(57)【要約】【課題】検出装置を提供する。【解決手段】光を受け取り、電気信号を生成するように設計され、筐体と、その中に構成された検出器を有する検出装置。これは、冷却要素が筐体内に構成されるように、および冷却要素を通って延びる光路が、検出対象の光のために画定されるように、および／または熱伝導性と電気絶縁性とを有する中間素子として設計される冷却要素が筐体内に構成されるように、および／または検出器の光センサ、特に光電陰極と直接接触する、および／または光センサ、特に光電陰極を担持する（特に透明な）基板と直接接触する冷却要素が筐体内に構成されるようにされてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光（２）を受け取り、電気信号を生成するように設計され、筐体（４）と、その中に構成された検出器（５）とを備える検出装置（１）であって、
ａ．前記筐体（４）内に冷却要素（１１）が構成され、検出対象の光（２）のために、前記冷却要素（１１）を通って延びる前記光路（２）が画定され、および／または
ｂ．前記筐体（４）内に、熱伝導性と電気的絶縁性とを有する中間素子（１２）として設計される冷却要素（１１）が構成され、および／または
ｃ．前記筐体（４）内に、前記検出器（５）の光センサ（６）、特に光電陰極（８）と直接接触し、および／または光センサ（６）、特に光電陰極（８）を担持する基板（７）と直接接触する冷却要素（１１）が構成される、検出装置（１）。
【請求項２】
前記筐体（４）内に追加の冷却要素（１３）が設置され、および／または前記冷却要素（１１）と熱伝導的に接触する追加の冷却要素（１３）が設置される、請求項１に記載の検出装置（１）。
【請求項３】
ａ．前記追加の冷却要素（１３）を通って延びる光路（２）が、検出対象の光（２）のために画定され、および／または
ｂ．前記追加の冷却要素（１３）が、熱伝導性と電気絶縁性とを有する中間素子（１２）として設計され、および／または
ｃ．前記追加の冷却要素（１３）が、前記検出器（５）の光センサ（６）、特に光電陰極（８）と直接接触しており、および／または前記光センサ（６）、特に光電陰極（８）を担持する基板（７）と直接接触している、
請求項２に記載の検出装置（１）。
【請求項４】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、能動的冷却要素（１３）として、特にペルティエ素子（１４）として、またはヒートポンプとして、またはヒートパイプとして設計される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項５】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、そこからの廃熱により前記筐体（４）の少なくとも１つの入射開口および／または前記筐体（４）の入射光学素子（９）を加熱するように構成される、請求項４に記載の検出装置（１）。
【請求項６】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、中を熱が流れる受動的冷却要素（１１）として設計される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項７】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、少なくとも部分的に、電気絶縁性と熱伝導性とを有する材料、特に窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、人工ダイヤモンド、またはこれらの材料の組み合わせで作製される、請求項６に記載の検出装置（１）。
【請求項８】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）の熱伝導性が１Ｗ／ｍＫより高く、特に１０Ｗ／ｍＫより高く、特に１００Ｗ／ｍＫより高く、特に５００Ｗ／ｍＫより高い、請求項６または７に記載の検出装置（１）。
【請求項９】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）の熱伝導率が１０−７Ｓ／ｍ未満、特に１０−８Ｓ／ｍ未満である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１０】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、特にクリーページに対する抵抗を増大させるために、少なくとも１つの周縁突起および／または少なくとも１つの周縁溝を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１１】
前記冷却要素（１１）および／または前記追加の冷却要素（１３）が、実質的に環状または円筒状に構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１２】
前記冷却要素（１１）と前記追加の冷却要素（１３）が、熱的に直列に接続される、請求項２〜１１のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１３】
前記筐体（４）が気密であり、および／または前記筐体（４）が真空である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１４】
前記検出器（５）と前記筐体（４）との間に電位差が存在する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１５】
ａ．前記検出装置（１）が光センサ（６）、特に光電陰極（８）を含み、および／または
ｂ．前記検出装置（１）が、その下流側に配された電子加速器および／または電子増倍管を有する光センサ（６）、特に光電陰極（８）を含む、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の検出装置（１）。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの検出装置（１）を有する光学装置、特に顕微鏡、走査顕微鏡または共焦点走査顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を受け取り、電気信号を生成するように設計され、筐体と、その中に構成される検出器を有する検出機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冒頭に記した種類の検出装置は、ノイズを誘発し、温度に依存する暗電流を発生させることが多い。このような暗電流は、冷却により低減できる。
【０００３】
特許文献１はこの検出器に熱伝導的に接続された冷却装置、特にペルティエ素子を備える光電子検出器について説明している。光電子検出器表面上の結露水の生成を防止するために、周囲湿度と周囲露点温度の瞬時値を測定するセンサが設けられる。センサは、この数値に応じて冷却装置を制御する制御ユニットに接続される。この光電子検出器では、冷却が全く行われないというわけではないという点は有利である。しかしながら、不利な点として、実際の冷却能力は低レベル、すなわち結露水が生成されない程度に限定される。そのため、検出器のノイズが効果的に防止されない。
【０００４】
同じ文献には、検出器が冷却装置、一般にペルティエ素子とともに、乾性ガスが充填された、または真空にされた気密筐体内に封入されている他の検出装置についても記載されている。この装置の場合、廃熱を冷却装置に熱伝導的に接続されたヒートシンクに伝達し、および／または他の構成要素、たとえば筐体の入射開口を加熱するために使用できる。しかしながら、この検出装置は、気密封入が高コストであることから、不利であるとみなされている。
【０００５】
現実には、この検出装置には他にも不利点があることが実際にわかっている。特に、冷却があまり効果的でないことが多い。さらに、この冷却方法は、検出器を筐体とは異なる電位レベルにする必要がある場合に、特に問題であることが判明した。この場合、ベルティエ素子を筐体と検出器との間に簡単に配置することができない。このような電位差は、検出器内で光電子を加速させる場合にはほぼ必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＤＥ １０ ２００９ ０３６ ０６６ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、特に、筐体と電位レベルが異なる検出器が使用されている場合にも、より効率的な冷却を可能にする検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、
ａ．筐体内に冷却要素が構成され、検出対象の光のための、冷却要素を通って延びる光路が画定されること、および／または
ｂ．筐体内に、熱伝導性と電気的絶縁性とを有する中間素子として設計される冷却要素が構成されること、および／または
ｃ．筐体内に、検出器の光センサ、特に光電陰極と直接接触し、および／または光センサ、特に光電陰極を担持する（特に透明な）基板と直接接触する冷却要素が構成されること
を特徴とする検出装置により達成される。
【０００９】
１つの特に有利な具体的実施形態において、他の冷却要素が筐体内に備えられる。特に、有利には、冷却要素と熱伝導性のある接触をする他の冷却要素を設置してもよい。
【００１０】
追加の冷却要素に関して、有利には、検出対象の光のために、追加の冷却要素を通って延びる光路が画定されてもよい。
【００１１】
検出対象の光についての光路が冷却要素を通って、および／または追加の冷却要素を通って延びることを可能にするために、冷却要素および／または追加の冷却要素は、通路、特に貫通穴を特徴としてもよい。しかしながら、冷却要素および／または追加の冷却要素が２つまたは複数の部品で構成される設計であってもよく、これらの部品は相互に、中間空間が残り、検出対象の光のための光路がそこを通って延びることができるように構成される。
【００１２】
追加の冷却要素はまた、有利には、熱伝導性と電気的絶縁性とを有する中間素子として設計してもよい。特に、本明細書で後に詳述するように、追加の冷却要素は、検出器と能動的冷却要素、たとえばペルティエ素子との間に構成される受動的冷却要素、特に放熱リングとして設計してもよい。
【００１３】
１つの有利な実施形態において、追加の冷却要素は、検出器の光センサ、たとえば光電陰極と直接接触するように構成してもよい。また、「代わりに、または加えて、」追加の冷却要素が光センサ、たとえば光電陰極を担持する基板と直接接触するようにしてもよい。
【００１４】
特に効果的な冷却は、冷却要素および／または追加の冷却要素を検出器の光センサと、および／または光センサを担持する基板と直接接触させることによって実現される。このような実施形態の利点は、特に、温度依存性のノイズを発生させる特性を実際に呈する要素だけが冷却されるという点である。
【００１５】
さらに、このような実施形態は、有利には、必要な冷却能力がずっと低くてすむ。これは、冷却要素および／または追加の冷却要素が能動的冷却要素として、たとえばペルティエ素子として設計されている場合に特に有利である。冷却要素および／または追加の冷却要素が能動的冷却要素として設計されている場合、有利には、外部へ伝達する必要のある廃熱の発生が少ない。
【００１６】
前述のように、冷却要素および／または追加の冷却要素は、有利には、能動的冷却要素として、特にペルティエ素子、ヒートポンプまたはヒートパイプとして設計してもよい。１つの特に有利な実施形態において、冷却要素は環状のペルティエ要素として設計される。このような設計により、有利には、検出対象の光のための光路がリングの中心を通ることができ、それによって、環状のペルティエ素子を通過する際、光路が環状のペルティエ素子の回転対称軸と実質的に同軸に構成される。
【００１７】
１つの特に有利な変化形態において、冷却要素および／または追加の冷却要素は、そこからの廃熱によって筐体の少なくとも１つの入射開口および／または筐体の入射光学系が加熱されるように構成される。このような設計の特別な利点は、入射開口の表面上、または入射光学系、たとえばレンズまたは複数のレンズの列等の表面上に結露が付着しないことである。これは、特に、廃熱を利用して入射開口の、または光学系の表面の温度を露点以上に保持することによって確実となる。
【００１８】
非常に有利には、冷却要素および／または追加の冷却要素が、その中を熱が流れるような受動的冷却要素として設計されるようにしてもよい。急速な熱伝達が確実に行われるように、受動的冷却要素および／または追加の受動的冷却要素が良好な熱伝導率を有することが特に有利である。この点において、有利には、冷却要素および／または追加の冷却要素の熱伝導率が１Ｗ／ｍＫより高く、特に１０Ｗ／ｍＫより高く、特に１００Ｗ／ｍＫより高く、とりわけ５００Ｗ／ｍＫより高くなるようにしてもよい。
【００１９】
１つの特に有利な変化形態において、受動的冷却要素および／または追加の受動的冷却要素は、検出装置の中の冷却対象の構成要素上、特に光センサ上および／または光センサを担持する基板上のできるだけ広い面積にわたって正確に適合できるような形状および寸法とされる。それによって特に効果的な冷却が可能となる。同じことが、冷却要素が能動的冷却要素として設計された場合および／または追加の冷却要素が追加の能動的冷却要素として設計された場合にも同様に当てはまる。しかしながら、冷却要素、または追加の冷却要素は常に、好ましくは、たとえば光路の口径食によって検出器の、および／または検出器の部品の機能が不利に劣化されることがないような方法で形成される。
【００２０】
特に検出器および／または検出器の部品が筐体とは異なる電位レベルにある時に使用可能な１つの特に有利な実施形態において、冷却要素および／または追加の冷却要素は、実質的に電気的絶縁性を有するように設計される。特に、冷却要素および／または追加の冷却要素の導電率が１０−７Ｓ／ｍ未満、特に１０−８Ｓ／ｍ未満となるようにしてもよい。
【００２１】
このような変化形態は、検出器を、冷却要素、または追加の冷却要素を介して筐体と機械的に接触させてもよく、その一方で、検出器をそれでもなお、少なくともこれが必要な電位レベルで動作できる程度まで電気的に絶縁されるという点で、特に有利である。たとえば、検出器が光電陰極によって生成された電子を加速させるための加速装置を備えるようにしてもよく、加速された電子は、たとえばアバランシェダイオードへと向けられる。あるいは、検出器が二次電子増倍管を含むようにしてもよい。この点で、数千ボルトの電圧差が検出器または検出器の部品と筐体との間に必要な状況も発生するかもしれない。
【００２２】
特に、このような電圧差に耐えるために、検出器の１つの具体的な実施形態では、冷却要素および／または追加の冷却要素が、少なくとも部分的に、電気的絶縁性と熱伝導性とを有する材料で、特に窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、人工ダイヤモンドで、またはこれらの材料の組み合わせで作製される。これらの物質は、一方で高い熱伝導率、他方で非常に低い導電率で知られている。さらに、これらの材料は、たとえば切削、旋削またはフライス加工によって容易かつ精密に機械加工できるという利点が得られる。
【００２３】
１つの特に有利な変化形態では、冷却要素および／または追加の冷却要素が、特にクリーページ（creepage）に対する抵抗を増大させるために、少なくとも１つの周縁突出部または少なくとも１つの周縁溝を有するようになされる。このような変化形態は、冷却要素の、または追加の冷却要素の表面に沿った沿面距離が長くなり、それによって電気フラッシュオーバの危険性が少なくとも低減されるという点で特に有利である。
【００２４】
冷却要素および／または追加の冷却要素は、有利には、基本的に環状または円筒状に構成してもよい。前述のように、これによって、効果的な冷却のために、たとえば光センサまたは光センサを担持する基板と有利には接触させた冷却要素、または追加の冷却要素に関する特別な利点と、他方で、検出対象の光の光路のために開口部が提供されるという別の利点の両方が得られる。
【００２５】
特に効果的に、かつ確実に機能する１つの具体的な実施形態において、冷却要素および追加の冷却要素は熱的に直列に接続される。特に、非常に有利には、冷却要素を受動的冷却要素として、たとえば窒化ホウ素のリングとして設計するように、またこれを光センサおよび／または光センサを担持する基板と直接接触するようにしてもよい。
【００２６】
さらに、有利には、この冷却要素を、能動的冷却要素として、たとえば環状のペルティエ素子として設計された追加の冷却要素と熱的に接触させるようにしてもよい。
【００２７】
環状の冷却要素および環状の追加の冷却要素は、好ましくは、相互と同軸に配置され、検出対象の光のための光路が冷却要素の、および追加の冷却要素の回転対称軸に沿って延びる。さらに、有利には、追加の能動的冷却要素、またはペルティエ素子の高温側を筐体の入射窓または入射光学系と接触させるようになすことができる。このような構成の特徴として、検出器の光センサが特に効果的に冷却ることがあり、これは、光センサ、またはその基板から受動的冷却要素を通って能動的冷却要素へと熱が直接伝達されるからである。さらに、能動的冷却要素の廃熱は、有利には、入射窓、または入射光学系の結露水の形成を防止するために使用される。実質的に電気的絶縁性の材料、たとえば窒化ホウ素をこの構成の冷却要素として使用すれば、非常に有利には、検出器を筐体の電位レベルとは異なる電位レベルで動作させることが可能となる。
【００２８】
特に、結露水の形成を防止するために、有利には、筐体が気密となり、および／またはその中が真空となるようになすことができる。たとえば、気密筐体に露点が特に低いガス、好ましくは乾性ガスを充填するようになすことができる。たとえば、筐体内に乾燥剤を導入することも有利である。これは、依然として存在していることもある残留水分を除去し、または進入してくる水分を吸収する役割を果たす。
【００２９】
本発明による検出装置は、非常に有利には、顕微鏡、特に走査顕微鏡または共焦点顕微鏡とともに使用しても、またはその中で使用してもよい。共焦点走査顕微鏡の１つの特に有利な実施形態は、本発明による検出装置を複数有する。たとえば、異なる検出スペクトル領域を個々の検出装置に割り当てる、および／または割り当てることができるようにしてもよい。
【００３０】
本発明の他の目的、利点、特徴および考えられる適用は、図面に関する例示的実施形態の以下の説明から明らかとなりうる。これに関して、説明または図示された特徴はすべて、単独でも、いずれの有益な組み合わせでも、またそれらが特許請求の範囲においてまたはそれ以前の説明の中で組み合わされる方法に関係なく、本発明の主題をなす。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による検出装置を概略的に示す。
【図２】本発明による他の検出装置を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、光２を受け取り、電気出力３で電気信号を生成するように設計された検出装置１を示す。検出装置１は筐体４を有し、その中に検出器５が位置付けられる。
【００３３】
検出器５は、光センサ６、すなわち基板７の上に構成され、透過システム内で動作する光電陰極８を有する。これは、そのうちの筐体４の入射光学系９に面する側が、検出対象の光２を受け取り、その反対に面する側は光電子を放出することを意味する。
【００３４】
光電陰極８とその基板７の電位レベルが−８０００Ｖである一方、筐体４の電位レベルは０Ｖである。
【００３５】
さらに、検出器５は、電位レベルが−４００Ｖのアバランシェダイオード１０を有する。光電陰極８により生成される光電子は、光電陰極８とアバランシェダイオード１０との間に存在する電位差に応答するもので、アバランシェダイオード１０に衝突すると、そこから電気出力３を介して電気信号が出力される。
【００３６】
筐体４の中で、検出装置１は、受動的冷却要素として設計された冷却要素１１を有する。具体的には、冷却要素１１は、熱伝導性と電気絶縁性とを有する中間素子１２として設計される。中間素子１２は環状の形であり、中間素子の中心軸は、検出対象の光の光路に対して同軸的に延びる。
【００３７】
さらに、筐体４の中で、検出装置１は、環状のペルティエ素子１４として設計された追加の冷却要素１３を有する。環状のペルティエ素子１４は、環状の中間素子１２に対して同軸的に構成される。
【００３８】
環状のペルティエ素子１４は、中間素子１２と熱伝導的に接触している。中間素子１２は、基板７と熱伝導的に接触している。
【００３９】
熱伝導性と電気絶縁性とを有する中間素子１２によって、冷却能力は、基板７と光電陰極８を非常に効果的に冷却するために利用されてもよい。さらに、環状のペルティエ素子１４の高温側は、筐体４と入射光学系９に面する。このように、入射光学系９は再び加熱され、それによって結露水の付着が防止される。検出器５、中間素子１２、環状のペルティエ素子１４と筐体４との間の残りの中間空間は、断熱かつ絶縁性充填剤で充填される。入射光学系９と光電陰極８との間の領域は、乾性ガスで充填される。
【００４０】
図２は、他の検出装置を示しており、中間素子１２は光電陰極８と熱伝導的に直接接触している。
【符号の説明】
【００４１】
１  検出装置
２  光
３  電気出力
４  筐体
５  検出器
６  光センサ
７  基板
８  光電陰極
９  入射光学系
１０  アバランシェダイオード
１１  冷却要素
１２  中間素子
１３  追加の冷却要素
１４  ペルティエ素子
【図１】
2013040938.tif 000003
【図２】
2013040938.tif 000004
【外国語明細書】
2013040938000001.pdf
2013040938000002.pdf
2013040938000003.pdf
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