンドギャップにおける局在電子状態からの電子ホッピング機構、またはＲＬＳＧ膜内の金属鉛の不連続アイランド間のトンネル機構に起因すると考えられる。
【００２０】
観察される電気伝導性は事実上オーミックであり、観察される材料特性に起因する金属の導電性に類似する。「オーミック」という用語は、電気伝導性が、抵抗が印加電圧の関数として実質的に一定であるオームの法則に従うことを意味する。例えば、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）は、典型的には、℃当たり１％未満である。また、一般的金属において観察される、印加外部電場に対する抵抗の非感受性および印可バイアスに対する抵抗の安定性が存在する。オーミック伝導の存在は、安定なＭＣＰデバイス動作に不可欠である。得られるＲＬＳＧダイノードは、１０１４Ω／ｓｑの公称シート抵抗を有する電気伝導表面を示す。当技術分野において、ＲＬＳＧダイノードの電気特性は、その製造の詳細により決定されるような、ガラス表面の化学的および熱的履歴の複雑な関数となることが知られている。
【００２１】
水素還元の間、ケイ酸鉛ガラス内の移動性化学種（例えばアルカリ、アルカリ土類、および鉛原子）の拡散および蒸発等の他の高温プロセスは、ＲＬＳＧダイノードの化学および構造を改質するように作用する。ＭＣＰのマイクロチャネル表面の表面近傍領域の材料分析では、図１Ｃと関連して説明されるように、ＲＬＳＧダイノードが抵抗層および放出層を含む２層構造を有することが示されている。
【００２２】
ＲＬＳＧ製造技術は十分確立されており、比較的安価で高性能のデバイスの製造をもたらしている。しかしながら、ＲＬＳＧ製造技術は、ある望ましくない制限を有する。例えば、ＲＬＳＧダイノードの電気特性および電子放出特性は両方とも、ダイノードを備えるガラス表面の化学的および熱的履歴に極めて感受性である。したがって、ＲＬＳＧ ＭＣＰの再現性のある性能特性は、複雑で時間を要する労働集約的な製造操作に対する厳格な制御に決定的に依存する。さらに、ＲＬＳＧ ＭＣＰの特性を向上または調整する能力は、現行の製造技術に適合する材料の限られた選択肢により制限される。性能は、従来のＭＣＰの製造に使用されるケイ酸鉛ガラスの材料上の制限により悪影響を受ける。これらの制限には、ゲイン振幅および安定性、計数率能力、最大処理温度、最大動作温度、暗騒音、再現性、サイズ、形状、ならびに高電流デバイスにおける熱放散が含まれる。
【００２３】
ＧＭＤプロセスに従うマイクロチャネルプレートの製造は、利用可能な材料の選択において制限されている。マルチファイバ引き出し技術では、コアおよびクラッド出発材料の両方が、慎重に選択された温度−粘度および熱膨張特性を有するガラスであることが必要とされる。融合ビレットは、ウエハ製造および仕上げに好適な特性を有さなければならない。コア材料は、非常に高い選択性をもって、クラッドより優先的にエッチングされなければならない。さらに、クラッド材料は、最終的に、電子増倍のための連続ダイノードとして機能するために、十分な表面導電性および二次電子放出特性を示さなければならない。この１組の制限は、現行技術によるＭＣＰの製造に好適な材料の範囲を大幅に制限する。
【００２４】
最も知られたマイクロチャネルプレートは、本明細書において図１Ａ〜１Ｃと関連して説明されるように、ガラス繊維から製造される。ガラス繊維からのマイクロチャネルプレートの製造の詳細な説明に関しては、「Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊｏｓｅｐｈ Ｗｉｚａ、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ、Ｖｏｌ．１６２、１９７９、５８７−６０１頁も参照されたい。数多くの種類の基板材料をマイクロチャネルプレート１００に使用することができる。
【００２５】
最近、マイクロチャネルプレート用の基板として、シリコンが使用されてきている。例えば、本出願人に譲渡された、Ｌｏｃｋｗｏｏｄへの米国特許第６，５２２，０６１ Ｂ１号を参照する。シリコン製マイクロチャネルプレートは、ガラス製マイクロチャネルプレートに比較していくつかの利点を有する。シリコンマイクロチャネルプレートは、ガラスマイクロチャネルプレートのようにチャネルが手作業で積層されるのではなく、リソグラフィーにより規定され得るため、より正確に製造することができる。シリコンプロセス技術は、非常に高度に開発されており、このようなマイクロチャネルプレートを加工するために適用され得る。また、シリコン製基板は、他の材料との適応性がはるかに高く、高温プロセスに耐えることができる。
【００２６】
一方、ガラスマイクロチャネルプレートは、シリコンマイクロチャネルプレートよりも低い温度で溶融する。さらに、シリコンマイクロチャネルプレートは、他のデバイスと容易に統合され得る。例えば、シリコンマイクロチャネルプレートは、光検出器、ＭＥＭＳ、および様々な種類の電気および光学集積回路等、様々な種類の他の電子および工学デバイスと容易に統合され得る。当業者には、基板材料が、数々の他の種類の絶縁基板材料のいずれか１つであり得ることが理解される。
【００２７】
本発明の一実施形態において、マイクロチャネルプレートを形成するためにプラスチック材料が使用される。例えば、マイクロチャネルプレートは、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料で形成され得る。当業者には、マイクロチャネルプレートが、数々の他のポリマーおよびプラスチック材料で形成され得ることが理解される。実際、マイクロチャネルプレート基板の必要とされる形状を形成するために、広範なプラスチックおよびポリマー材料が利用可能である。例えば、水素に富むプラスチックマイクロチャネルデバイスを使用して、動作寿命の長い高ゲイン検出器を製造することができる。
【００２８】
プラスチック成形プロセスは、当技術分野において周知である。マイクロチャネルプレートの形成に好適な射出成形プロセス等、多くのプラスチック製造プロセスがある。また、プラスチックマイクロチャネルプレートを形成するために使用され得る、数多くの光ファイバマルチドロー製造プロセスがある。放出および導電材料は、本発明の低温堆積技術により、プラスチックマイクロチャネルプレート上に形成され得る。プラスチックマイクロチャネルプレートプロセスは、実装するのに比較的安価となり得る。プラスチックＭＣＰはまた、現行のガラスマイクロチャネルプレートよりもはるかに大きな寸法で製造され得る。
【００２９】
種々の実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、熱中性子を検出するために使用することができる。「熱中性子」という用語は、本明細書において、その周囲とほぼ熱平衡にあり、約０．０２５ｅＶの平均エネルギーを示す中性子として定義される。熱中性子とプラスチック材料内に含有される特定の材料との間の相互作用は核反応であり、典型的には、アルファ粒子等の高エネルギーの重荷電粒子を生成する。
【００３０】
いくつかの実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、熱中性子に対し感受性となるように、ホウ素、リチウムまたはガドリニウムでドーピングされる。これらのプラスチックマイクロチャネルプレートにおいて、アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ量子、およびいくつかの場合にはＬｉ粒子等の反応副生成物が、細孔壁との相互作用により二次電子を生成する。これらの二次電子は、プラスチックマイクロチャネルプレートの細孔をコーティングする放出膜と衝突しながらＭＣＰ細孔内でカスケード増幅し、それにより事象検出および信号増幅を提供する。
【００３１】
例えば、熱中性子は、約１９．８％の天然存在度および約３８４０バーンの熱中性子反応断面積を有するホウ素−１０同位体と相互作用する。この相互作用の結果、ともにＭｅＶ範囲のエネルギーを有する、アルファ粒子および７Ｌｉ粒子が生成する。さらに、熱中性子は、約７．４％の天然存在度および９４０バーンの熱中性子反応断面積を有するリチウム−６同位体と相互作用する。この相互作用の結果、約２．７３ＭｅＶのエネルギーを有する高エネルギー三重陽子および約２．０５ＭｅＶのエネルギーを有するアルファ粒子が生成する。さらに、熱中性子は、約１５．７％の天然存在度および２２５，０００バーンの中性子反応断面積を有するガドリニウム−１５７同位体と効率的に相互作用し得る。この相互作用の結果、ガンマ線および転換電子が生成する。
【００３２】
プラスチックマイクロチャネルプレートはまた、高速中性子を検出するために使用することができる。「高速中性子」という用語は、本明細書において、０．５ＭｅＶを超えるエネルギーを有する中性子として定義される。高速中性子の検出は、入射高速中性子を、水素に富むポリマーマイクロチャネル構造内での中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳相互作用により生成される電子のパルスに転換することにより達成される。高速中性子は、散乱により原子核と相互作用し、１回の衝突で相当量のエネルギーを伝達し得る。反跳核は、中性子衝突から得られる測定可能な量のエネルギーを有する。これらの反跳核は、ＭＣＰを含むバルク材料からの離脱時、および本発明の方法に従い細孔壁上に堆積された膜との相互作用時に、二次電子を生成する。核散乱部位において、中性子はエネルギーを失い、より低いエネルギーまで減速される。中性子は、水素原子核（陽子）との１回の衝突で、最大でそのエネルギーの全てを失うことができるため、最も効率的な減速材は水素である。
【００３３】
高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、水素を含むプラスチック材料から製造することができ、また本明細書に記載のような薄膜放出および導電材料を堆積させることができる。そのようなプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器は、高速中性子に対し、１０ｎｓ未満の時間分解能で、比較的低い暗騒音、および比較的高い効率を有する。さらに、そのようなプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器は、製造するのに比較的安価となり得る。
【００３４】
本発明による高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳反応から、マイクロチャネル構造の壁と相互作用した時に二次電子を励起する陽子を生成する。続いて二次電子は、感受性膜要素にわたるバイアスにより支援される増幅プロセスを用いて、細孔内で増幅される。そのようなデバイスにより生成される、得られる信号は、抵抗アノード、クロスディレイラインアノード、クロスストリップアノード、および読み出し特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等の種々の利用可能な機器の技術により容易に検出することができる。後者のデバイスの１つは、当技術分野においてＭｅｄｉｐｉｘ ＩＩとして知られている。
【００３５】
本発明による高速中性子を検出するためのプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスは、マイクロチャネルプレート検出器に特徴的な非常に低い暗計数率（＜０．０１カウント／ｃｍ２／ｓ）での高速中性子の直接検出の可能性を与える。これらのマイクロチャネルプレートデバイスはまた、ガンマ除去率を大幅に増加させ、また中性子方向感受性を提供して比較的大きなガンマバックグラウンドの存在下での局在化および高速中性子計数を可能とするために、同時技術と併せて使用することができる。
【００３６】
また、Ｔａｓｋｅｒへの米国特許第５，３７８，９６０号、名称「Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｄｙｎｏｄｅｓ Ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ」は、従来技術ＭＣＰのＲＬＳＧダイノードの通電層が、ＳｉもしくはＧｅ半導体層、ドーピング半導体（ＰドーピングＳｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）または窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）等の半導体通電層で置き換えることができることを教示している。米国特許第５，３７８，９６０号はまた、ＭＣＰ通電層が、公称１００ｎｍ膜に対して、１０１１〜１０１４Ω／ｓｑのシート抵抗に対応する１０６〜１０９Ω−ｃｍの範囲内の抵抗率を有さなければならないと説明している。シート抵抗のこの値は、４０：１のＬ／Ｄに対し、デバイスが過剰のワット損なしに十分な速度で充電され得るように、最適化された電流引き込みで、ＭＣＰバイアス電圧を維持するために必要であり、これは約１，０００Ｖでなければならない。実際、荷電粒子検出器および画像増倍管において使用されているもの等の市販のＭＣＰデバイスは、多くの用途において１０１４Ω／ｓｑを超えるシート抵抗を必要とする。
【００３７】
純粋な半導体材料に対する可能最大抵抗値が、真性キャリア濃度（例えば未ドーピング）で得られる値と仮定すると、純粋なＳｉの抵抗率は、約２．３×１０５Ω−ｃｍである。同様に、純粋な半導体材料に対する可能最大抵抗値が、真性キャリア濃度（例えば未ドーピング）で得られる値と仮定すると、純粋なＧｅの抵抗率は、約４７Ω−ｃｍである。したがって、ＭＣＰデバイスの最大シート抵抗（実現可能な最小膜厚が１００ｎｍと仮定して）は、Ｓｉの場合５．８×１０１０Ω／ｓｑ、Ｇｅの場合２×１０７Ω／ｓｑであるが、これらはどちらも、安定なＭＣＰ動作に必要なシート抵抗を数桁下回っている。安定な動作とは、ＭＣＰが、マイナスの抵抗の温度係数に起因する熱散逸をもたらす過剰のジュール熱を生成しない動作モードを意味する。結果的に、これらのＳｉおよびＧｅ膜は、ＣＥＭクラスの電子増倍管にのみ適合する。
【００３８】
ＣＥＭおよびＭＣＰ用の通電層としての半導体薄膜の使用に対する別の基本的制限は、これらの薄膜が電場の影響を受けやすいことである。電流伝導の方向に対し直角に電場を印加すると、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の特性に類似した特性が得られる。ＣＥＭおよびＭＣＰにおける電界効果は、外部印可場に起因する半導体層の導電性の変調をもたらす。より具体的には、ＭＣＰチャネルの動作中、増幅カスケードプロセス中の二次電子の離脱に起因して、放出膜表面上に正電荷が蓄積する。この正電荷は、放出薄膜にわたり比較的強い電場を形成し、これは、抵抗層と放出層との間の界面（図１Ｃにおいて界面１８６として示される）でのキャリア（電子）の濃度を増加させることにより、その下の真性通電層の抵抗を減少させるように機能する。この効果は、印加入力の関数としてのデバイスを流れる電流の変化を観測することにより、半導体材料で形成された抵抗層を含むＭＣＰデバイスにおいて、容易に測定することができる。半導体における電界効果は、安定ではないデバイス抵抗をもたらす。このデバイス抵抗の不安定性は、ドーピングレベルとは無関係である。
【００３９】
増加したキャリア濃度は、通電層内での数桁の抵抗減少をもたらし得る。半導体膜はまた、温度または抵抗の温度係数（ＴＣＲ）により大きな抵抗値変化を示す。真性Ｓｉの場合、ＴＣＲは、従来技術のガラスＭＣＰデバイスに見られるＲＬＳＧ膜の℃当たり１％未満と比較して、℃当たり８％と高い。従来技術のガラスＭＣＰを４桁下回り得る半導体膜の低い最大抵抗、ならびに、ＭＣＰ動作において層抵抗のさらなる低下および電流引き込みの増加をもたらす、電界効果と組み合わせた場合に得られる高い電流引き込みは、安定した抵抗で機能しないＭＣＰデバイスをもたらす。そのようなＭＣＰは、ＴＣＲの高いマイナス値により局在化領域においてプラスに強化された比較的高いジュール熱に起因して、熱散逸を経験し得る。したがって、これらの理由により、半導体膜はＭＣＰデバイスに好適ではない。
【００４０】
また、米国特許第５，３７８，９６０号は、半導体の酸化物および窒化物の導電層としての使用を記載している。ＳｉＯｘおよびＳｉｘＮｙ等の半導体の酸化物および窒化物内の伝導は、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｉｅｍトンネル効果、Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ伝導、空間電荷制限伝導、および弾道輸送の４つの機構のうちの１つを介して達成される。空間電荷制限伝導および弾道輸送は、非常に高い電流（空間電荷約Ｖ２）または非常に高い電場（弾道約Ｖ１．５）を必要とするため、ＭＣＰデバイスにおいては生じ得ない。
【００４１】
電子は、直接トンネル効果またはＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（Ｆ−Ｎ）トンネル効果により、ＳｉＯ２薄膜を移動し得る。直接トンネル効果は、台形の電位障壁の存在を示し、一方Ｆ−Ｎトンネル効果は、電子が電位障壁を透過した場合に生じる。直接トンネル効果は、ＳｉＯ２の場合、印加電場の方向において約４ｎｍ以下の極めて薄い誘電層を必要とする。ＭＣＰにおいて、印加電場の方向の導電層の有効厚は、典型的には数百ミクロンである。Ｆ−Ｎトンネル効果は、矩形の電位障壁を三角形の電位障壁に変換するために、典型的には大きな電場を必要とする。したがって、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍトンネル効果は、通常、比較的高い電場において支配的であり、一方直接トンネル効果は、低い電場における薄膜の主要な導電機構である。
【００４２】
ＳｉＯ２における電荷輸送を担うのは主にトンネル効果であると考えられているものの、ＳｉＯ２においてはＦｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅ効果もまた観察されている。Ｆｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅ効果は、荷電トラップからの電荷キャリアの電場増強熱放出に関連する。Ｓｉトラップが荷電され得ることが知られている。したがって、印加電場によりＳｉトラップが酸化ケイ素内の効率的に電荷キャリアを放出し得るということが可能である。
【００４３】
窒化ケイ素における電流伝導機構は周知である。典型的には、窒化ケイ素における電流伝導は、幾何学的に近接した欠陥の間の電子ジャンピングが支配的な、欠陥支援型電流伝導機構である。この機構は、Ｆｒｅｎｋｅｌ−Ｐｏｏｌｅの式により説明される。
【００４４】
ＳｉＯｘ通電層およびＳｉｘＮｙ通電層の両方において、チャネル放出層充電を支援するために適切な漏洩（ストリップ）電流を供給するのに必要な電場は、既知のＭＣＰバイアス電源が提供可能なもの（１，０００Ｖ対１００，０００Ｖ）よりも少なくとも２桁高い（１０６対１０４Ｖ／ｃｍ）。１００，０００Ｖのバイアス電圧は、典型的なＭＣＰ用途には実用的ではない。また、これらの高電圧は、チャネル内での電子の平均自由行程を大幅に増加させる。さらに、これらの高電圧は、衝突数を著しく低減し、またデバイスの得られるゲインを著しく低減する。これらの理由により、酸化ケイ素および窒化ケイ素系膜は、ＭＣＰ用途の抵抗膜として機能しない。
【００４５】
Ｒａｉｎａへの米国特許第７，０９７，５２６号、名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｄｏｐｅｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｆｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｐｌａｔｅ」は、薄膜抵抗を増加させるためのシリコンの窒素または酸素ドーピングの使用を記載している。この特許は、窒素ドーピングを変動させることにより、バルクアモルファスシリコンの伝導率を５００〜１０４Ω−ｃｍの範囲にわたり変化させることができることを教示している。同様に、Ｂｒａｎｄｅｓらへの米国特許第６，２６８，２２９号、名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｒｅｓｉｓｔｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」は、アモルファスシリコン−カーバイドが、カーバイドに対するシリコンの比、および種々のドーパントの濃度を選択することにより、１Ω−ｃｍから１０１１Ω−ｃｍの範囲内の抵抗率を示し得ることを記載している。これらの膜は、ＭＣＰ動作に必要な抵抗率を達成することができることが実証されたが、膜は依然として半導体であり、すべての半導体膜について観察される以前に特定された問題と同じ問題に晒される。さらに、それらの膜の高い抵抗率範囲は、任意の不純物、ドーパント、および結晶粒の寸法に対するその極めて高い感受性に起因して、異なる実験間で再現するのが非常に困難であることが判明した。
【００４６】
本発明は、製造中に幅広く調整可能な導電性を有する連続したダイノードを備えるマイクロチャネルプレートデバイスに関する。一実施形態において、層の抵抗は、約１０９〜１０１６Ω／ｓｑの範囲にわたり調整することができる。膜層はまた、金属のオーミック電気伝導性に本質的に類似した電気伝導性を有する。膜はまた、印加外部横電場に影響されない導電性、比較的小さいＴＣＲ値、および印加バイアスの関数として安定である抵抗値を有する。
【００４７】
本発明の種々の実施形態において、抵抗層は、原子層成長法等の種々の堆積技術により、単独で、または少なくとも１つの放出層と併せて、マイクロチャネルプレートの複数のチャネルのそれぞれに形成される。本発明の方法は、従来のガラスマイクロチャネルプレート、半導体マイクロチャネルプレート、セラミックマイクロチャネルプレートおよびプラスチックマイクロチャネルプレートを含む任意の種類のマイクロチャネルプレート構造とともに使用することができることが、当業者には理解される。
【００４８】
本発明によるマイクロチャネルプレートにおける複数のチャネルのそれぞれは、少なくとも、抵抗層および放出層または組み合わされた放出／抵抗層を含む。本発明によるマイクロチャネルプレートは、チャネル上に形成された任意の数の放出層と組み合わされた抵抗層を含み得る。種々の実施形態において、複数のチャネルの外面上、放出層の間、および／または外側放出層の外面上に他の抵抗層が形成され得る。また、種々の実施形態において、複数のチャネルの外面上、放出層の間、および／または外側放出層の外面上に薄膜抵抗層が形成され得る。種々の可能な抵抗および放出層を、図２と関連してより詳細に説明する。
【００４９】
図２は、本発明によるマイクロチャネルプレートの単一チャネル２８０の断面図を示す。抵抗層２８２は、チャネル２８０の外面上に形成される。抵抗層２８２の抵抗は、製造中に所定レベルの導電性を達成するように調整することができる。いくつかの実施形態において、抵抗層２８２は、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金（ＣＺＯ）導電膜が積層された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）絶縁層で構成される交互薄膜を含有する、ナノラミネート構造である。導電層および絶縁層を備える材料は、例えば候補となる材料のバンドギャップに基づき選択することができる。候補となる材料は、バンドギャップに基づき、バンドギャップなし（金属）、中程度のバンドギャップ（半導体／半絶縁体）、および広いバンドギャップ（絶縁体）の主要な３つの群に分類することができる。例えば、バンドギャップなしの材料は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕを含み得る。中程度のバンドギャップ材料は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄの酸化物を含み得る。広いバンドギャップの材料は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒの酸化物および窒化物を含み得る。
【００５０】
種々の他の実施形態において、ナノラミネート抵抗層２８２の導電層は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄの酸化物等の中間バンドギャップ材料を使用して形成される。導電層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕ等の金属（バンドギャップなしの材料）種がドーピングされた任意の絶縁酸化物または窒化物（広いバンドギャップの材料）を含み得る。種々の実施形態において、ナノラミネート抵抗層２８２において使用される絶縁膜は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒ、ならびにこれらの任意の混合物等の非常に広いバンドギャップの材料を使用して形成することができる。ナノラミネート構造はまた、金属酸化物単体であってもナノ合金であってもよい抵抗膜を含み得る。抵抗膜はまた、ドーピングされた半絶縁酸化物または純粋な半絶縁酸化物であってもよい。
【００５１】
「ナノラミネート」という用語は、本明細書において、層状スタックにおける２つ以上の材料の超薄層の複合膜として定義され、層は、複合膜の材料の交互の層である。交互超薄層に対して、たびたび「ナノ合金」と言う用語が使用される。しかしながら、「ナノラミネート」という用語と「ナノ合金」という用語の間の区別は、当技術分野において明確ではない。「ナノ合金」という用語は、本明細書において使用される場合、数枚の単分子層の厚さ以下の極めて薄いナノラミネートから形成される膜を表す。典型的には、ナノラミネート内の各層は、数オングストロームから数ナノメートルの範囲の厚さを有する。ナノラミネートの個々の材料層はそれぞれ、材料の単分子層ほどの薄い厚さを有し得る。
【００５２】
例えば、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金（ＣＺＯ）および酸化アルミニウムのナノラミネートは、少なくとも１つのＣＺＯ薄層、および１つの酸化アルミニウム薄層を含む。そのような層は、ＣＺＯ／酸化アルミニウムのナノラミネートと言うことができる。ＣＺＯ／酸化アルミニウムナノラミネートは、酸化アルミニウム層の後に交互する１つのＣＺＯ層に限定されず、複数の酸化アルミニウム薄層と交互する複数のＣＺＯ薄層を含み得る。さらに、ＣＺＯ薄層の数および酸化アルミニウム薄層の数は、ナノラミネート構造内で独立して変動し得る。
【００５３】
したがって、ＣＺＯ／酸化アルミニウムナノラミネートは、異なる導電酸化物および絶縁酸化物の層を含むことができ、各層はその絶縁特性または導電特性に従い選択される。導電酸化物および絶縁酸化物の交互の層を含有する誘電層は、ナノラミネートの層の組合せに関連した実効導電率を有する。実効導電率は、導電酸化物層および絶縁酸化物層の相対的な厚さに依存する。したがって、導電酸化物／絶縁酸化物ナノラミネートを含有するそのような膜は、製造中、広範囲にわたり変動し得る所定の抵抗を提供するように効果的に加工することができる。
【００５４】
ダイノード膜の導電率はまた、導電膜をドーピングすることにより変調され得る。亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金がそのような膜の一例であり、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金の亜鉛含量を用いて、亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金の導電率を決定することができる。したがって、選択された膜抵抗を操作するために、ドーピングを単独で、またはナノラミネートと併せて使用することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態において、第１の抵抗層２８２が形成される前に、チャネル２８０の外面上に障壁薄層２８４が形成される。障壁薄層２８４はまた、二次電子放出、ゲイン、均一性、寿命、および／または歩留まり等、ＭＣＰデバイス機能を改善または最適化するために使用することができる。障壁薄層２８４はまた、マイクロチャネルプレートの所定の電流出力を達成するために使用することができる。障壁薄層２８４はまた、ＭＣＰの電荷トラップ特性を制御するために使用することができる。さらに、障壁薄層２８４は、チャネル２８０の表面からイオンが移動するのを防止するため、チャネル２８０の外面を不動態化するために使用することができる。
【００５６】
チャネル２８０を通して電子を移動させる、マイクロチャネルプレート内に維持される静電場はまた、チャネル２８０を通して移動する任意の陽イオンを、光電陰極またはマイクロチャネルプレートと使用される他の上流側デバイスもしくは機器に向けて移動させる。これらの陽イオンは、水素、酸素および窒素等、相当なサイズとなり得るガス原子の核を含む。これらのガス原子は、電子よりもはるかに巨大である。そのような陽イオンは、チャネル入口に向かって加速され、さらにはＭＣＰと併せて使用され得るその他のコンポーネントに影響し得る。そのようなデバイスの一例は、ＭＣＰにより増幅される電子を生成して高感度画像化を提供するために光電陰極（典型的にはＧａＡｓ）を使用する、暗視デバイスの画像増倍管コンポーネントである。光電陰極に対するイオン衝撃は、物理的および／もしくは化学的損傷をもたらすか、または効率的光変換に重要な表面の電子親和力を改変し得る。チャネル２８０内に存在する、または光電陰極に近接する同じイオンまたは他の原子は、高効率に必要な光電陰極のマイナスの電子親和力を破壊し得るか、および／または、光電陰極と化学的に結合し腐食するのに効果的となり得る。
【００５７】
さらに、チャネル２８０は、抵抗層２８２上または障壁層２８６上に形成される放出層２８８を含む。種々の実施形態において、放出層２８８は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、Ｃｒ、およびこれらの任意の混合物から成る群より選択される、少なくとも１つの元素の酸化物および窒化物を含む。いくつかの実施形態において、放出層２８８の厚さおよび材料特性は、一般に、鉛ガラス、マルチドロープロセスで製造される従来のマルチチャネルプレートと比較して、マイクロチャネルプレートの二次電子放出効率を増加させるように選択される。いくつかの実施形態において、放出層２８８の厚さおよび材料特性は、一般に、イオン移動に対する障壁を提供するように選択される。イオンに対するそのような障壁は、電荷トラップ特性を制御するために使用することができる。
【００５８】
図２は、抵抗層および放出層２８２、２８８を有するマイクロチャネルプレートを示す。しかしながら、マイクロチャネルプレートは、任意の数および任意の組み合わせの抵抗および放出層を用いて本発明に従い製造することができることが、当業者には理解される。そのような実施形態において、異なる放出層および抵抗層の組成および厚さの多くの可能な組み合わせがある。さらに、複数の抵抗および放出層を、障壁層とともに、または障壁層なしで積層することができる。
【００５９】
実験では、原子層成長法（ＡＬＤ）による抵抗膜の堆積が、マイクロチャネルプレートの性能を著しく向上させることが示されている。原子層成長法は、数オングストロームほども薄い、極めて均一でピンホールのない膜の生成に効果的であることが示されている。ＡＬＤにより堆積された膜は、特にＭＣＰ細孔の大きなアスペクト比を考慮すると、物理気相成長法（ＰＶＤ）、熱蒸発、化学気相成長法（ＣＶＤ）等の他の堆積法に比べ、比較的高い品質および高い膜完全性を有する。
【００６０】
原子層成長法は、極めて薄いコーティングを形成するために使用される化学プロセスである。原子層成長法は、自己制御反応を使用するＣＶＤの変形型である。「自己制御反応」という用語は、本明細書において、何らかの様式で反応自体を制限する反応を意味する。例えば、自己制御反応は、反応物質が反応により完全に消費された後に、または、一度堆積表面上の反応部位が占有されたら終了することによって、反応自体を制限し得る。
【００６１】
ＡＬＤ堆積シーケンスのサイクルには、前駆体材料のパルス化、不活性パージガスの支援を用いたチャンバの完全排気、反応物質前駆体のパルス化、続く不活性パージガスを使用した反応物質前駆体のチャンバからの完全排出が含まれる。ＡＬＤ堆積シーケンスの結果、表面に吸着し、次いで表面を飽和させる第１の前駆体の量に依存する、非常に一貫した堆積厚が得られる。このサイクルは、単一材料層において所望の厚さが達成されるまで繰り返すことができる。このサイクルはまた、第３の前駆体材料のパルス化、不活性パージガスを使用した、第３の前駆体に対応する反応物質前駆体のチャンバからの完全排出、第４の反応物質前駆体のパルス化、続く不活性パージガスを使用した反応物質前駆体のチャンバからの完全排出と交互させることができる。本発明のいくつかの実施形態において、前駆体材料が基板と直接相互作用する場合、反応物質ガスが存在する必要はない。例えば、本発明の一実施形態において、ＡＬＤ堆積シーケンスには、導電酸化物層上へのドーパント金属前駆体材料のパルス化が含まれる。
【００６２】
ナノ層およびナノラミネート材料は、層状スタック内に２種以上の異なる材料の超薄層を含む複合材料であり、層は、約１ナノメートル以下の厚さを有する異なる材料の交互の層である。ナノ層およびナノラミネート材料は、単一の単分子層の厚さである連続膜であってもよい。ナノ層およびナノラミネート材料は、第１の一連のサイクルの厚さが僅か数枚の分子層の厚さである層をもたらし、第２の一連のサイクルの厚さが僅か数枚の分子層の厚さである異なる層をもたらす場合に形成される。
【００６３】
ナノ層およびナノラミネート材料は、各材料の交互の単一の層に限定されない。代わりに、ナノ層およびナノラミネート材料は、２つ以上の材料の所望の比率を形成する、他の材料の単一の層と交互する１つの材料のいくつかの層を含み得る。そのような配置は、広範囲にわたり変動する導電率を有する膜を達成し得る。ナノ層およびナノラミネート材料はまた、ＭＯＣＶＤ反応等の別の種類の反応により形成された異なる材料の単一の層の上または下にＡＬＤ反応により形成される、１つの材料のいくつかの層を含み得る。異なる材料の層は、堆積後別個であってもよく、または互いに反応して合金層を形成してもよい。合金層は、ドーピング層であってもよい。層のドーピングは、層の特性を変化させるために使用することができる。
【００６４】
ナノラミネート亜鉛ドーピング酸化銅（ＣＺＯ）膜は、例えばジエチル亜鉛（ＤＥＺ）等のアルキル型前駆体化学物質、銅（ＩＩ）ヘキサフルオロアセチルアセトネート水和物またはＣｕ（ｈｆａｃ）２等のアセトネート型前駆体、および脱イオン（ＤＩ）水等の酸化前駆体を使用して、ＡＬＤにより形成することができる。そのような膜は、２５０℃以下となり得る比較的低い温度で形成することができる。そのような膜は、非晶質または多結晶質であってもよく、また平滑表面を有し得る。そのような膜は、より反復可能な電気性能をもたらすその比較的平滑な表面および低減された損傷に起因して、スパッタリング等の物理的堆積法、または典型的な化学的層堆積により形成された膜と比較して、向上した電気特性を提供し得る。
【００６５】
一実施形態において、原子層成長法（ＡＬＤ）を用いてＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート抵抗層が形成される。そのような膜は、他の処理技術に比べ比較的平滑な表面を有する。原子層成長法を用いたそのような膜の形成中、遷移が制御され得る。したがって、堆積されたＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート層は、必要とされる電気的または物理的特性を提供するように加工することができる。さらに、ＡＬＤ堆積ＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート層は、それらが堆積される表面上にコンフォーマルな被覆を提供する。
【００６６】
本発明のマイクロチャネルプレートの別の態様は、抵抗層２８２および基板２８０上に掲載された任意の他の抵抗および放出層が、基板２８０を保護および不動態化するということである。すなわち、抵抗層２８２および基板層２８０上に形成された任意の他の抵抗および放出層は、脱ガス特性を制御するために使用され得るイオン移動に対する障壁を提供することができる。従来の抵抗および放出層は、容易に損傷され得る。
【００６７】
ガラスマイクロチャネルプレートにおいて、Ｐｂ−ガラス組成に含有されるアルカリ金属は、バルク材料中比較的安定である。しかしながら、放出層を形成するマイクロチャネルの外面上の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）中に含有されるアルカリ金属は、酸素を除去し材料構造内の結合を破壊する高温水素環境への暴露により、膜構造内に緩く保持されているだけである。電子倍増中に生じる電子衝撃は、膜からこれらの元素を浸食する。この浸食は、マイクロチャネルプレートのゲインを経時的に劣化させる。シリコンマイクロチャネルプレートにおいて、放出層は、典型的には、通常のデバイス動作中に生じる電子衝撃の間も浸食される、非常に薄いコーティングである。本発明の一態様は、抵抗および放出層を電子衝撃の作用により耐えるように加工することができ、したがってデバイスの安定性および寿命を増加させることができることである。
【００６８】
したがって、種々の実施形態において、抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、初期動作（Ｈ、ＣＯ、ＣＯ２、およびＨ２Ｏ等のイオン種の脱ガス）、ならびにＮａ、Ｋ、およびＲｂ等の吸着アルカリ金属の基板からのより長期の除去の間に放出されるイオンの数が低減されるように、マイクロチャネルプレートを不動態化するよう選択することができる。基板から放出されるイオンの数の低減は、マイクロチャネルプレートの寿命、ならびに光電陰極と組み合わせてＭＣＰを利用するデバイスの寿命を改善する。光電陰極は、ＭＣＰからの脱ガスまたは脱着イオンによるイオン腐食を特に受けやすい。マイクロチャネルプレート基板を不動態化するように抵抗層の厚さおよび組成を選択することは、歩留まりも改善する。
【００６９】
本発明のマイクロチャネルプレートの別の態様は、抵抗層および放出層２８２、２８８が、互いに独立して最適化され得るということである。抵抗層および放出層２８２、２８８はまた、種々の性能、寿命、および収率の目標を達成するために、他のマイクロチャネルプレートパラメータから独立して最適化することができる。例えば、抵抗層２８２は、特定の出力電流動作範囲を可能とするように最適化することができる。二次電子放出層２８８は、高いもしくは最大の二次電子放出効率、または高いもしくは最大の寿命を達成するように、ならびに／あるいは高い計数率能力を有するように、別個に最適化することができる。そのようなマイクロチャネルプレートは、従来技術のマイクロチャネルプレートデバイスと比較して、大幅に改善されたマイクロチャネルプレートゲイン、計数率、および寿命性能を有することができる。
【００７０】
種々の抵抗および放出層を独立して最適化する能力は、マイクロチャネルプレートの性能が、チャネル内の連続ダイノードを形成するこれらの組み合わされた層の特性により決定されるため、重要である。連続ダイノードは、少なくとも３つの異なる機能を提供する放出および抵抗表面特性を有さなければならない。第１に、連続ダイノードは、効率的な電子倍増に望ましい放出表面特性を有さなければならない。第２に、連続ダイノードは、放出層が、放出された電子を置換するために適切な電流を支援するのを可能にする導電特性を有さなければならない。第３に、連続ダイノードは、放出された電子のための加速電場の確立を可能とする抵抗特性を有さなければならない。
【００７１】
結果的に、これらの３つの機能の性能である、二次電子の放出、放出された電子の置換、および放出された電子のための加速電場の確立は、典型的には、単一の組み合わされたＲＬＳＧ抵抗および放出層を利用する現在の最先端ＭＣＰ技術内では、同時に最大化することができない。このように、従来技術の単一放出層マイクロチャネルプレートデバイスにおいては、放出層の二次電子放出特性は、二次電子放出を最大化するために最適化することができず、したがって、マイクロチャネルプレートの感度性能を最大化するように最適化することができない。実際、ほとんどの既知のマイクロチャネルプレートは、二次電子放出を最適化するのではなく、ガラスの微視的材料組成により決定される非常に狭い範囲にわたりデバイスの抵抗を最適化するように製造される。本発明の方法は、種々の抵抗および放出層が、１つ以上の性能、寿命、または収率の目標のために独立して最適化されることを可能にする。
【００７２】
図３Ａは、本発明に従い堆積された膜、および従来のマイクロチャネルプレートのチャネル抵抗に対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯのパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗の実験データ３００を示す。単一の組み合わされた抵抗および放出層を有する従来の最先端マイクロチャネルプレートの、チャネル当たりの抵抗のデータ３０２が示されている。データ３０２は、チャネル当たりの抵抗が約１０１４であることを示している。これらのデータは、一般的に使用されている最先端暗視デバイスである製造後のマイクロチャネルプレートデバイスについて取られた。
【００７３】
図３Ａはまた、本発明に従い堆積された抵抗膜の（ＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３）×Ｎ層の交互の組合せに対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗のデータ３０４を示す。さらに、本発明に従い堆積されたＣＺＯ×２層／Ａｌ２Ｏ３×Ｎ層抵抗膜の交互の組合せに対する、ＡＬＤサイクルによるＣＺＯパーセントの関数としてのチャネル当たりの抵抗のデータ３０６が示されている。
【００７４】
公正な比較を示すために、データ３０４、３０６は、図３Ａに示されたチャネル当たりの抵抗のデータ３０２を有する同じ従来型マイクロチャネルプレートデバイスに対して得られたが、抵抗および放出層の同時形成が得られる水素還元ステップの直前に処理が停止された。続いて抵抗および放出層が本発明に従い形成された。データ３００は、従来技術のマイクロチャネルプレート製造方法と比較して、本発明の方法を使用して達成され得るチャネル導電率の広い可能な範囲を示している。
【００７５】
図３Ｂは、本発明に従い製造された膜に対する、銅のパーセントの関数としての抵抗のデータ３２０である。亜鉛ドーピング酸化銅（ＣＺＯ）膜に対するデータ３２２が示されている。データ３２２は、本発明に従い亜鉛ドーピング酸化銅ナノ合金膜に含有される亜鉛のパーセントを調節することにより、ほぼ２桁にわたって抵抗を変化させることが可能であることを示している。また、本発明に従い製造されたＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート膜に対するデータ３２４が示されている。データ３２４は、ＣＺＯ膜内の亜鉛のパーセンテージを固定することにより、および本発明に従いＣＺＯ／Ａｌ２Ｏ３ナノラミネート比を変化させることにより、はるかに広い抵抗率幅を達成することができることを示している。この実験における範囲は、試験構造設計により、図３Ａに示される上限値よりはるかに小さい上限値に制限されている。
【００７６】
図３Ｃは、市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイス、真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイス、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する、電圧の関数としての正規化マイクロチャネルプレート電流のデータ３３０を示す。市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３２が示されている。本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３４が示されている。
【００７７】
市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートに対する正規化電流−電圧データ３３２、および本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層を有するマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３４は、ほぼ同一の線形正規化電流−電圧特性を示している。ほぼ線形のデータ特性は、市販のデバイスおよび本発明によるナノラミネート抵抗層を有するデバイスの両方が、印加電圧の関数としてほぼ同一および実質的に一定の抵抗を有することでオーミック挙動を示すことを示唆している。本発明に従い堆積されたナノラミネート抵抗層の抵抗の固有安定性は、本明細書に記載の組み合わされたナノラミネート／ナノ合金微細構造を使用して抵抗層の導電性を調整する能力に起因する。
【００７８】
真性シリコンマイクロチャネルプレートデバイスに対する正規化電流−電圧データ３３６が示されている。データ３３６により示される非オーミック挙動は、真性シリコンマイクロチャネルプレートが、印加電圧の関数として実質的に一定ではない抵抗を示すことを示唆しており、これは、半導体真性シリコンダイノードの導電率を改変する熱的効果および電界効果に起因し得る。
【００７９】
図３Ｄは、本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインおよび抵抗のデータ３５０を示す。マイクロチャネルプレートデバイスは、約５ミクロンの直径および約５０：１に等しいＬ／Ｄ比を有するチャネルを含む。データは、入力電流を一定としてバイアス電圧を５００Ｖから１，０００Ｖまで変化させることにより収集した。
【００８０】
本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレート抵抗のデータ３５２が示されている。本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、バイアス電圧の関数としてのマイクロチャネルプレートゲインのデータ３５４が示されている。データ３５２、３５４は、本発明によるマイクロチャネルプレートデバイスが、動作電圧にわたり安定した抵抗、および、従来技術のマイクロチャネルプレートデバイスと比較して、同等のバイアスおよび入力条件に対しより高いゲインを達成することを示している。
【００８１】
図３Ｅは、市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートおよび本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、Ｃ／ｃｍ２単位の線量の関数としての相対ゲインのデータ３７０を示す。市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートに対する、クーロン／ｃｍ２単位の合計抽出電荷密度の関数としての相対ゲインデータとして、データ３７２が示されている。本発明に従い製造された抵抗層を有するマイクロチャネルプレートに対する、クーロン／ｃｍ２単位の合計抽出電荷密度の関数としての相対ゲインデータとして、データ３７４が示されている。
【００８２】
データ３７２、３７４は、本発明に従い製造された、組み合わされた抵抗および放出膜に関して観察される、現在の最先端マイクロチャネルプレート技術を使用して収集された寿命データと比較して向上した寿命を実証している。相対ゲイン低下データは、本発明に従い製造された抵抗および放出層を有するマイクロチャネルプレートの場合、合計抽出電荷の関数として、ゲイン低下が大幅により小さいことを示している。したがって、ゲイン低下データは、本発明に従い抵抗および放出層を製造することは、マイクロチャネルプレートデバイスの寿命を大幅に改善し得ることを示している。
【００８３】
図３Ｆは、最先端の市販の低鉛ケイ酸塩ガラス（ＲＬＳＧ）マイクロチャネルプレートデバイス、真性ポリシリコン、および本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜において観察される、温度の関数としての正規化抵抗のデータ３９０を示す。最先端の市販ＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗膜のデータ３９２が示されている。真性ポリシリコンのデータ３９４が示されている。本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスのデータ３９６が示されている。
【００８４】
データ３９２および３９６は、本発明に従い製造されたマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗の温度計数が、市販のＲＬＳＧマイクロチャネルプレートデバイスの抵抗の温度計数に匹敵することを示している。本発明およびＲＬＳＧデバイスの抵抗の温度計数は、ともに℃当たり１％未満であり、これは℃当たり８％を超える真性ポリシリコンの抵抗の温度計数の性能を大幅に超える、オーミックまたは「金属的」導電性を示している。
【００８５】
本発明の別の態様において、中性子感受性であるプラスチックマイクロチャネルプレート検出器が、本発明の抵抗および放出膜で製造される。これらのマイクロチャネルプレート検出器は、中性子を間接的に検出する。中性子はＭＣＰ内で核反応により相互作用するか、または、陽子およびアルファ粒子等の短距離荷電粒子にそのエネルギーを伝達する。これらの二次粒子は、測定可能な電気信号を生成するために使用される。
【００８６】
図４Ａは、本発明による高速中性子４０４の検出に好適な基板４０２を備えるプラスチックマイクロチャネルプレート４００の概略図を示す。プラスチック基板４０２は、図１Ａと関連して説明されるような基板４０２を通して延在する複数の細孔またはマイクロチャネルを規定する。高濃度の水素を含有するプラスチックマイクロチャネルプレート基板は、中性子−陽子反跳反応の比較的高い効率を提供する。抵抗および放出層は、本明細書に記載の複数のマイクロチャネルの壁上に堆積される。抵抗および放出層の組成および厚さは、最適な細孔抵抗および二次電子放出を提供するように最適化することができる。
【００８７】
図４Ｂは、マイクロチャネルプレート内での中性子−陽子相互作用および二次電子生成を示す、図４Ａに示されるプラスチックマイクロチャネルプレート４００の単一マイクロチャネル４５０の断面の概略図を示す。マイクロチャネル４５０の断面図は、マイクロチャネル４５０の表面上に堆積された抵抗膜４５４を示す。さらに、断面図４５０は、抵抗膜４５４上に堆積された放出膜４５２を示す。プラスチックマイクロチャネルプレート４００は、０．１ＭｅＶを超えるエネルギーを有する高速中性子を検出するように設計されている。
【００８８】
マイクロチャネル４５０の断面図は、高速中性子４０４が、反跳陽子４５６を生成する中性子−陽子（ｎ−ｐ）反跳反応により、プラスチック基板４０２と相互作用することを示している。バルクプラスチック基板材料内で生成された反跳陽子４５６は、マイクロチャネル４５０の表面に到達し、放出および／または抵抗膜と相互作用し、それにより二次電子４５８を放出することができる。二次電子４５８は、図４Ｃに示されるように、マイクロチャネルプレート４００内で電子雪崩プロセスを開始する。
【００８９】
図４Ｃは、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの単一プラスチックマイクロチャネル４８０における、電子雪崩プロセスの概略図を示す。マイクロチャネル４８０は、図４Ｂと関連して説明された放出膜４５２および抵抗膜４５４を示す。二次電子４５８がマイクロチャネル内で生成されると、増幅および検出のプロセスは、低流束用途に実装されるようなマイクロチャネルプレートデバイスの標準的動作と同一である。
【００９０】
本発明に従い製造されたプラスチックマイクロチャネルプレートは、０．０１カウント／ｃｍ２／秒未満のレベルのバックグラウンド計数率を有する高速中性子検出器を形成し得る。そのようなバックグラウンド計数率は、現在の最先端ガラスマイクロチャネルプレートのバックグラウンド計数率より大幅に低い。改善された性能は、少なくとも部分的に、プラスチック基板内の重金属および放射性トレース、例えばＲｂおよびＫ等の不在に起因する。本発明に従い製造されたプラスチックマイクロチャネルプレート高速中性子検出器の時間分解能は、中性子吸収の深さおよび中性子伝播速度にのみ制限される。時間分解能は、これらのデバイスにおいて１０ｎｓより良好となり得る。
【００９１】
本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートの検出効率は、プラスチック基板の水素濃度等の組成、ならびに形状（厚さ、細孔直径、および壁の厚さ）の関数である。いくつかの実施形態において、水素濃度を最大限化するのが望ましい。しかしながら、水素濃度が増加するほど、プラスチックのガラス転移温度は低下する。したがって、水素の最大濃度は、抵抗層、放出層、頂部電極および底部電極を堆積させるために必要な処理温度により制限される。第１の中性子検出効率は、特定用途に合わせて調整することができ、いくつかの設計においては、１０％以上もの高いレベルに到達し得る。
【００９２】
図５は、４つの異なるプラスチック基板厚に対する、ＭｅＶ単位の中性子エネルギーの関数としての中性子相互作用確率のグラフ５００を示す。グラフ５００は、より厚いプラスチック基板厚さが、より高い中性子相互作用確率を有することを示している。例えば、グラフ５００は、５ｍｍ厚のプラスチック基板が、高速中性子に対し、低エネルギーにおける約５０％から、５ＭｅＶを超えるエネルギーにおける約１０％までの範囲の中性子相互作用確率を有することを示している。しかしながら、低エネルギー範囲の高速中性子に対する検出効率は、プラスチック中の反跳陽子の範囲により低減される。したがって、最適性能を達成するためには、ＭＣＰ形状および水素濃度の最適化が必要とされる。
【００９３】
このように、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートは、低いガンマ感受性で高速中性子を直接検出することができる。そのような能力は、従来の熱中性子に基づく（Ｈｅ−３、１０Ｂドーピング）マイクロチャネルプレートデバイスでは不可能である。熱中性子検出器は、この用途において使用される場合、高速中性子の緩和を必要とし、これは事象計数率を大幅に低減し、元の高速中性子に関する任意の空間的情報を効果的に破壊する。また、プラスチックＭＣＰ基板中に重元素が存在しないことにより、この基板は、従来のガラス系ＭＣＰと比較して、ガンマ線バックグラウンド放射に対し極めて非感受性となる。
【００９４】
本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートデバイスの多くの可能な設計が存在する。例えば、一実施形態において、本発明によるプラスチックマイクロチャネルプレートで極めて指向性の高速中性子検出器が製造される。極めて指向性のプラスチックマイクロチャネルプレート検出器は、バイアス角を有するマイクロチャネルを形成し、次いで角度範囲にわたりマイクロチャネルを回転させることにより達成することができる。マイクロチャネルの壁に衝突する中性子のみが検出される。したがって、入射放射線に対する感度は、マイクロチャネルバイアス角により規定される非常に狭い円錐角で到達する中性子に対し非常に低減される。そのような指向性プラスチックマイクロチャネルプレート検出器は、それでも広範囲の角度で到達する高速中性子を検出することができる。数々の他の手法を用いて、指向性高速中性子検出器を形成することができる。例えば、マイクロチャネルプレートは、中性子源に対する種々の角度に沿って走査され得る。いくつかの実施形態において、マイクロチャネルプレートは、指向性を増加させるために連続して位置付けられる。そのような指向性マイクロチャネルプレートデバイスは、国家防衛用途を含む種々の用途の中性子源を特定するために使用することができる。
【００９５】
図６は、ホウ素でドーピングされたプラスチックマイクロチャネルプレート６００の断面図、ならびに７Ｌｉイオンおよびアルファ粒子を生成する入射熱中性子と１０Ｂ原子核との相互作用の概略図である。この実施形態において、プラスチックマイクロチャネルプレートは、ホウ素、リチウム、またはガドリニウム等の熱中性子および冷中性子感受性元素でドーピングされ、これらの元素は、検出器を、約０．０２５ｅＶの平均エネルギーを有する熱中性子および約５ｍｅＶのエネルギーを有する冷中性子に対し感受性とする。マイクロチャネルプレート６００は、複数のマイクロチャネル６０４を備えるホウ素ドーピングプラスチック基板６０２を含む。感受性膜は、マイクロチャネル６０４のそれぞれの表面上に堆積される。放出膜は、図４Ａと関連して説明されたように、抵抗膜上に堆積される。
【００９６】
図６は、入射熱中性子６０６が、プラスチック基板中の１０Ｂ原子核６１４と相互作用し、７Ｌｉイオン６０８およびアルファ粒子６１０を生成することを示している。１０Ｂ原子核６１４は、比較的大きい捕獲断面を有する。高エネルギーアルファ粒子６１０は、約１．４７ＭｅＶのエネルギーを有するが、抵抗および放出膜層と相互作用し、典型的には２０を超える電子である多数の二次電子およびイオン（これは一方で二次電子を生成する）６１２を生成する。これらの二次電子は、通常の様式においてマイクロチャネルプレート６００内で加速され、信号増幅カスケードをもたらす。マイクロチャネルプレート６００内でアルファ粒子６１０により生成される多数の二次電子６１２は、高速中性子の中性子−陽子反跳反応により生成される二次電子の数よりも１０桁超多い。
【００９７】
したがって、プラスチックマイクロチャネル検出器により生成された信号を処理することによって、熱中性子により生成された信号と、高速中性子により生成された信号を区別することが可能である。例えば、検出された信号がそれにより後のゲイン段階で増幅される、ユニティゲインモードでのプラスチック中性子検出器の動作により、信号は、熱中性子信号と高速中性子信号を区別するために使用され得るパルス振幅を決定するために処理され得るようになる。熱中性子信号と高速中性子信号を区別するために、他の多くの信号処理方法を使用することもできる。
【００９８】
（均等物）
本教示は種々の実施形態および実施例と関連して説明されているが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されない。逆に、本教示は、当業者に理解されるように、種々の代替例、修正例および均等物を含み、これらは本発明の精神および範囲から逸脱することなしに成され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子を検出するためのマイクロチャネルプレートであって、該マイクロチャネルプレートは、
ａ．水素に富むポリマー基板であって、該ポリマー基板は、該基板の頂面から該基板の底面まで延在する複数のチャネルを規定し、該複数のチャネルと相互作用する中性子は、中性子−陽子相互作用生成物と二次電子とを生成する、ポリマー基板と、
ｂ．該基板の該頂面上に位置付けられる頂部電極と、
ｃ．該基板の該底面上に位置付けられる底部電極と、
ｄ．該複数のチャネルの外面上に形成される抵抗層であって、該抵抗層は、実質的に一定の抵抗率でオーミック伝導を提供する、抵抗層と、
ｅ．該抵抗層上に形成される放出層であって、該中性子−陽子相互作用生成物は、該複数のチャネルおよび該放出層と相互作用し、該複数のチャネル内でカスケード増幅して中性子の検出に関連した増幅信号を提供する二次電子を生成する、放出層と
を備える、マイクロチャネルプレート。
【請求項２】
前記水素に富むポリマー基板は、２重量パーセント〜６重量パーセントの水素を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３】
前記水素に富むポリマー基板は、少なくともいくつかのプラスチック材料を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項４】
前記水素に富むポリマー基板は、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項５】
前記水素に富むポリマー基板は、ホウ素、リチウムおよびガドリニウムのうちの少なくとも１つでドーピングされている、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項６】
前記複数のチャネルは、特定の狭い円錐角で到達する中性子のために、入射放射線に対する感度が大きく低減されるように配向されている、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項７】
前記抵抗層は、ナノラミネート構造を備え、該抵抗層の抵抗率は、該ナノラミネート構造の組成により決定される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項８】
前記ナノラミネート構造は、金属酸化物導電層および絶縁層の組み合わせを備える、請求項７に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項９】
前記金属酸化物導電層は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄから成る群より選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１０】
前記絶縁層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１１】
前記絶縁層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の少なくとも１つの窒化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１２】
前記抵抗層は、金属酸化物層を備え、該金属酸化物層のドーピングは、前記抵抗率を決定する、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１３】
前記金属酸化物層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕから成る群からの少なくとも１つの元素でドーピングされた絶縁酸化物の合金を含む、請求項１２に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１４】
前記抵抗率および該抵抗率のプロファイルのうちの少なくとも１つは、前記マイクロチャネルプレートの所望の電流出力を達成するように選択される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１５】
前記放出層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１６】
前記放出層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の窒化物を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１７】
前記抵抗層および前記放出層は、単一の層を備える、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１８】
前記抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、前記複数のチャネルから放出されるイオンの数が低減されるように、該複数のチャネルを不動態化するよう選択される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１９】
熱中性子および高速中性子の両方を検出するためのマイクロチャネルプレートであって、
ａ．水素に富むポリマー基板であって、該基板の頂面から該基板の底面まで延在する複数のチャネルを規定する、ホウ素、リチウム、およびガドリニウムのうちの少なくとも１つでドーピングされ、該基板と反応する中性子は、アルファ粒子、Ｌｉ−６原子核、三重陽子、ガンマ線、反跳陽子、およびベータ粒子のうちの少なくとも１つを生成するポリマー基板と、
ｂ．該基板の該頂面上に位置付けられる頂部電極と、
ｃ．該基板の該底面上に位置付けられる底部電極と、
ｄ．該複数のチャネルの外面上に形成される抵抗層であって、実質的に一定の抵抗率でオーミック伝導を提供する抵抗層と、
ｅ．該抵抗層上に形成される放出層であって、該中性子および該ポリマー基板の相互作用により生成されたアルファ粒子、Ｌｉ−６原子核、三重陽子、ガンマ線、反跳陽子、ベータ粒子のうちの少なくとも１つは、放出膜と衝突して、該複数のチャネル内でカスケード増幅して熱中性子および高速中性子の両方の検出に関連した増幅信号を提供する二次電子を生成する、放出層と
を備える、マイクロチャネルプレート。
【請求項２０】
前記マイクロチャネルプレートのバイアス入力に電気接続される出力を有する、バイアス電圧電力供給をさらに備え、該バイアス電圧電力供給は、該マイクロチャネルプレートにおけるユニティゲインを達成するように選択される、バイアス電圧を生成する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２１】
前記マイクロチャネルプレートの出力と結合される入力を有する、電子増幅器をさらに備え、前記電子増幅器は、熱中性子および高速中性子の両方の検出に関連した前記増幅信号をさらに増幅する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２２】
前記増幅信号を受信する入力を有する、信号処理部をさらに備え、前記信号処理部は、熱中性子により生成された信号成分と、高速中性子により生成された信号成分を区別するように、前記増幅信号を処理する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２３】
前記信号処理部は、種々の信号成分の振幅を測定することにより、熱中性子と高速中性子を区別するように、前記増幅信号を処理する、請求項２２に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２４】
前記水素に富むポリマー基板は、少なくとも何らかのプラスチック材料を含む、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２５】
前記水素に富むポリマー基板は、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２６】
前記水素に富むポリマー基板は、ホウ素−１０同位体でドーピングされている、請求項２１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２７】
前記水素に富むポリマー基板は、リチウム−６同位体でドーピングされている、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２８】
前記水素に富むポリマー基板は、ガドリニウム−１５７同位体でドーピングされている、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２９】
前記複数のチャネルは、ある特定の狭い円錐角で到達する中性子のために、入射放射線に対する感度が大きく低減されるように配向している、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３０】
前記抵抗層は、ナノラミネート構造を備え、所定の抵抗率は、該ナノラミネート構造の組成により決定される、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３１】
前記ナノラミネート構造は、金属酸化物導電層および絶縁層の組み合わせを備える、請求項３０に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３２】
前記抵抗層は、金属酸化物層を備え、該金属酸化物層のドーピングは、前記抵抗率を決定する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３３】
前記抵抗層および前記放出層は、単一の層を備える、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３４】
前記抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、前記複数のチャネルから放出されるイオンの数が低減されるように、該複数のチャネルを不動態化するよう選択される、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１】
中性子を検出するためのマイクロチャネルプレートであって、該マイクロチャネルプレートは、
ａ．水素に富むポリマー基板であって、該ポリマー基板は、該基板の頂面から該基板の底面まで延在する複数のチャネルを規定し、該複数のチャネルと相互作用する中性子は、中性子−陽子相互作用生成物と二次電子とを生成する、ポリマー基板と、
ｂ．該基板の該頂面上に位置付けられる頂部電極と、
ｃ．該基板の該底面上に位置付けられる底部電極と、
ｄ．該複数のチャネルの外面上に形成される抵抗層であって、該抵抗層は、実質的に一定の抵抗率でオーミック伝導を提供する、抵抗層と、
ｅ．該抵抗層上に形成される放出層であって、該中性子−陽子相互作用生成物は、該複数のチャネルおよび該放出層と相互作用し、該複数のチャネル内でカスケード増幅して中性子の検出に関連した増幅信号を提供する二次電子を生成する、放出層と
を備える、マイクロチャネルプレート。
【請求項２】
前記水素に富むポリマー基板は、２重量パーセント〜６重量パーセントの水素を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３】
前記水素に富むポリマー基板は、少なくともいくつかのプラスチック材料を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項４】
前記水素に富むポリマー基板は、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項５】
前記水素に富むポリマー基板は、ホウ素、リチウムおよびガドリニウムのうちの少なくとも１つでドーピングされている、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項６】
前記複数のチャネルは、特定の狭い円錐角で到達する中性子のために、入射放射線に対する感度が大きく低減されるように配向されている、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項７】
前記抵抗層は、ナノラミネート構造を備え、該抵抗層の抵抗率は、該ナノラミネート構造の組成により決定される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項８】
前記ナノラミネート構造は、金属酸化物導電層および絶縁層の組み合わせを備える、請求項７に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項９】
前記金属酸化物導電層は、Ｚｎ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｒｕ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＣｄから成る群より選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１０】
前記絶縁層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１１】
前記絶縁層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の少なくとも１つの窒化物を含む、請求項８に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１２】
前記抵抗層は、金属酸化物層を備え、該金属酸化物層のドーピングは、前記抵抗率を決定する、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１３】
前記金属酸化物層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕから成る群からの少なくとも１つの元素でドーピングされた絶縁酸化物の合金を含む、請求項１２に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１４】
前記抵抗率および該抵抗率のプロファイルのうちの少なくとも１つは、前記マイクロチャネルプレートの所望の電流出力を達成するように選択される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１５】
前記放出層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１６】
前記放出層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｓ、Ｂ、Ｎｂ、Ｂｅ、およびＣｒから成る群より選択される少なくとも１つの元素の窒化物を含む、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１７】
前記抵抗層および前記放出層は、単一の層を備える、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１８】
前記抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、前記複数のチャネルから放出されるイオンの数が低減されるように、該複数のチャネルを不動態化するよう選択される、請求項１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項１９】
熱中性子および高速中性子の両方を検出するためのマイクロチャネルプレートであって、
ａ．水素に富むポリマー基板であって、該基板の頂面から該基板の底面まで延在する複数のチャネルを規定する、ホウ素、リチウム、およびガドリニウムのうちの少なくとも１つでドーピングされ、該基板と反応する中性子は、アルファ粒子、Ｌｉ−６原子核、三重陽子、ガンマ線、反跳陽子、およびベータ粒子のうちの少なくとも１つを生成するポリマー基板と、
ｂ．該基板の該頂面上に位置付けられる頂部電極と、
ｃ．該基板の該底面上に位置付けられる底部電極と、
ｄ．該複数のチャネルの外面上に形成される抵抗層であって、実質的に一定の抵抗率でオーミック伝導を提供する抵抗層と、
ｅ．該抵抗層上に形成される放出層であって、該中性子および該ポリマー基板の相互作用により生成されたアルファ粒子、Ｌｉ−６原子核、三重陽子、ガンマ線、反跳陽子、ベータ粒子のうちの少なくとも１つは、放出膜と衝突して、該複数のチャネル内でカスケード増幅して熱中性子および高速中性子の両方の検出に関連した増幅信号を提供する二次電子を生成する、放出層と
を備える、マイクロチャネルプレート。
【請求項２０】
前記マイクロチャネルプレートのバイアス入力に電気接続される出力を有する、バイアス電圧電力供給をさらに備え、該バイアス電圧電力供給は、該マイクロチャネルプレートにおけるユニティゲインを達成するように選択される、バイアス電圧を生成する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２１】
前記マイクロチャネルプレートの出力と結合される入力を有する、電子増幅器をさらに備え、前記電子増幅器は、熱中性子および高速中性子の両方の検出に関連した前記増幅信号をさらに増幅する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２２】
前記増幅信号を受信する入力を有する、信号処理部をさらに備え、前記信号処理部は、熱中性子により生成された信号成分と、高速中性子により生成された信号成分を区別するように、前記増幅信号を処理する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２３】
前記信号処理部は、種々の信号成分の振幅を測定することにより、熱中性子と高速中性子を区別するように、前記増幅信号を処理する、請求項２２に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２４】
前記水素に富むポリマー基板は、少なくとも何らかのプラスチック材料を含む、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２５】
前記水素に富むポリマー基板は、ポリカーボネート、Ｋａｐｔｏｎ、Ｒａｄｅｌ Ｒ、およびＵｄｅｌ材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２６】
前記水素に富むポリマー基板は、ホウ素−１０同位体でドーピングされている、請求項２１に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２７】
前記水素に富むポリマー基板は、リチウム−６同位体でドーピングされている、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２８】
前記水素に富むポリマー基板は、ガドリニウム−１５７同位体でドーピングされている、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項２９】
前記複数のチャネルは、ある特定の狭い円錐角で到達する中性子のために、入射放射線に対する感度が大きく低減されるように配向している、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３０】
前記抵抗層は、ナノラミネート構造を備え、所定の抵抗率は、該ナノラミネート構造の組成により決定される、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３１】
前記ナノラミネート構造は、金属酸化物導電層および絶縁層の組み合わせを備える、請求項３０に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３２】
前記抵抗層は、金属酸化物層を備え、該金属酸化物層のドーピングは、前記抵抗率を決定する、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３３】
前記抵抗層および前記放出層は、単一の層を備える、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【請求項３４】
前記抵抗層の厚さおよび組成のうちの少なくとも１つは、前記複数のチャネルから放出されるイオンの数が低減されるように、該複数のチャネルを不動態化するよう選択される、請求項１９に記載のマイクロチャネルプレート。
【図２】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図６】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図５】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図６】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図３Ｆ】
【図５】
【公表番号】特表２０１１−５２５２４６（Ｐ２０１１−５２５２４６Ａ）
【公表日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１４８４８（Ｐ２０１１−５１４８４８）
【出願日】平成２１年６月１９日（２００９．６．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７９７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３９３００
【国際公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（５１０３３３９２２）アーレディエンス， インコーポレイテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１９日（２００９．６．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４７９７７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３９３００
【国際公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（５１０３３３９２２）アーレディエンス， インコーポレイテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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