(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が真空に保持された外囲器と、
前記外囲器の入射窓の真空側に形成された光電面と、
前記外囲器の内部において前記光電面と対向するように設けられ、前記光電面から放出された電子を電気信号に変換する電子検出素子と、
前記外囲器の内壁に沿って前記光電面と前記電子検出素子との間で所定の間隔を空けて、前記光電面と電気的に独立して配設され、電子を通過させる開口部をもった複数の電極とを備え、
前記複数の電極のうち前記光電面に最も近い位置に配置された第１の電極には、前記光電面に対して正の電圧が印加され、
前記複数の電極のうち前記第１の電極と前記電子検出素子との間に配置された第２の電極には、前記第１の電極に印加される電圧以下の電圧が印加され、
前記第２の電極には、前記光電面の電圧以下の電圧が印加される、
ことを特徴とする電子管。
【請求項２】
前記複数の電極は、前記第２の電極と前記電子検出素子との間に設けられ、前記光電面に向けて延びて電子を通過させる開口を形成する先端部を有する第３の電極を更に有する、
ことを特徴とする請求項１記載の電子管。
【請求項３】
前記複数の電極は、前記第２の電極と前記電子検出素子との間に設けられ、前記第１の電極に印加される電圧以上の電圧が印加される第４の電極を更に有する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の電子管。
【請求項４】
前記光電面と前記第１の電極との間に前記光電面と電気的に導通して設けられた陰極を更に備える、
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管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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検出する電子管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光の入射によって光電面より放出された電子を加速した後、半導体素子等の電子検出用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、下記特許文献１に記載されている。特に、この文献に記載された電子管は、光電面から発生した電子を半導体素子の電子入射面に導入するために、バルブの内側に固定されたリング状の複数の中間電極を備えている。
【特許文献１】特開平１０−３１９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述した電子管においては、複数の中間電極のそれぞれに、電子を光電面から電子入射面に向けて加速するような電圧が印加されている。一方、一定の応答速度で光検出感度を向上させるためには、検出素子の小型化を図りつつ光電面の有効面積をより大きくすることが求められる。しかしながら、上述した従来の電子管においては、応答速度を保ちつつ光電面の有効面積を広げた場合に、検出素子の電子入射面に効率よく電子を入射させることが困難となり、その結果、逆に光検出感度が低下する傾向にあった。
【０００４】
そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、応答速度を確保しつつ光検出感度の向上を図ることが可能な電子管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の電子管は、内部が真空に保持された外囲器と、外囲器の入射窓の真空側に形成された光電面と、外囲器の内部において光電面と対向するように設けられ、光電面から放出された電子を電気信号に変換する電子検出素子と、外囲器の内壁に沿って光電面と電子検出素子との間で所定の間隔を空けて、前記光電面と電気的に独立して配設され、電子を通過させる開口部をもった複数の電極とを備え、複数の電極のうち光電面に最も近い位置に配置された第１の電極には、光電面に対して正の電圧が印加され、複数の電極のうち第１の電極と電子検出素子との間に配置された第２の電極には、第１の電極に印加される電圧以下の電圧が印加され、第２の電極には、光電面の電圧以下の電圧が印加されることを特徴とする。
【０００６】
このような電子管によれば、入射窓に入射した光に応じて光電面から電子が放出され、この電子は、第１及び第２の電極の開口部を通過する際に、第１の電極及び第２の電極によって形成された電界により電子検出素子に向けて加速されるとともに電子検出素子に向けて集束される。その後、電子検出素子に入射した電子は、電気信号に変換されて出力される。ここで、第１の電極には光電面に対して正の電圧が印加されているので電子を十分に加速することができるとともに、第２の電極には第１の電極の電圧以下の電圧が印加されているので電子を狭いエリア内の電子検出素子に効率よく集束させることができる。従って、光電面の大面積化を図り、かつ、必要な応答速度を確保するために電子検出素子の小型化を図った場合であっても、入射する光に対する検出感度を十分に向上させることができる。その結果、光の入力面として極力広い有効面積を確保すること、及び高い光検出感度を有すること、特にシングルフォトンを検出できることといった要求をも満たすことができる。また、このような第２の電極を備えることで、光電面から電子検出素子に向けて電子をより効果的に集束させることができる。
【０００８】
また、複数の電極は、第２の電極と電子検出素子との間に設けられ、光電面に向けて延びて電子を通過させる開口を形成する先端部を有する第３の電極を更に有することも好ましい。この場合、電子検出素子側への電界の侵入を最小限にして、イオンフィードバックの発生を抑制するとともに、電子の集束効果を向上させることができる。
【０００９】
さらに、複数の電極は、第２の電極と電子検出素子との間に設けられ、第１の電極に印加される電圧以上の電圧が印加される第４の電極を更に有することも好ましい。このような構成により、電子検出素子に入射する電子に対する集束効果及び加速効果を更に大きくすることができる。
【００１０】
また、前記光電面と前記第１の電極との間に前記光電面と電気的に導通して設けられた陰極を更に備えることも好ましい。かかる陰極を備えると、光電面の前面（光電面と第1の電極の間の空間）における電子の収束効果をより一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による電子管によれば、応答速度を確保しつつ光検出感度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る電子管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の電子管の一実施形態である電子管１の縦断面図である。電子管１は光の入射に応じて光電面より放出した電子を加速し、半導体素子中で高いゲインを得ることで微弱光の検出を可能とする、いわゆる、電子打ち込み増倍型光センサ（ＨＰＤ：Hybrid Photo-Detector）である。
【００１４】
同図に示すように、電子管１は、内部が真空に保持された外囲器２を有し、この外囲器２は、ガラス製の円板状の入力面板（入射窓）３と、筒状のカソード電極（陰極）４と、セラミック等の絶縁性材料からなる円筒状の側板５と、側板５を４分割することで形成された第１側板５ａと第２側板５ｂとの間で挟むようにして固定されたリング状の中間電極（第１の電極）６ａと、第２側板５ｂと第３側板５ｃとの間で挟むように固定されたリング状の中間電極（第２の電極）６ｂと、第３側板５ｃと第４側板５ｄとの間で挟むように固定されたリング状の中間電極（第４の電極）６ｃと、金属フランジ７と、金属フランジ７に気密に接続された円板状のステム８とから構成され、これら部材３，４，５，６，７，８は互いに同心状に積層配置されている。
【００１５】
ここで、中間電極６をもった側板５は、カソード電極４と金属フランジ７との間に設けられ、側板５の一端は、カソード電極４の端面にろう付け等で気密に接合されており、側板５の他端は、ステム８の外周に設けられた金属フランジ７にろう付け等で気密に接合されている。また、これらの中間電極６ａ，６ｂ，６ｃは、外囲器２の中心軸線Ｚを中心とする開口部を有するリング状をなし、側板５の内壁に沿って所定の間隔を空けて、後述する光電面１０と電気的に独立して配置されている。ここで、カソード電極４、側板５及び金属フランジ７の筒状部の外径は略同じとされ、カソード電極４の内径は側板５の内径より小さくされている。従って、中心軸線Ｚに沿ってカソード電極４の一端から他端に亘って、カソード電極４の内壁面は側板５の内壁面より内側に位置する。これに対し、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃの開口部の内径は、電子軌道に干渉しない範囲内、すなわち、後述する光電面１０の径に比較して極端に小さくならない範囲で極力小さくされ、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃは、筒状の側板５の内壁面からカソード電極４よりも更に内方に突出している。これにより、光電面１０より放出した電子の軌道を制御する際の迷走電子による側板５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。中間電極６ａ，６ｂ，６ｃは、側板５に挟んだ状態でろう付け等により固定されることにより、側板５との一体化が図られている。
【００１６】
また、外囲器２の金属フランジ７の中心軸線Ｚ側には、リング状の立ち上がり電極（第３の電極）９が固定されている。この立ち上がり電極９は、金属フランジ７と同心状に配置され、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃに比して径の小さい開口を有し、その開口は、入力面板３に向けて側板５の内壁に沿って延びる略円柱形状の先端部９ａを形成している。
【００１７】
入力面板３は、真空側の内面に光電面１０を有している。この入力面板３は、ＧａＡｓＰ等からなる光電面１０を作成した後、低融点金属（例えば、インジウム）を介してカソード電極４に一体化されている。
【００１８】
ステム８における真空側の面上には、光電面１０に対向するようにＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）を含む半導体素子（電子検出素子）１１が固定されている。ＡＰＤは、濃度の高いＰ領域とＮ領域とを接合し、そこでアバランシェ増幅に十分な高い電界を形成する半導体素子である。この半導体素子１１は、光電面１０から放出された電子がその表面である電子入射面に照射されると、その電子を増倍して電気信号に変換し、ステム８を貫通して設けられたピン１２を介して外部に出力する。
【００１９】
次に、図２を参照して、このような電子管１に接続される駆動回路の構成の一例について説明する。同図に示すように、電子管１は筐体２０内に収容され、光電面１０、各中間電極６ａ，６ｂ，６ｃ及び立ち上がり電極９は、筐体２０の外部のＤＣ電源２１と接続されている。ここで、光電面１０、各中間電極６ａ，６ｂ，６ｃ、及び立ち上がり電極９は、それぞれの電圧が所定の電圧値となるように、抵抗素子２２，２３，２４によって分圧された電圧が印加されている。ここで、カソード電極４は光電面１０と電気的に導通され、カソード電極４には光電面１０と同じ電圧が与えられている。また、半導体素子１１は、筐体２０の外部においてカソードに接続されたバイアス電源２５によってバイアス電圧が印加されるとともに、アノードに接続された同軸ケーブル２６を経由して外部に光検出用の電気信号を出力する。
【００２０】
このような駆動回路によって、光電面１０に最も近い位置にある中間電極６ａには、光電面１０に対して正の電圧が印加されるように、抵抗素子２２，２３，２４が選択され、中間電極６ａの後段にある中間電極６ｂには、光電面１０に印加される電圧と同じ電圧が印加される。ここでは、中間電極６ｂには、光電面１０と同じ電圧が印加されているが、抵抗素子を追加することによって中間電極６ｂに中間電極６ａの電圧以下の電圧が印加されてもよい。また、電子を効率良く収束させるためには、中間電極６ｂには、光電面１０の電圧と中間電極６ａの電圧との中間値以下の電圧が印加されることが好ましく、さらには、駆動回路の構成の単純化の点で、光電面１０の電圧と等しい電圧が印加されることがより好ましい。一方、中間電極６ｃには、光電面１０から放出された電子の収束及び加速を効率化するために、中間電極６ａの電圧以上の電圧が印加されている。
【００２１】
以下、図３〜図６には、中間電極６ｂに印加する電圧を変えた場合の電子管１の内部の中心軸線Ｚに沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す。この場合、電子管１として、直径約23.9mmの入力面板３の真空側の面に形成された直径18mmの光電面１０と、電子入射面の直径が約3mmの半導体素子１１とを有し、中間電極６ａが入力面板３から7mm、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃが間隔3.5mmで配置され、金属フランジ７と中間電極６ｃとの距離が6.5mmであるものを用いた。また、駆動回路によって印加される電圧としては、光電面１０、中間電極６ａ、中間電極６ｃ、及び立ち上がり電極９への印加電圧を、それぞれ、-8.5kV、-7.5kV、-5.0kV、及び0Vとし、半導体素子１１へのバイアス電圧を-100Vと設定した。
【００２２】
図３は、中間電極６ｂに光電面１０より低い電圧-9.0kVを印加した場合の等電位線Ｅ１及び電子軌道Ｐ１を示している。これにより、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃ、及び立ち上がり電極９の効果により、電子を光電面１０から半導体素子１１に向けて加速する電界が形成されるとともに、特に中間電極６ａと立ち上がり電極９の開口付近との間で中心軸線Ｚ方向に電子を収束させる電界が形成されていることが分かる。さらに、図４，図５，図６には、それぞれ、中間電極６ｂに電圧-8.5kV、-8.0kV、-7.5kVと段階的に電圧を高くした場合の等電位線Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４及び電子軌道Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を示している。これらの結果より、中間電極６ｂに中間電極６ａの電圧以下の電圧を印加することによって、光電面１０から半導体素子１１にかけて効率的に加速電界及び収束電界が形成され、特に、図４のように中間電極６ｂに光電面１０と同じ電圧が印加されている場合が半導体素子１１の表面における収束効率が最も高いことが分かる。
【００２３】
以上説明した電子管１の作用効果について説明する。入力面板３に入射した光に応じて光電面１０から電子が放出され、この電子は、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃの開口部を通過する際に、これらの中間電極によって形成された電界により半導体素子１１に向けて加速されるとともに半導体素子１１の電子入射面の中心部に向けて集束される。その後、半導体素子１１の表面に入射した電子は、光検出用の電気信号に変換されて出力される。
【００２４】
ここで、中間電極６ａには光電面１０に対して正の電圧が印加され、中間電極６ｃには中間電極６ａより高い電圧が印加されているので中心軸線Ｚに沿った方向に電子を十分に加速することができるとともに、中間電極６ｂには中間電極６ａの電圧以下の電圧が印加されているので電子を狭いエリア内の半導体素子１１に効率よく集束させることができる。さらに、中間電極６ｂに光電面１０の電圧以下の電圧が印加される場合は、光電面１０から半導体素子１１に向けて電子をより効果的に集束させることができる。また、中間電極６ｃと半導体素子１１との間に立ち上がり電極９を設けることで、半導体素子１１側への電界の侵入を最小限にして、イオンフィードバックの発生を抑制することによって検出感度の劣化を防止するとともに、電子の集束効果を一層向上させることができる。
【００２５】
従って、このような中間電極６及び立ち上がり電極９の存在により、光検出感度の改善を図るために光電面の大面積化を図り、かつ、必要な応答速度を確保するために半導体素子の小型化を図った場合であっても、入射光に対する検出感度を十分に向上させることができる。その結果、光の入力面として極力広い有効面積を確保すること、及び高い光検出感度を有すること、特にシングルフォトンを検出できることといった要求をも満たすことができる。
【００２６】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、電子管１の金属フランジ７の内側に設けられた立ち上がり電極９は省略されても良い。図７は、このような場合の電子管の変形例を示す縦断面図である。また、図８には、図７の電子管１０１における中心軸線Ｚに沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す。ここでは、光電面１０、中間電極６ａ、及び中間電極６ｃへの印加電圧と、半導体素子１１へのバイアス電圧とを図３〜図６と同様に設定し、中間電極６ｂへの印加電圧を光電面１０と同じ電圧に設定した。このような電子管１０１においても、中間電極６ａ，６ｂ，６ｃの存在により、中心軸線Ｚに沿った方向に電子を十分に加速することができるとともに、中間電極６ｂには中間電極６ａの電圧以下の電圧が印加されているので電子を狭いエリア内の半導体素子１１に効率よく集束させることができる。
【００２７】
また、半導体素子１１としては、ＡＰＤの代わりに、ＣＣＤ等の他の電子検出用素子を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の電子管の一実施形態である電子管の縦断面図である。
【図２】図１の電子管に接続される駆動回路の一例を示す回路図である。
【図３】図１の電子管の内部の中心軸線に沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図１の電子管の内部の中心軸線に沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】図１の電子管の内部の中心軸線に沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】図１の電子管の内部の中心軸線に沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の変形例である電子管の縦断面図である。
【図８】図７の電子管の内部の中心軸線に沿った断面における電子軌道及び電位分布のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１，１０１…電子管、２…外囲器、３…入力面板（入射窓）、４…カソード電極（陰極）、５…側板、６…中間電極、６ａ…中間電極（第１の電極）、６ｂ…中間電極（第２の電極）、６ｃ…中間電極（第４の電極）、９…立ち上がり電極（第３の電極）、９ａ…先端部、１０…光電面、１１…半導体素子（電子検出素子）。
【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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【図８】
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