(57)【要約】【課題】実用的な電子増倍機能を実現でき、低コストで製造可能な電子増倍素子及びこれを用いた電子増倍装置を提供すること。【解決手段】本発明は、注入される加速電子の運動エネルギーに基づき光を発する蛍光体１２、蛍光体１２からの光に対して透明で面１１ａで蛍光体１２を支持し面１１ｂで光を放出する支持体１１、面１１ｂに支持され蛍光体１２の光を電子に変換する光電面１３を備え、蛍光体１２への入射電子数より光電面１３からの出射電子数が多くなるよう蛍光体１２、光電面１３が構成される電子増倍素子９である。この素子９は、電子を、順次光、電子に変換する。また支持体１１では蛍光体１２からの光損失は小さい。更に蛍光体１２への注入電子数より光電面１３からの放出電子数が多い。このため、支持体１１に厚みをもたせ且つ実用的な電子増倍機能の実現が可能となる。また電子増倍素子９は簡単な構成なので、その製造コストはＭＣＰに比べはるかに低くできる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速された電子が注入され、注入される電子の運動エネルギーに基づいて光を発する蛍光体と、
前記蛍光体から発せられる光に対して透明であって、前記蛍光体を支持する第１面、及び前記第１面に対向し、前記第１面から入射される光を出射する第２面を有する支持体と、
前記支持体の前記第２面に支持され、前記蛍光体から発せられる光を電子に変換する光電面とを備え、
前記蛍光体に入射される電子数よりも前記光電面から出射される電子数が多くなるように前記蛍光体及び前記光電面が構成されている、
ことを特徴とする電子増倍素子。
【請求項２】
前記蛍光体が化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の電子増倍素子。
【請求項３】
前記化合物半導体が単結晶体であることを特徴とする請求項２に記載の電子増倍素子。
【請求項４】
前記光電面が化合物半導体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子増倍素子。
【請求項５】
前記化合物半導体が単結晶体であることを特徴とする請求項４に記載の電子増倍素子。
【請求項６】
前記化合物半導体が負の電子親和力を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の電子増倍素子。
【請求項７】
前記蛍光体が前記支持体の前記第１面に直接形成され、前記光電面が前記支持体の前記第２面に直接形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子増倍素子。
【請求項８】
前記蛍光体及び前記光電面はそれぞれ電極を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子増倍素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子増倍素子と、
前記電子増倍素子を収容する真空容器と、
前記電子増倍素子の前記蛍光体に注入する電子を放出する電子源と、
前記電子増倍素子の前記光電面に対向して設けられ、前記光電面から出射される電子を引き付ける陽極と、
前記電子源と前記蛍光体との間、及び前記光電面と前記陽極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする電子増倍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、電子を増倍して放出する電子増倍素子、これを用いた電子増倍装置に関する。
【０００３】
【従来技術】
近年、電子管などの電子増倍装置に用いられる電子増倍素子として、ダイヤモンドを用いたものが注目されている。ダイヤモンドが注目されるのは、ダイヤモンドが負の電子親和力を有しており、その２次電子生成効率が高められるためである。このようなダイヤモンドを用いた電子増倍素子の一例が、「Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ２５３（１９９４）１５１−１５６」に報告されている。すなわちＭｏ、Ｐｄ、ＴｉまたはＡｌＮ等の基板上に、その最表面を水素終端して形成された多結晶ダイヤモンド薄膜が電子増倍素子として報告され、この多結晶ダイヤモンド薄膜によりその２次電子放出効率の向上が図られている。この多結晶ダイヤモンド薄膜は反射型２次電子面として機能している。ところが、このような反射型２次電子面に１次電子が入射すると、反射型２次電子面の最表面の水素終端が脱離し、その２次電子放出効率が低下することが知られている。
【０００４】
そこで、上記の欠点を解決し得る電子増倍素子として、１次電子の入射する面と２次電子の放出される面とが異なるいわゆる透過型２次電子面が知られており、例えば米国特許第６，０６０，８３９号明細書には、ダイヤモンドを用いた透過型２次電子面が開示されている。
【０００５】
一方、電子増倍素子として、マイクロチャンネルプレート（以下、「ＭＣＰ」と呼ぶ）が知られている。ＭＣＰは１次元または２次元の位置情報を保ったまま２次電子増倍可能なデバイスである。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第６，０６０，８３９号明細書
【非特許文献１】
Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ２５３（１９９４）１５１−１５６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した米国特許第６，０６０，８３９号明細書に記載の透過型２次電子面は、十分な機械的強度と実用的な電子増倍機能の両立を実現することができない。この理由として、以下の点が考えられる。すなわち透過型２次電子面においては、１次電子の入射により生成された２次電子が入射面とは反対側の出射面まで移動し、その表面から放出されなくてはならない。そのためには膜厚が電子の拡散長（平均自由行程）程度の非常に薄いダイヤモンド膜が必要となる。このダイヤモンド膜内の電子の拡散長は、本発明者による光電子放出の実験結果より０．０５μｍ程度であることがわかっている。よって、透過型２次電子面において効率よく２次電子を放出させるためには、ダイヤモンド薄膜の膜厚を拡散長と同程度、すなわち０．０５μｍ程度にする必要がある。しかしながら実際にはこのような非常に薄いダイヤモンド膜では機械的強度の不足や均一性の悪さから、上記したような透過型２次電子面を実現することは不可能である。一方、ダイヤモンド薄膜が充分な機械的強度を有するためには少なくとも数μｍ程度の膜厚が要求されるが、このような厚い膜では１次電子の入射により生成された２次電子が入射面とは反対側の出射面までほとんど到達できない。このため、結果として２次電子放出効率が非常に低くなり、実用的な透過型２次電子面を実現することはできない。
【０００８】
また電子増倍素子としてＭＣＰを用いる場合、ＭＣＰは細いガラス管を多数束ねて引き伸ばし、再び多数束ねて引き伸ばす工程を何回か繰り返した後に、円盤状にスライスし、研磨、コアガラス部分の芯抜き、２次電子面を放出するための還元工程及び熱工程を行うなどさらに多くの複雑な工程を経て作製されるので、コストが非常に高くなる。また同様の理由から大型の平面ディスプレイ等へ応用できるような大面積のものを実現することが困難である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、十分な機械的強度を有しながら実用的な電子増倍機能を実現でき、低コストで製造することが可能な電子増倍素子及びこれを用いた電子増倍装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく上記従来技術について検討を行った。その結果、電子増倍素子が、１次電子を２次電子に変換するという原理に従って電子増倍を行うものである限り、上記の課題を解決することは困難であると考えた。そこで、本発明者らは、さらに検討を重ねた結果、窒化物半導体で紫外蛍光体を構成することにより、比較的発光強度も高くまた高速応答可能なものが実現できるという知見を得た。そして本発明者らは、かかる知見をもとにして、蛍光体と支持体と光電面とを組み合わせて電子増倍素子を構成し、電子増倍素子を、電子を光に変換した後、電子に変換するという原理に従って電子増倍を行うものとすることで上記課題を解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち本発明は、加速された電子が注入され、注入される電子の運動エネルギーに基づいて光を発する蛍光体と、前記蛍光体から発せられる光に対して透明であって、前記蛍光体を支持する第１面、及び前記第１面に対向し、前記第１面から入射される光を出射する第２面を有する支持体と、前記支持体の前記第２面に支持され、前記蛍光体から発せられる光を電子に変換する光電面とを備え、前記蛍光体に入射される電子数よりも前記光電面から出射される電子数が多くなるように前記蛍光体及び前記光電面が構成されていることを特徴とする電子増倍素子である。
【００１１】
この電子増倍素子によれば、加速された電子が蛍光体に注入されると、電子の運動エネルギーに基づいて光が発せられ、この光は支持体を透過して光電面に入射され、光電面で電子に変換される。このように本発明の電子増倍素子は、電子を光に変換した後、電子に変換する。また支持体は、蛍光体から発せられる光に対して透明であり、支持体を透過することによる光の損失は小さいため、支持体に厚みを持たせることが可能である。さらに蛍光体に注入される電子数よりも光電面から放出される電子数が多くなるように蛍光体及び光電面が構成されている。このため、電子増倍素子の機械的強度を十分に確保しながら実用的な電子増倍機能を実現することが可能となる。また本発明の電子増倍素子は、支持体の両側に蛍光体及び光電面を配した簡単な構成なので、その製造が極めて容易である。このため、その製造コストは、ＭＣＰの製造に比べてはるかに低くすることが可能である。
【００１２】
上記電子増倍素子においては、蛍光体が化合物半導体であることが好ましい。この場合、蛍光体が化合物半導体以外の材料である場合に比べて任意の発光波長に正確に調節が可能である。
【００１３】
上記化合物半導体は単結晶体であることが好ましい。この場合、蛍光体において化合物半導体が微結晶体や多結晶体の場合と異なり境界面が存在しないため、境界面での非発光再結合が本質的に存在せず、化合物半導体が単結晶体で無い場合に比べて発光効率がはるかに高くなる。また化合物半導体が単結晶体であることにより結晶欠陥が少なく、ひいては結晶欠陥による電子又は正孔のトラップが少なくなる。よって、蛍光体の応答速度が速くなる。
【００１４】
上記電子増倍素子においては、光電面が化合物半導体であることが好ましい。この場合、光電面が化合物半導体以外の材料である場合に比べて前記蛍光体の発光波長に合わせた分光感度特性を有する光電面を正確に設計できる。
【００１５】
上記光電面においても化合物半導体は単結晶体であることが好ましい。この場合、光電子の拡散長が長くなるため、電子放出効率の高い光電面を実現できる。
【００１６】
上記化合物半導体は負の電子親和力を有することが好ましい。この場合、光電面は、高い光電子放出効率を有することとなる。
【００１７】
上記電子増倍素子においては、蛍光体が支持体の第１面に直接形成され、光電面が支持体の第２面に直接形成されていることが好ましい。この場合、蛍光体が第１面に対して間接的に形成され、光電面が第２面に対して間接的に形成される場合よりも、電子増倍率を向上させることができる。
【００１８】
上記電子増倍素子においては、蛍光体及び光電面がそれぞれ電極を備えている。この場合、蛍光体に対向して電子源を配置し、光電面に対向して陽極を配置した場合に、蛍光体及び電子源の間、光電面及び陽極の間に電圧を印加することが可能となり、これにより実用的な電子増倍機能を実現できる。
【００１９】
また本発明は、上記電子増倍素子と、前記電子増倍素子を収容する真空容器と、前記電子増倍素子の前記蛍光体に注入する電子を放出する電子源と、前記電子増倍素子の前記光電面に対向して設けられ、前記光電面から出射される電子を引き付ける陽極と、前記電子源と前記蛍光体との間、及び前記光電面と前記陽極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えることを特徴とする。
【００２０】
この電子増倍装置によれは、電子源から電子が放出され、電圧印加手段により電子源と蛍光体との間に電圧が印加されると、電子が加速されて電子増倍素子の蛍光体に注入される。そして、加速された電子の運動エネルギーに基づき蛍光体から光が発せられる。この光は、支持体を透過して光電面に入射され、光電面から電子が放出される。そして、電圧印加手段により光電面と陽極との間に電圧が印加されると、増倍された電子は陽極に引き付けられることになる。このように本発明の電子増倍装置は、上記電子増倍素子を有しているため、実用的な電子増倍機能を実現することが可能となる。また電子増倍素子が十分な機械的強度を有するため、電子増倍装置の製造に際して電子増倍素子の取扱いが容易となり、極めて容易に電子増倍装置を製造することが可能となる。また電子増倍素子の大面積化が容易であるため、電子増倍装置の陽極又は電子源の大面積化も容易となる。さらに電子増倍素子がＭＣＰに比べてはるかに低コストで製造することが可能であるため、この電子増倍素子を有する電子増倍装置についても、ＭＣＰを有する電子増倍装置に比べてはるかに低コストで製造することが可能となる。
【発明の実施の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、寸法は、本発明の説明を容易にするために適当に拡大又は縮少してあり、実際の寸法とは必ずしも一致しない。また図面において、実線矢印は電子を示し、破線矢印は光を示している。
（第１実施形態）
【００２２】
図１は、本発明による電子増倍素子の第１実施形態を示す正面図であり、電子増倍素子を内蔵した電子増倍装置としての平面表示装置を示している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図、図３は、図２の電子増倍装置の内部構成を示す部分側面図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、平面表示装置１０は、フラットな形状を有する真空容器１を備えており、真空容器１の前面には開口１ａが形成され、真空容器１の内部には、開口１ａを塞ぐように表示部２が設けられている。真空容器１の内部は真空状態とされている。
【００２４】
図３に示すように、表示部２は、蛍光体層３と、蛍光体層３から発せられる光に対して透明な面板１７とを備えており、蛍光体層３の表面には、陽極としてのＡｌ薄膜（図示せず）が蒸着されている。なお、真空容器１は、例えばガラスから構成され、面板１７は例えばサファイヤから構成され、蛍光体層３は、例えば窒化物半導体から構成されている。
【００２５】
真空容器１の内部には、表示部２に対向して、電子を放出する電子源アレイ（電子源）４が設けられている。また電子源アレイ４と表示部２との間には、電子を増倍する電子増倍素子９が設けられている。
【００２６】
電子源アレイ４は、複数の電子放出部４ａを有しており、これら電子放出部４ａは、例えば図３に示すように、いわゆるスピント型と呼ばれるコーン形状をなしており、基板５上に２次元状に配列されている。電子源アレイ４に対向する位置には、平板状のゲート電極６が配置されている。ゲート電極６は、いわゆるＸＹアドレスとされており、ゲート電極６には、電子放出部４ａの数に対応して複数の開口７が形成されている。そして、これら開口７内に、複数の電子放出部４ａの先端がそれぞれ配置されている。ゲート電極６と電子源アレイ４との間に電圧を印加することにより電子放出部４ａの先端から電子が放出されるようになっている。なお、電子放出部４ａは、例えばモリブデンなどの高融点金属、あるいはＳｉなどの半導体、あるいはカーボンナノチューブやダイヤモンドなどの炭素系材料から構成されている。
【００２７】
電子増倍素子９は、図３に示すように、平板状の支持体１１を備えており、支持体１１は、電子源アレイ４側に向けられる第１面１１ａと、表示部２側に向けられる第２面１１ｂとを有している。そして、第１面１１ａ上には蛍光体１２が直接形成され、第２面１１ｂ上には光電面１３が直接形成されている。ここで、蛍光体１２が第１面１１ａ上に直接形成され、光電面１３が第２面１１ｂ上に直接形成されているのは、電子増倍率の向上を考慮し、できるだけ電子増倍素子９を薄くするためである。なお、電子増倍素子９は、真空容器１内に収容されているため、蛍光体１２と光電面１３は同一空間内に存在していることになる。
【００２８】
ここで、電子増倍素子９を構成する蛍光体１２、支持体１１及び光電面１３についてより詳細に説明する。
【００２９】
まず蛍光体１２について説明する。蛍光体１２は、電子源アレイ４から放出される電子の運動エネルギーに基づき光を放出する材料であればよく、このような蛍光体１２としては、例えば化合物半導体、アルカリ土類金属等が挙げられる。これらのうち、任意の発光波長の調節、高発光効率、高速応答の点から、化合物半導体が好ましい。この場合、蛍光体１２は、電子線の入射により、電子−正孔対を形成し、これが再結合する際にそのエネルギー差に相当する波長の光を放出する。
【００３０】
さらに、このような化合物半導体としては、例えば窒化物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等が挙げられるが、これらのうち、発光強度が大きく、高速応答が可能であるという理由から、窒化物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が好ましい。このような窒化物半導体としては、例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びこれらの混晶などが挙げられる。ただし、蛍光体１２の発光波長は、光電面１３が感度を有する範囲であることが必要であるので、（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮのエネルギーギャップが光電面１３のエネルギーギャップと同じか、それより大きくなるように組成比ｘ及びｙが調整される。なお、化合物半導体としては、（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮのうちＧａＮ（ｘ＝０、ｙ＝１の場合）とＧａｙＩｎ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）が好適である。その理由は、比較的高品質で高い発光効率が得られるという利点があるからである。
【００３１】
上記化合物半導体は単結晶体であることが好ましい。この場合、蛍光体１２において化合物半導体が微結晶体や多結晶体の場合と異なり境界面が存在しないため、境界面での非発光再結合が本質的に存在せず、化合物半導体が単結晶体で無い場合に比べて発光効率がはるかに高くなる。また化合物半導体が単結晶体であると結晶欠陥が少なくなり、ひいては結晶欠陥による電子又は正孔のトラップが少なくなる。よって、蛍光体１２に電子を注入した場合に速い応答速度が得られる。
【００３２】
なお、蛍光体１２の発光効率を向上させるために、ｐ型あるいはｎ型となる不純物（例えばＳｉ，Ｓ，Ｓｅ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなど）をドープしてもよい。
【００３３】
また蛍光体１２は必ずしも単一の膜である必要はなく、異なる化合物半導体の層を用いてシングルへテロ構造を形成したり、化合物半導体の層を、それよりエネルギーギャップの大きい化合物半導体の層で両側から挟んでダブルへテロ構造を形成してもよい。これにより、蛍光体１２の発光効率をより一層向上させることが可能である。また複数の化合物半導体層を積層することにより量子井戸構造、量子細線構造、量子ドット構造を形成してキャリヤの閉じ込め構造としても、蛍光体１２の発光効率をより一層向上させることが可能である。また蛍光体１２が、窒化物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮの多層膜により量子井戸構造とされる場合は、蛍光体１２の発光波長に対して光電面１３が感度を有するよう各層の組成（ｘ及びｙ）と膜厚が調整される。
【００３４】
次に蛍光体１２の膜厚について説明する。加速された電子が蛍光体１２に入射する場合、入射電子が到達する距離は飛程を使って表される。これはまた、電子−正孔対が生成される範囲の指標ともなる。飛程は加速電圧にほぼ比例するので、用いる加速電圧によってその材料の最適な膜厚が決定される。飛程は一般的な化合物半導体の場合、加速電圧１０ｋＶで１μｍ程度、２０ｋＶで２μｍ程度であるが、材料により多少異なる。ここでは数ｋＶから数１０ｋＶの加速電圧で使用することを考えると、蛍光体１２の膜厚は１０ｎｍから１０μｍ程度が適当である。ただし蛍光体１２の膜厚が大きい場合は、発光範囲が広くなるので空間分解能の低下や、発光した光の再吸収による発光効率の低下につながる。このため、蛍光体１２の膜厚は１０ｎｍから１μｍの範囲がより好適である。
【００３５】
このような蛍光体１２は、例えば支持体１１の第１面１１ａ上にエピタキシャル成長させることによって形成することができる。
【００３６】
次に支持体１１について説明する。支持体１１は、蛍光体１２から発せられる光に対して透明な材料であればよい。このような材料は、蛍光体１２によって異なり、蛍光体１２としてＧａＮが用いられる場合には、支持体１１として、例えばサファイヤが用いられる。
【００３７】
支持体１１の厚さは、基本的にはハンドリング可能な機械的強度で決定され、支持体１１の材質により異なる。例えば支持体１１がサファイヤから構成される場合は、支持体１１の厚さは１０μｍから数ｍｍであることが好適である。ただし、支持体１１の厚さが小さすぎるとハンドリング時の支持体１１の破損が懸念され、支持体１１の厚さが大きすぎると蛍光体１２で発光した光の広がりによる空間分解能の低下が懸念されるので、５０μｍから１ｍｍの範囲がより好適である。
【００３８】
次に光電面１３について説明する。光電面１３は、光を電子に変換できるものであり且つ蛍光体１２に注入される電子よりも多い数の電子を放出するものであればよく、このような光電面１３としては、例えば化合物半導体、アルカリアンチモナイド化合物等が挙げられる。これらのうち任意の分光感度特性が得られるという理由から、化合物半導体が好ましい。この場合、光電面１３が化合物半導体以外の材料である場合に比べてより高感度であるという利点がある。さらにこのような化合物半導体としては、例えば窒化物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＧａＡｓ、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０≦ｘ≦１）などが挙げられるが、これらのうち、蛍光体材料との整合性の点から、窒化物半導体である（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が好ましい。このような窒化物半導体としては、例えばＩｎＧａＮが挙げられる。ただし、光電面１３は、蛍光体１２の発光波長に対して感度を有することが必要であるので、蛍光体１２が単一組成またはヘテロ構造からなる場合は、光電面１３のエネルギーギャップが蛍光体１２のエネルギーギャップと同じか、それより小さくなるように組成比ｘ及びｙが調整される。なお、蛍光体１２がＧａＮから構成される場合、光電面１３を構成する化合物半導体としては、（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮのうちＩｎＧａＮ（ｘ＝０、ｙ＝０の場合）が好適である。その理由は、ＩｎＧａＮは、ＧａＮよりもエネルギーギャップが小さく、蛍光体１２からの発光を十分に吸収し効率よく電子を放出するからである。
【００３９】
上記化合物半導体は単結晶体であることが好ましい。この場合、化合物半導体が微結晶体や多結晶体である場合に比べて光電子の拡散長が長くなるため、電子放出効率の高い光電面を実現できる。上記化合物半導体は負の電子親和力を有することが好ましい。この場合、光電面１３は、負の電子親和力を有しない場合に比べて高い光電子放出効率を有することとなる。
【００４０】
なお、光電面１３としてＩｎＧａＮが用いられる場合、光電面１３の光電子放出効率を増加させるために、ＩｎＧａＮにはｐ型不純物（例えばＭｇなど）をドープすることが好ましい。
【００４１】
また蛍光体１２が、窒化物半導体としての（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＩｎ１−ｙＮの多層膜を用いて量子井戸構造とされる場合は、蛍光体１２の発光波長に対して光電面１３が感度を有するよう光電面１３の組成が調整される。
【００４２】
また光電面１３の膜厚は、光電面１３の光吸収長と、これにより励起された光電子の拡散長の兼ね合いから決定される。光吸収長は入射光の波長に依存し、入射光が短波長の場合は光吸収長は短く、入射光が長波長の場合は光吸収長は長くなる。特に化合物半導体単結晶体であって電子親和力が負の光電面（以下、「ＮＥＡ光電面」と呼ぶ）は、従来のアルカリ光電面よりも拡散長が長いのでより厚く形成することが可能である。一般的な化合物半導体を用いたＮＥＡ光電面の厚さは５０ｎｍから５μｍの範囲が好適である。特に化合物半導体として窒化物半導体を用いた紫外から可視光領域の光電面の場合は、光吸収長が比較的短いので、膜厚は８０ｎｍから５００ｎｍの範囲がより好適である。
【００４３】
このような光電面１３は、例えば支持体１１の第２面１１ｂ上にエピタキシャル成長させることによって形成することができる。
【００４４】
上述した電子増倍素子９は、電子を光に変換した後、電子に変換する。また電子増倍素子９の支持体１１は蛍光体１２から発せられる光に対して透明であり、支持体１１を透過することによる光の損失は小さいため、支持体１１に厚みを持たせることが可能である。さらに蛍光体１２に注入される電子数よりも光電面１３から放出される電子数が多くなるように蛍光体１２及び光電面１３が構成されている。このため、電子増倍素子９によれば、その機械的強度を十分に確保しながら、実用的な電子増倍機能を実現することが可能となる。
【００４５】
すなわち電子増倍素子が、１次電子を２次電子に直接的に変換する光電面である場合は、電子増倍素子に厚みを持たせると２次電子放出効率が顕著に低下する。その一方、電子増倍素子を薄くすると、実用的な２次電子放出効率を得ることができるものの十分な機械的強度を得ることができない。つまり、１次電子を２次電子に直接変換する電子増倍素子では、実用的な電子増倍機能と十分な機械的強度の両立を実現させることができない。これに対し、電子増倍素子９は、電子を蛍光体１２で一旦光に変換した後、光電面１３で電子に変換する構成を有しており、また電子の拡散長は一般的に極めて短いのに対し光は電子よりも十分小さい損失で物質中を通過できる。したがって、電子増倍素子９は、実用的な電子増倍機能と十分な機械的強度の両立を実現することができる。
【００４６】
また電子増倍素子９が蛍光体１２と光電面１３の２種の層を備えることにより、蛍光体１２と光電面１３の組合せの自由度を高めることが可能である。
【００４７】
さらに電子増倍素子９によれば、蛍光体１２に入射される電子の位置情報を保ったまま電子増倍が可能であるので、電子増倍素子９は、ＭＣＰと同様の２次元の電子増倍素子として機能する。
【００４８】
さらにまた電子増倍素子９は、上述したように、ＭＣＰと同様の２次元の電子増倍素子として機能するが、電子増倍素子９は、支持体１１の両側に蛍光体１２及び光電面１３を配した簡単な構成なので、その製造は極めて容易であり、その製造コストは、ＭＣＰの場合に比べてはるかに低くすることが可能である。
【００４９】
なお、支持体１１と蛍光体１２との間には、格子不整、熱膨張係数差による歪みを緩和させるために、バッファ層を形成してもよい。バッファ層は、蛍光体１２の発光波長に対して透明な材料であることが望ましく、このような材料としては、ＡｌＮやＡｌＧａＮなどが好適である。また支持体１１と光電面１３との間には、格子不整、熱膨張係数差による歪みを緩和させるために、上記と同一構成のバッファ層を形成してもよい。
【００５０】
また蛍光体１１には電極としてＡｌ薄膜（図示せず）が蒸着され、光電面１３はそれ自体電極として機能する。また光電面１３の表面には、仕事関数を低下させて電子を放出しやすくするために、Ｃｓなどのアルカリ金属又はその酸化物が塗布されている。
【００５１】
なお、電子源アレイ４と電子増倍素子９とは、電子源アレイ４から放出された電子の広がりを抑えるために互いに近接して配置されている。電子源アレイ４と電子増倍素子９との間の距離は、狭いほど空間分解能が高くなるが機械的な変形等による放電が生じるおそれがあるため、０．５〜５ｍｍ程度にするのが好適である。また電子源アレイ４からの電子の広がりを抑制するために、電子源アレイ４と電子増倍素子９との間に収束電極（図示せず）を設けてもよい。さらに電子増倍素子９と表示部２との間の距離も、空間分解能と機械的な変形との兼ね合いから、０．５〜５ｍｍ程度にするのが好適である。
【００５２】
また図２に示すように、電子源アレイ４と電子増倍素子９との間には、スペーサ１８が２次元状に設けられ、電子増倍素子９と表示部２との間にも、スペーサ１８が２次元状に設けられている。スペーサ１８を設けるのは、平面表示装置１０の製造過程において真空容器１の内部がまだ大気圧の状態にあるときに、大気圧による電子増倍素子９の機械的な変形を抑制するためである。したがって、スペーサ１８の形状は、このような機能を発揮する限り特に制限されず、このような形状としては、例えば円柱状、角柱状又は球形状などが挙げられる。
【００５３】
さらに、真空容器１には、電極ピン１９ａ〜１９ｅが貫通しており、電極ピン１９ａ〜１９ｅの一端はそれぞれ、電子源アレイ４、ゲート電極６、蛍光体１２上のＡｌ薄膜、光電面１３、蛍光体層３上のＡｌ薄膜に電気的に接続されている。したがって、真空容器１の内部を真空に保持したまま、外部との電気的なコンタクトを取ることが可能となっている。ここで、電極ピン１９ａと１９ｂが電圧印加装置８を介して電気的に接続されることによって電子源アレイ４とゲート電極６との間に電圧を印加することが可能となっており、電極ピン１９ｂと１９ｃが電圧印加装置１４を介して電気的に接続されることによってゲート電極６と蛍光体１２上のＡｌ薄膜との間に電圧を印加することが可能となっている。また電極ピン１９ｄと１９ｅが電気的に接続されることによって光電面１３と表示部２のＡｌ薄膜との間に電圧を印加することが可能となっている。
【００５４】
次に、上述した構成を有する平面表示装置１０の作用について説明する。
【００５５】
電圧印加装置８により電子源アレイ４とゲート電極６との間に電圧が印加されると、電子放出部４ａから電子が放出される。このとき、ゲート電極６と電子源アレイ４との間にＸＹアドレス方式で電圧を印加し、所望の電子放出部４ａから電子を放出させる。
【００５６】
ここで、電子放出部４ａの先端から放出された電子は、電圧印加装置１４によりゲート電極６と蛍光体１２上のＡｌ薄膜との間に電圧を印加することにより、加速されて電子増倍素子９の蛍光体１２に注入される。このとき、ゲート電極６と蛍光体１２上のＡｌ薄膜との間に印加する電圧は、蛍光体１２の厚さや材質によって多少異なるが、通常は数ｋＶから数十ｋＶとする。例えば蛍光体１２の厚さが約１μｍならば加速電圧は１０ｋＶとし、約２μｍならば加速電圧は２０ｋＶとすればよい。
【００５７】
こうして蛍光体１２に電子が注入されると、蛍光体１２において、電子の運動エネルギーに基づいて所定波長においてピーク強度を有する光が発せられる。蛍光体１２が例えば化合物半導体である場合、蛍光体１２に電子が注入されると、蛍光体１２において電子−正孔対が形成され、これらが再結合する際にそのエネルギー差に相当する波長の光が放出される。この光は支持体１１を透過して光電面１３に入射される。入射された光は、光電面１３に吸収され、光電子を励起する。励起された光電子は、光電面１３を走行し、支持体１１と反対側の放出面に到達し、放出面から再び真空中へ放出される。こうして入射した光が光電面１３で電子に変換される。
【００５８】
ここで、電圧印加装置１５により、光電面１３と蛍光体層３上のＡｌ薄膜との間に電圧が印加されると、光電面１３から放出された光電子は、加速されて蛍光体層３に入射され、電子の運動エネルギーにより所定波長にピーク強度を持った可視光が発せられる。この可視光は、面板１７を透過して外部に放出される。こうして表示部２において可視像が表示されることになる。
【００５９】
この平面表示装置１０においては、電子増倍素子９により電子が増倍されているため、電子増倍素子９の無い場合と比較してより低い加速電圧でも高輝度な発光が得られる。また加速電圧を低くすることができるので電源回路も簡単で小型のものを使用することが可能となり、消費電力を低減することもできる。さらに加速電圧を低くすることができるため、蛍光体１２からのイオンフィードバックによる電子源アレイ４の劣化が抑制され、平面表示装置１０の長寿命化を実現することが可能である。
【００６０】
また電子増倍素子９の製造は極めて容易であるため、電子増倍素子９の大面積化、ひいては平面表示装置１０の大画面化が可能である。
【００６１】
さらに電子増倍素子９は、ＭＣＰと同様の２次元の電子増倍素子として機能するため、電子を放出すべき電子放出部４ａを選択して電子を放出させることにより、表示部２において所望の可視像を表示することができる。
【００６２】
さらにまた電子増倍素子９は、上述したように製造が極めて容易であり、その製造コストもＭＣＰの場合に比べてはるかに低くすることが可能である。よって、平面表示装置１０の製造コストも、電子増倍素子としてＭＣＰを用いた電子増倍装置に比べてはるかに低くすることが可能である。
【００６３】
さらに、電子増倍素子９は、上述したように十分な機械的強度を有する。このため、光電子増倍装置２０の製造に際して電子増倍素子９の取扱いが容易となり、光電子増倍装置２０を効率よく製造することができる。
【００６４】
なお、上記実施形態の平面表示装置１０においては、基板５から突出した複数の電子放出部４ａを備えた電子源アレイ４が用いられているが、このような電子源アレイ４に代えて、カーボンナノチューブやダイヤモンド膜を用いた平面状の電子源アレイが用いられてもよい。
【００６５】
また上記実施形態では、蛍光体層３は、各電子放出部４ａに対応して、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の蛍光を発する発光部を備えたものであってもよい。このような構成とすることにより、表示部２においてカラー表示が可能となる。
【００６６】
さらに上記実施形態の平面表示装置１０は、単体で平面表示素子として使用しても構わないが、いくつかの平面表示装置１０を２次元状に組み合わせて全体として１つの平面表示素子として使用してもよい。この場合、より大画面の平面表示素子を得ることが可能となる。
【００６７】
また上記実施形態では、電子源アレイ４と蛍光体１２との間にゲート電極６を設けているが、ゲート電極６は、必ずしも必要なものではないので、除去してもよい。
【００６８】
さらに上記実施形態では、真空容器１の内部に電子増倍素子９が１段のみ設けられているが、平面表示装置１０においてより高い電子増倍率が要求される場合には、１段に限らず複数段設けられてもよい。
【００６９】
さらにまた上記実施形態では、電子源アレイ４が複数の電子放出部４ａを備えているが、本発明の電子増倍装置が平面表示装置ではなく、蛍光表示装置である場合には、電子放出部４ａは、図４に示すように１つを備えたものであってもよい。ここで、電子源アレイ４と蛍光体１２上のＡｌ薄膜は、電圧印加装置１６を介して電気的に接続される。
（第２実施形態）
【００７０】
次に、本発明の電子増倍装置の第２実施形態について図５を参照して詳細に説明する。なお、図５中、第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００７１】
図５は、本発明に係る電子増倍装置の第２実施形態の内部構成を示す概略側面図である。図５に示すように、本実施形態の電子増倍装置は光電子増倍装置２０であり、光電子増倍装置２０は、電子源アレイ４に代えて光電陰極２１を用い且つ表示部２に代えて陽極板２２を用いている点で第１実施形態の平面表示装置１０と相違している。
【００７２】
この光電子増倍装置２０によれば、光によって光電陰極２１から放出された電子が電子増倍素子９で増倍されるため、陽極板２２において大きな信号電流が検出される。また光電子増倍装置２０は、第１実施形態の電子増倍素子９と同じ電子増倍素子を有するため、その製造コストを十分に低減することができる。また電子増倍素子９の大面積化が容易であるため、光電陰極２１の大面積化も可能となる。さらに電子増倍素子９が十分な機械的強度を有するため、光電子増倍装置２０の製造に際して取扱いが容易となり、光電子増倍装置２０の製造を効率よく行うことができる。
（第３実施形態）
【００７３】
次に、本発明の電子増倍装置の第３実施形態について図６を参照して詳細に説明する。なお、図６中、第１及び第２実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００７４】
図６は、本発明に係る電子増倍装置の第３実施形態の内部構成を示す概略側面図である。図６に示すように、本実施形態の電子増倍装置は画像増強装置（イメージ・インテンシファイヤ）３０であり、画像増強装置３０は、電子源アレイ４に代えて光電陰極２１を用いている点で第１実施形態の平面表示装置１０と相違している。ここで、光電陰極２１としては、光（可視光）のみならず、γ線、Ｘ線、紫外線等の高エネルギー線を電子に変換するものが用いられる。
【００７５】
この画像増強装置３０によれば、被撮像物から発せられる光によって光電陰極２１から放出された電子が電子増倍素子９で増倍されるため、蛍光体層３において高輝度発光が観測される。また電子増倍素子９は、上述したように２次元のＭＣＰと同様に機能するので、光電陰極２１に入射される被撮像物の２次元情報が電子増倍素子９で損なわれることなく蛍光体層３に到達する。このため、表示部２において、被撮像物についての増強された画像を観測することが可能になる。
【００７６】
また画像増強装置３０は、第１実施形態の電子増倍素子９と同じ電子増倍素子を有するため、その製造コストを十分に低減することができる。また電子増倍素子９の大面積化が容易であるため、画像増強装置３０の大画面化が可能となる。さらに電子増倍素子９が十分な機械的強度を有するため、画像増強装置３０の製造に際して取扱いが容易となり、画像増強装置３０の製造を効率よく行うことができる。
（第４実施形態）
【００７７】
次に、本発明の電子増倍装置の第４実施形態について図７を参照して詳細に説明する。なお、図７中、第１〜第３実施形態と同一又は同等の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００７８】
図７は、本発明に係る電子増倍装置の第４実施形態の内部構成を示す概略側面図である。図７に示すように、本実施形態の電子増倍装置は電子打ち込み型画像増強装置４０であり、画像増強装置４０は、蛍光体層３に代えて固体撮像素子としてのＣＣＤ４１を用い、面板１７に代えて陽極４２を用いている点で第３実施形態の画像増強装置３０と相違している。
【００７９】
この電子打ち込み型画像増強装置４０によれば、被撮像物から発せられる光によって光電陰極２１から放出された電子が電子増倍素子９で増倍されるため、ＣＣＤ４１の各画素において大きな信号電流が検出される。また電子増倍素子９は、上述したように２次元のＭＣＰと同様に機能するので、光電陰極２１に入射される被撮像物の２次元情報が電子増倍素子９で損なわれることなくＣＣＤ４１に到達する。ここで、光電面１３から発せられる電子による被撮像物の２次元情報は、光電面１３と陽極４２との間に電圧が印加されることによってＣＣＤ４１に到達する。このため、ＣＣＤ４１により、被撮像物についての増強された画像を観測することが可能になる。
【００８０】
また電子打ち込み型画像増強装置４０は、第１実施形態の電子増倍素子９と同じ電子増倍素子を有するため、その製造コストを十分に低減することができる。また電子増倍素子９の大面積化が容易であるため、電子打ち込み型画像増強装置４０の大画面化が可能となる。さらに電子増倍素子９が十分な機械的強度を有するため、画像増強装置４０の製造に際して取扱いが容易となり、電子打ち込み型画像増強装置４０の製造を効率よく行うことができる。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による電子増倍素子によれば、機械的強度を十分に確保しながら実用的な電子増倍機能を実現することが可能となる。また本発明の電子増倍素子は、構造が簡単であるため、これまで同様の用途に用いられていたＭＣＰに比較してはるかに低コストで製造することが可能である。さらに本発明の電子増倍素子は、構成が簡単であるため、製造が極めて容易であり、それゆえ大面積化が可能である。
【００８２】
また本発明の電子増倍装置によれば、上記電子増倍素子を有するため、製造コストを十分に低減することができ、また陽極又は電子源の大面積化が可能である。また電子増倍素子の機械的強度が十分に確保されているため、電子増倍装置の製造に際して取扱いが容易となり、電子増倍装置を効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子増倍装置の第１実施形態を示す正面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図２の電子増倍装置の内部構成を示す部分側面図である。
【図４】図２の電子源アレイの変形例を示す部分側面図である。
【図５】本発明に係る電子増倍装置の第２実施形態の内部構成を示す概略側面図である。
【図６】本発明に係る電子増倍装置の第３実施形態の内部構成を示す概略側面図である。
【図７】本発明に係る電子増倍装置の第４実施形態の内部構成を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１…真空容器、４…電子源アレイ（電子源）、９…電子増倍素子、１１ａ…第１面、１１ｂ…第２面、１１…支持体、１２…蛍光体、１３…光電面、８，１４，１５，１６…電圧印加装置（電圧印加手段）、１９ａ〜１９ｅ…電極ピン（電圧印加手段）。
【図１】
2004311171.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004311171.tif 000005
【図４】
2004311171.tif 000006
【図５】
2004311171.tif 000007
【図６】
2004311171.tif 000008
【図７】
2004311171.tif 000009