(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口と前記第１の開口と反対側に位置する第２の開口とを有するケースと、
前記ケースの前記第１の開口側に設けられて、入射された光に対応して電子を放出する光電面をもった入力面板と、
前記ケースの前記第２の開口側に設けられて、前記入力面板と共に真空領域を規定するステムと、
前記ステムの真空側に固着して、前記光電面より放出した電子が照射される電子入射面を有する半導体素子と、
前記半導体素子と前記光電面との間で前記半導体素子の近くに位置して、電子を通過させる開口部をもったアノード電極とを備えた電子管において、
前記ケースは、
前記光電面側に位置して、前記光電面から放出した電子を前記半導体素子に照射する電子レンズを前記アノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が前記入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、
前記ステム側に位置して、一端を前記ステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、
前記カソード電極と前記溶接電極との間に位置して、一端を前記カソード電極の他端に固定すると共に、他端を前記溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、
前記バルブを少なくとも２分割させると共に前記バルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、
前記カソード電極の外形と前記バルブの外形と前記溶接電極の筒状本体の外形とを略同じにし、前記カソード電極の内径を前記バルブの内径より小さくし、前記筒体をなす前記カソード電極及び前記バルブの厚み部分は中実をなし、前記カソード電極が前記バルブより肉厚に形成され、
前記カソード電極の前記一端から前記他端に亘って、前記カソード電極の内周壁面は前記バルブの内周壁面より内側に位置し、前記中間電極は、前記バルブの内周壁面から内方に突出することを特徴とする電子管。
【請求項２】
前記カソード電極の外形と前記バルブの外形と前記溶接電極の前記筒状本体の外形と前記中間電極の外形とを略同じにしたことを特徴とする請求項１記載の電子管。
【請求項３】
前記溶接電極は、前記ステムに抵抗溶接で接続されたことを特徴とする請求項１又は２項記載の電子管。
【請求項４】
前記溶接電極に設けられた前記筒状本体の一端には、外方に突出する第１フランジ部が形成され、前記筒状本体の他端には、内方に突出する第２フランジ部が形成され、前記ステムの外周には、前記溶接電極の第１フランジ部に嵌合する切欠き縁部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電子管。
【請求項５】
前記カソード電極には前記光電面と同一の電圧を供給し、前記アノード電極には前記溶接電極と同一の電圧を供給し、前記中間電極には、前記カソード電極の電圧と前記アノード電極の電圧のぼぼ中間の電圧を供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の電子管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な光を定量的に計測するための光検出器として利用され、特に、光電面より放出された電子を増倍して出力する半導体素子をもった電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光の入射によって光電面より放出された電子を、電子レンズで加速・収束した後、半導体素子に入射して高いゲインを得る電子管が知られている。この電子管は、例えば、特開平５−５４８４９号公報、特開平７−３２０６８１号公報、文献  “Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A330(1993)93-99"「Test results of the first Proximity Focused Hybrid Photodiode Detector prototypes」(著者 S.Base et all)などに開示されている。特に、この文献には、図７に示す電子管が開示され、この電子管は電気絶縁性のバルブ１０２を有し、このバルブ１０２によりアノード電極１００とカソード電極１０１との間で電気絶縁性を確保させている。また、バルブ１０２の径に対してカソード電極１０１の径を大きくすることにより、光電面１０３を大きくし、半導体素子１０４の有効面積（例えば１００ｍｍ2）を大きくしている。従って、図７に示した電子管は大型であることが判る。また、この電子管に採用されているカソード電極１０１は、円筒状の２枚の平板１０１ａ，１０１ｂを並設させることにより中空状に形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示した電子管のカソード電極１０１は、２枚の平板１０１ａ，１０１ｂを組み合わせることにより、様々な大きさや形状のものを可能にするが、中空状になっているため、大型の電子管には適しているが、小型（例えば直径１０ｍｍ程度）の電子管ではこの中空部分を確保しにくい。また、このようなカソード電極１０１は、２枚の平板１０１ａ，１０１ｂをプレス加工した後、溶接等で接合させる必要があるので、組立て作業効率が悪いといった問題点があった。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、特に、小型化が可能であり、組立て作業性の極めて良い電子管を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による電子管は、第１の開口と第１の開口と反対側に位置する第２の開口とを有するケースと、ケースの第１の開口側に設けられて、入射された光に対応して電子を放出する光電面をもった入力面板と、ケースの第２の開口側に設けられて、入力面板と共に真空領域を規定するステムと、ステムの真空側に固着して、光電面より放出した電子が照射される電子入射面を有する半導体素子と、半導体素子と光電面との間で半導体素子の近くに位置して、電子を通過させる開口部をもったアノード電極とを備えた電子管において、
ケースは、光電面側に位置して、光電面から放出した電子を半導体素子に照射する電子レンズをアノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、ステム側に位置して、一端をステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、カソード電極と溶接電極との間に位置して、一端をカソード電極の他端に固定すると共に、他端を溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、バルブを少なくとも２分割させると共にバルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、
カソード電極の外形とバルブの外形と溶接電極の筒状本体の外形とを略同じにし、カソード電極の内径をバルブの内径より小さくし、筒体をなすカソード電極及びバルブの厚み部分は中実をなし、カソード電極がバルブより肉厚に形成され、
カソード電極の一端から他端に亘って、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出することを特徴とする。
【０００６】
この電子管においては、外部から入力面板に入射した光は光電面によって電子に変換され、電子は、カソード電極とアノード電極と中間電極との協働により形成される電子レンズ効果により収束させながら、半導体素子の電子入射面に到達する。ここで、カソード電極はリング体を構成しているので、コバール金属等の導電性の良い材料を利用して、プレス成形又は射出成形又は切削加工等の様々な一体成形方法で簡単に作り出すことができる。しかも、小さなカソード電極が要求される場合でも簡単に具現化することができ、電子管の小型化を更に促進させることができる。また、カソード電極、バルブ、中間電極及び溶接電極がそれぞれリング状に形成されているので、ケースを形成する際、同心状に簡単に積層させることができ、ケースの組立て作業が容易になる。そして、電子管の小型化により、限られたスペースに１０００本〜１万本の電子管を並べて使用する高エネルギ分野や医療機器分野からの強い要求に応えることができる。また、ケースのカソード電極と入力面板との間に低融点金属（例えばインジウム）を介在させ、真空になったトランスファー装置内で、入力面板とカソード電極とを互いに押し付け合いながら、１００ｋｇ程度の高圧をかけることにより電子管内に真空領域を簡単に作り出すことができる。従って、ケースに排気管を突設させる必要がなくなり、トランスファー装置内で電子管を大量生産することができる。
さらに、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出する。このように構成することで、光電面側の意図しない場所で生じた迷走電子がバルブに衝突するのを防止し、迷走電子の衝突によって発生するバルブの帯電や、これに起因する電子軌道への影響をなくすことができる。
【０００７】
この場合、カソード電極の外形とバルブの外形と溶接電極の筒状本体の外形と中間電極の外形とを略同じにすると好ましい。このように構成することで、ケースの外面から凹凸を無くすことができ、引っ掛かりの無いシンプルな形状にすることができる。従って、多数本の電子管を密に配列させることができ、取り扱い易い電子管が可能になり、しかも、１５０ｋｇの高圧に耐え得る構造を可能にしている。
【０００９】
また、溶接電極は、ステムに抵抗溶接で接続させると好ましい。この場合、ケースの溶接電極にステムを抵抗溶接することで、ケースの第２の開口をステムによって簡単に塞ぐことができる。
【００１０】
また、溶接電極に設けられた筒状本体の一端には、外方に突出する第１フランジ部が形成され、筒状本体の他端には、内方に突出する第２フランジ部が形成され、ステムの外周には、溶接電極の第１フランジ部に嵌合する切欠き縁部が形成されていると好ましい。このように構成することで、溶接電極の第１フランジ部をステムの切欠き縁部に嵌合させて抵抗溶接するだけの簡単な組付け作業で、溶接電極とステムとを接合させることがでる。更に、ステムに対するケースの着座性を良くすることもできる。また、溶接電極の第２フランジ部を電子管内に突出させているので、この第２フランジ部自体をアノード電極として機能させることもでき、第２フランジ部に任意の形状のアノード電極を溶接等で簡単に固定させることもできる。
【００１１】
また、カソード電極には光電面と同一の電圧を供給し、アノード電極には溶接電極と同一の電圧を供給し、中間電極には、カソード電極の電圧とアノード電極の電圧のぼぼ中間の電圧を供給すると好ましい。このように構成することで、高い負電圧を光電面に印加しても絶縁破壊が起こることがなくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による電子管の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る電子管の第１実施形態を示す断面図である。同図に示すように、電子管１は円筒状のケース１０を有し、このケース１０は、導電性の良いコバール金属を利用して、プレス成形又は射出成形又は切削加工等の様々な一体成形方法により作り出されたリング状の筒体をなすカソード電極１１と、電気絶縁性材料（例えばセラミック）からなるリング状の筒体をなすバルブ１２と、コバール金属からなるリング状の筒体をなす溶接電極１３と、バルブ１２を２分割することで形成された第１バルブ１２Ａと第２バルブ１２Ｂとの間で、挟むようにして固定させたコバール金属製のリング状中間電極９０とから構成され、これら部材１１，１２，１３及び９０は互いに同心状且つ管軸方向に積層配置されている。また、中間電極９０をもったバルブ１２は、カソード電極１１と溶接電極１３との間に設けられ、バルブ１２の一端は、カソード電極１１のフラットな端面１１ａに突き合わせた後、ろう付け等で固定され、バルブ１２の他端は、溶接電極１３のフラットな端面１３ａに突き合わせた後、ろう付け等で固定されている。また、バルブ１２は、第１バルブ１２Ａと第２バルブ１２Ｂとで中間電極９０の外周端部を挟み、接合部分にろう付け作業を施すことで形成される。従って、ケース１０は、ろう付けにより簡単に一体化が図られる。
【００１４】
更に、カソード電極１１とバルブ１２と溶接電極１３の筒状本体１３Ａとは略同じ外形（この場合「例えば直径１４ｍｍの円形」）に形成されている。従って、ケース１０の外面から凹凸を無くすことができ、引っ掛かりの無いシンプルな形状にすることができる。その結果、狭い空間においても多数本の電子管を密に配列させることができ、取り扱い易い電子管が可能になり、しかも高圧に耐え得る構造を可能にしている。なお、リング体をなすカソード電極１１、バルブ１２、中間電極９０及び溶接電極１３の外形は多角形であってもよい。
【００１５】
カソード電極１１の内周壁面１１ｂは、その全面に亘ってバルブ１２の内周壁面１２ａより内側に位置し、バルブ１２の内径に対してカソード電極１１の内径を小さくしている。従って、後述する光電面２２側の意図しない場所で生じた迷走電子がバルブ１２に衝突するのを防止でき、迷走電子の衝突によって発生するバルブ１２の帯電や、これに起因する電子軌道への影響をなくすことができる。この場合、内周壁面１１ｂ及び１２ａはそれぞれ円形に形成され、カソード電極１１の内径は例えば１０ｍｍ、バルブ１２の内径は例えば１１ｍｍで形成されている。カソード電極１１及びバルブ１２の厚み部分は中実をなし、カソード電極１１がバルブ１２より肉厚に形成されている。なお、内周壁面１１ｂと内周壁面１２ａとの形状は同じであっても異なっていてもよく、円形であっても多角形であってもよい。この場合、カソード電極１１の長さは３．５ｍｍが好適であり、第１バルブ１２Ａの長さは３．５ｍｍ、第２バルブ１２Ｂの長さは３ｍｍが好適である。
【００１６】
ここで、中間電極９０は、バルブ１２の内周壁面１２ａから内方に突出し、中間電極９０の開口部９０ａの内径は、電子軌道に干渉しない範囲内で極力小さくなっている（好適には７ｍｍである）。従って、迷走電子によるバルブ１２の帯電が防止されると共に、仮に何らかの理由でバルブ１２が帯電しても、電子軌道に近い空間の電位を中間電極９０により固定させているので、バルブ１２の帯電が電子軌道に悪影響を与えるのを防止することができる。なお、中間電極９０の厚さは、０．５ｍｍが好適である。
【００１７】
ケース１０のカソード電極１１には、光を透過させるガラス製の入力面板２１が固設され、この入力面板２１は、内側に光電面２２を有すると共に、ケース１０の第１の開口１４側に配置されている。そして、この入力面板２１は、光電面２２を作製した後、低融点金属（この場合「インジウム」）２３を介してカソード電極１１の端部に一体化されている。光電面２２の周辺部分には、光電面２２とインジウム２３とを電気的に接続するように、クロムの薄膜よりなる光電面電極２５が配置されている。そして、光電面電極２５の内径８ｍｍが光電面２２の有効径を規定している。また、インジウム２３は、中空円筒状の支持体２４の内側面で突出するように形成されている。そこで、カソード電極１１の上にインジウム２３、入力面板２１の順に配置し、カソード電極１１と入力面板２１とを１００ｋｇ程度の高圧で互いに押し付けることにより、インジウム２３が変形して接着剤として機能し、入力面板２１はケース１０と一体化する。
【００１８】
ケース１０の溶接電極１３には導電性材料（例えばコバール金属）よりなる円盤状のステム３１が固設され、このステム３１は、ケース１０の第２の開口１５側に配置されている。ここで、溶接電極１３の筒状本体１３Ａの一端には、ステム３１との接合に利用するために外方に突出した円形の第１フランジ部１３Ｂが形成され、筒状本体１３Ａの他端には、バルブ１２との接合に利用するために内方に突出した円形の第２フランジ部１３Ｃが形成されている。また、ステム３１の外周には、第１フランジ部１３Ｂに嵌合させるための円形の切欠き縁部３１ａが形成されている。従って、溶接電極１３の第１フランジ部１３Ｂをステム３１の切欠き縁部３１ａに嵌合させ、抵抗溶接を施すだけの簡単な組立て作業で、溶接電極１３とステム３１とを簡単に接合させることができる。また、抵抗溶接中において、ステム３１に対するケース１０の着座性は極めて良い。なお、ステム３１にはガラス３４で絶縁された貫通ピン３２が固定され、電子管１は、ケース１０と入力面板２１とステム３１とで一体化され、真空気密を保持している。
【００１９】
図２に示すように、ステム３１における真空側の面上には、ＡＰＤ（アバランシェ・フォトダイオード）として動作する半導体素子４０が導電性の接着剤５０を介して固着されている。半導体素子４０は、ｎ型の高濃度シリコン基板４１を基板材料とし、中央部分には円板状でｐ型のキャリア増倍層４２が形成されている。このキャリア増倍層４２の外周には、キャリア増倍層４２と同じ厚さで高濃度ｎ型層よりなるガードリング層４３が形成されている。キャリア増倍層４２の表面には、高濃度ｐ型層よりなる降伏電圧制御層４４が形成されている。この降伏電圧制御層４４の表面は電子入射面４４ａとして形成され、降伏電圧制御層４４の周辺部分とガードリング層４３とを架け渡すように、酸化膜４５及び窒化膜４６が形成されている。降伏電圧制御層４４にアノード電位を供給するために、半導体素子４０の最外面には、円環状にアルミを蒸着して形成された入射面電極４７が設けられている。更に、半導体素子４０の最外面には、ガードリング層４３と導通する周辺電極４８が設けられ、この周辺電極４８は、入射面電極４７に対して所定の間隔をもって離間させられている。なお、電子入射面４４ａの直径は入射面電極４７の内方で３ｍｍが好適である。
【００２０】
この半導体素子４０の高濃度ｎ型シリコン基板４１は導電性接着剤５０を介してステム３１に固着され、この導電性接着剤５０を利用することで、ステム３１と高濃度ｎ型基板４１とは電気的に導通する。また、半導体素子４０の入射面電極４７は、ステム３１と絶縁させた貫通ピン３２に対してワイヤー３３により接続されている。
【００２１】
図１及び図２に示すように、半導体素子４０と中間電極９０との間には板状のアノード電極６０が配置され、このアノード電極６０の外周端部は溶接電極１３の第２フランジ部１３Ｃに固定されている。また、アノード電極６０は、半導体素子４０に近い側に位置すると共に、厚さ０．３ｍｍのステンレス製の薄板をプレス加工することで形成されている。なお、アノード電極６０と半導体素子４０との間隔は１ｍｍが好適である。
【００２２】
このアノード電極６０の中央には、半導体素子４０の電子入射面４４ａに対峙させた開口部６１が形成され、アノード電極６０には、開口部６１を包囲するように突出した円筒状のコリメーター部（コリメーター電極）６２が一体に形成され、このコリメーター部６２は、光電面２２に向けて突出すると共に、開口部６１に対して同心的に配置されている。また、このコリメーター部６２の内径は２．５ｍｍが好適であり、この高さは１．５ｍｍが好適である。なお、アノード電極６０は、溶接電極１３の第２フランジ部１３Ｃの延長上に予め形成させておいて、溶接電極１３がアノード電極６０を兼ねるように構成することも可能である。
【００２３】
次に、前述した構成に基づき、電子管１の組立について説明する。先ず、ステム３１に半導体素子４０をダイボンドし、続いて、ワイヤー３３にて入射面電極４７と貫通ピン３２を結線する。一方、ケース１０の溶接電極１３には、アノード電極６０を抵抗溶接にて固着し、溶接電極１３とステム３１とを抵抗溶接にて固着させる。そして、入力面板２１と、インジウム２３と、ステム３１を一体化したケース１０とを、別体にした状態でトランスファー装置と呼ばれる真空装置に入れ、３００℃、１０時間程度のべ一キングを施した後、入力面板２１の片側に光電面２２を作製する。この光電面２２は、アンチモンを蒸着後、カリウム、ナトリウム、セシウムの蒸気を順に導入することで作製される。あるいは、予め入力面板２１と一体化させているＧａＡｓ結晶にセシウム蒸気と酸素とを交互に導入することでも形成可能である。
【００２４】
このようにして入力面板２１に光電面２２を形成後、ケース１０と入力面板２１とをインジウム２３を介して接合させ、１００ｋｇ程度の圧力をかけることで、最も柔軟なインジウム２３が押しつぶされる。その結果、インジウム２３が接着剤として機能し真空気密を保持することで、電子管１内に真空が作り出される。最後に、トランスファー装置の真空をリークして、一連の行程を終了する。通常、トランスファー装置における電子管１の作製では、５０本程度の材料を一度にセットして、光電面２２を作製する。従って、このような製造方法では、大量の電子管１を均質に安く製造することができる。
【００２５】
図１に示すように、電子管１の光電面２２及びカソード電極１１には−１２ｋＶを印加し、アノード電極６０はアースして０Ｖを印加し、中間電極９０にはその中間の−６ｋＶを印加する。このとき、カソード電極１１とアノード電極６０と中間電極９０との協働で電子レンズを形成し、有効径８ｍｍの光電面２２から放出された電子は、コリメーター部６２の内径より小さい直径２ｍｍに縮小して半導体素子４０の電子入射面４４ａに導入される。一方、半導体素子４０にはｐｎ接合に逆バイアスが印加されるように、半導体素子４０の降伏電圧制御層（アノ−ド）４４に−１５０Ｖを印加し、シリコン基板４１（カソード）をアースして０Ｖを印加する。従って、ＡＰＤには約５０倍のアバランシエ増倍ゲインが得られる。なお、光電面２２の電圧とアノード電極６０の電圧との中間の電圧を中間電極９０に印加する方法としては、コッククロフトウォルトン型の電源で実現できる。また、抵抗を用いて電圧を分割する方法でもよい。
【００２６】
そこで、電子管１に光が入射すると、光電面２２から真空中に電子が放出され、この電子は電子レンズにて加速されると共に収束されて、１２ｋｅＶのエネルギ−をもってＡＰＤ４０の電子入射面４４ａに入射する。この電子は、ＡＰＤ４０内でエネルギーを３．６ｅＶ失う毎に１個づつの電子−正孔対を生成するので、この最初の増倍過程で約３０００倍になり、続くアバランシエ増倍でさらに５０倍になるので、トータルで約２×１０5のゲインとなる。
【００２７】
この電子管１では、通常の光電子増倍管（以下「ＰＭＴ」という）に比べて、初段の増倍率が３０００と、約３桁高いので、Ｓ／Ｎの非常によい検出が可能である。現に、非常に微弱なパルス光が入射して、平均４電子程度が光電面２２から放出されたとき、従来のＰＭＴでは、弁別できなかった入力光電子数（入射光子数）を弁別できるようになった。前述した電子管１で得られるこのような特性は、生体微量物質から放出される蛍光を定量的に観察する際に非常に有効である。そして、電子管１自体が、長期に渡って安定に動作することは非常に重要なことである。
【００２８】
一般的な電子管において、絶縁物であるバルブは、電位的に按分された状態から、迷走電子やイオン或いはＸ線の影響で帯電する。そして、バルブの内周壁面の帯電が絶縁破壊のトリガーとなる。
【００２９】
しかしながら、本実施形態の電子管１において、セラミック製バルブ１２は、同心状の第１バルブ１２Ａと第２バルブ１２Ｂとで二分割され、バルブ１２Ａ，１２Ｂ間に中間電極９０が挿入され、中間電極９０には光電面２２とアノード電極６０との中間的な電圧が印加されているので、高い負電圧を光電面２２に印加しても絶縁破壊がおこらない。そして、セラミック製のバルブ１２の中間に中間電極９０が挿入されてるので、迷走電子、イオン、Ｘ線等によるバルブ１２の帯電が起こりにくい。さらに、バルブ１２が仮に帯電しても、中間電極９０は中間的な電位で固定されているので、バルブ１２の絶縁破壊には至らない。従って、この電子管１において、光電面２２に高い負電圧を印加しても高いゲインを得ることができる。
【００３０】
なお、中間的な電位で固定された中間電極９０の開口部９０ａは、電子軌道に干渉しない程度の最小限な大きさに設定されているので、電子軌道に近い空間の電位を固定し、バルブ１２の内周壁面１２ａの帯電が電子軌道に与える影響を抑制することができる。
【００３１】
また、電子管１において、半導体素子４０の電子入射面４４ａには−１５０Ｖが印加され、電子入射面４４ａはアノード電極６０に対して負電位に保たれるので、入射電子によって電子入射面４４ａに吸着したガス分子が正にイオン化しても光電面２２まで戻ることはない。従って、電子管１は、長期間に渡って安定な動作をする。そして、アノード電極６０に設けたコリメーター部６２は、光電面２２側からアノード電極６０の開口部６１を超えて半導体素子４０に向かう電界の侵入を最小限に抑制し、イオンフィードバックの防止効果を増強する。
【００３２】
次に、図３及び図４に基づいて、本発明の第２実施形態に係る電子管１００を説明する。なお、以下、第１実施形態との相違点について説明すると共に、図面において、第１実施形態の電子管１と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３３】
図３に示すように、電子管１００は、カソード電極１１の長さを２ｍｍとし、バルブ１２を第１〜第４のバルブ１２Ｃ〜１２Ｆで４分割し、各バルブ１２Ｃ〜１２Ｆ間でそれぞれ挟むように固定させた中間電極９０Ａを３枚の第１〜第３中間電極９１〜９３で形成している点、半導体素子８０としてＰＤ（フォトダイオード）を用いた点が電子管１と相違している。この第２実施形態では、カソード電極１１の長さの変更によって電子レンズの作用が変化し、有効径８ｍｍの光電面２２から放出した電子は、直径約５ｍｍに集束して半導体素子８０に入射する。更に、アノード電極７０は、溶接電極１３の第２フランジ部１３Ｃの延長上に予め形成させておいて、溶接電極１３がアノード電極７０を兼ねるように構成している。
【００３４】
このように構成した電子管１００は、１Ｔ（テスラ）を越える強磁界中での使用も想定している。このような強磁場中では、電子の進行方向は磁界の向きによってのみ決定され、電界は単に電子を加速するだけにしか使えない。すなわち、このような高磁界中では、電界による電子レンズを作用させることができない。従って、実質的な光電面２２の有効径は半導体素子８０の電子入射面８４ａの大きさで制限される。そこで、極力大きな光電面２２の有効径を確保するために、大きな電子入射面８４ａを有する半導体素子８０が必要となる。
【００３５】
図４に示すように、ＰＤである半導体素子８０は、高抵抗ｎ型ウェファの裏面からｎ型の不純物であるリンを高濃度に深く拡散させた拡散ウェファを基板材料とし、裏面がｎ型高濃度コンタクト層８１となった高抵抗ｎ型基板８２の表面の周辺部分にリンを高濃度にイオン注入して形成したｎ型チャンネルストップ層８３を有している。また、基板８２の表面の中央部分には、ボロンを高濃度に拡散して形成した円板状のｐ型入射面層（降伏電圧制御層）８４が形成され、入射面層８４の周辺部分には、チャンネルストップ層８３の表面を覆う酸化膜８５及び窒化膜８６が設けられている。更に、入射面層８４には、これに接触して入射面層８４に電圧を供給するアルミ膜の入射面電極８７が設けられ、入射面電極８７と離間した位置には、チャンネルストップ層８３と接触しているアルミ膜の帯電防止電極８８が設けられている。このＰＤ８０の電子入射面８４ａは、実質的には、入射面電極８７の内径で規定されている。電子入射面８４ａの直径は７．２ｍｍが好適である。
【００３６】
そこで、電子管１００の光電面２２及びカソード電極１１には−１６ｋＶ、アノード電極７０には＋５０Ｖを印加する。第１〜第３中間電極９１〜９３のそれぞれには、光電面２２とアノード電極７０との間の電圧を按分するように、−１２ｋＶ、−８ｋＶ及び−４ｋＶを印加する。このとき、カソード電極１１とアノード電極７０と中間電極９０Ａとの協働により電子レンズが形成され、有効径８ｍｍの光電面２２から放出した電子をアノード電極７０の開口部７１より小さい直径５ｍｍに縮小してＰＤである半導体素子８０の電子入射面８４ａに導入する。一方、ＰＤ８０には逆バイアスがかけられ、ＰＤ８０のカソード側には、ステム３１を介して＋５０Ｖが印加され、アノード側には、貫通ピン３２及びワイヤー３３を介して外部回路（処理回路）のグランド電位が印加される。そして、貫通ピン３２より直流信号成分が出力される。
【００３７】
以上の電子管１００に光が入射すると、光電面２２から真空中に電子が放出する。この電子はカソード電極１１と中間電極９０Ａとアノード電極７０との協働で形成される電子レンズにて加速されると共に収束されて、中間電極９０Ａの開口部９０Ａａ及びアノード電極７０の開口部７１を通過した後、１６ｋｅＶのエネルギーを有してＰＤ８０に入射する。この電子は、ＰＤ８０内でエネルギーを３．６ｅＶ失う毎に１個づつの電子−正孔対を生成し、約４０００倍され、これが電子管１００のゲインとなる。
【００３８】
また、セラミック製バルブ１２を中間電極９０Ａで４分割し、第１〜第３の中間電極９１〜９３のそれぞれに、光電面２２とアノード電極７０との間を按分する電圧を印加している。従って、高い負電圧を光電面２２に印加しても絶縁破壊がおこらず、より高い打ち込みゲインを得ることができる。さらに、電子軌道に近い部分の空間の電位は中間電極９０Ａによって固定されるので、仮にバルブ１２の内周壁面１２ａが帯電しても、電子軌道に影響を与えない。
【００３９】
前述した電子管１００は、加速器を使った高エネルギー実験でも使用される。この実験では、４Ｔ（テスラ）の高磁界を発生する実験装置中に１万本を配置し、シンチレーターの発光を捕らえる。ここで、限られた実験スペースに多数の電子管を並べて配置するとき、電子管のサイズが小さいことや、特性が均一であることも重要である。そこで、この電子管１００は、インジウム２３による真空シール法を適用しているので、サイズを小さくできる。また、電子管１００は、トランスファー装置内で、同時に且つ大量に作製されるので、光電面２２の感度等の特性がそろった均質な電子管を実現できる。
【００４０】
さらに、電子管１００においては、光電面２２から放出した電子を遮る遮蔽物がないので、高い磁場中でも、大きな有効径が得られる。一般に、４Ｔ程度の高磁界中では電界による電子レンズを作用することができないので、光電面２２から放出した電子を電界を使って小さく集束させることはできない。そこで、このような使用に耐える電子管１００では、有効径８ｍｍの光電面２２と、これにほぼ同等な有効径７．２ｍｍの電子入射面８４ａをもつ半導体素子８０とを配置し、それらの間には、直径７ｍｍの開口部７１を持つアノード電極７０のみを配置している。そして、管軸と同じ向きをもった４Ｔの高磁界中で電子管１００を動作させたとき、光電面２２の中心領域（直径７ｍｍの部分）から放出した電子は、遮られることなく半導体素子８０に入射する。よって、この電子管１００では、高磁界中で７ｍｍの有効径が得られる。なお、言うまでもないが、このような高磁界中において一般的な光電子増倍管（ＰＭＴ）は使用できない。
【００４１】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施形態の電子管１００において、図５及び図６に示すように、アノード電極７０の開口部７１に格子状のメッシュ電極７２を配置させてもよい。このメッシュ電極７２は、ステンレス製のアノード電極７０を部分的にエッチングすることで作り出される。この場合、メッシュ電極７２の線幅は５０ミクロンで、ピッチは１．５ｍｍである。電子は、このようなメッシュ電極７２の開口率（９３％）の分だけ透過する。
【００４２】
アノード電極７０の開口部７１にメッシュ電極７２を設けた理由としては、アノード電極７０の開口部７１を半導体素子８０の電子入射面８４ａに合わせて大きくしたためである。すなわち、アノード電極７０の開口部７１を大きくすると、光電面２２側のマイナスの電位の谷が開口部よりしみこんで、半導体素子８０の電子入射面８４ａで発生した正イオンのフィードバックを抑制させる効果が低減するためである。そこで、メッシュ電極７２を追加すると光電面２２からのマイナスの電位が電子入射面８４側に侵入するのを防止できるので、イオンのフィードバック抑制効果を維持することができる。なお、アノード電極７０の開口部７１の最大径はＰＤ８０の電子入射面８４ａより小さくなっている。
【００４３】
【発明の効果】
本発明による電子管は、以上のように構成されているため、次のような効果を得る。
【００４４】
すなわち、ケースは、光電面側に位置して、光電面から放出した電子を半導体素子に照射する電子レンズをアノード電極との協働で形成し、導電性材料で一体成形されると共に、一端が入力面板に低融点金属を介して接続されたリング状の筒体をなすカソード電極と、ステム側に位置して、一端をステムに固定させたリング状の筒体をなす溶接電極と、カソード電極と溶接電極との間に位置して、一端をカソード電極の他端に固定すると共に、他端を溶接電極の他端に固定して、電気絶縁性材料からなるリング状の筒体をなすバルブと、バルブを少なくとも２分割させると共にバルブの分割部分に介挿させたリング状の中間電極とが、同心状且つ管軸方向に積層配置され、カソード電極の内周壁面はバルブの内周壁面より内側に位置し、中間電極は、バルブの内周壁面から内方に突出することにより、小型化が可能となり、限られた狭いスペースに多数の電子管を密に配列させることができ、組立て作業性の極めて良い電子管が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子管の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の電子管に利用される半導体素子を示す断面図である。
【図３】本発明に係る電子管の第２実施形態を示す断面図である。
【図４】図３の電子管に利用される半導体素子を示す断面図である。
【図５】図３の電子管に適用するメッシュ電極を示す拡大平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】従来の電子管を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１００…電子管、１０…ケース、１１…カソード電極、１１ａ…カソード電極の内端面、１１ｂ，１２ａ…内周壁面、１２…バルブ、１３…溶接電極、１３ａ…溶接電極の内端面、１３Ａ…筒状本体、１３Ｂ…第１フランジ部、１３Ｃ…第２フランジ部、１４…第１の開口、１５…第２の開口、２１…入力面板、２２…光電面、２３…インジウム（低融点金属）、３１…ステム、３１ａ…切欠き縁部、４０，８０…半導体素子、４４ａ，８４ａ…電子入射面、６０，７０…アノード電極、６１，７１…開口部、９０，９０Ａ…中間電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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