(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法において、
（ａ）複数の光電陰極に対して実質的に空間的に均一な活性化剤のガス流を複数の光電陰極上に拡散させ、
（ｂ）複数の光電陰極の合計の光応答率を監視し、
（ｃ）所望の合計の光応答率が得られたときに、活性化剤ガス流の拡散を終了するステップを含んでおり、
前記合計の光応答率を監視するステップ（ｂ）は、
（ｉ）導線の一方の端部を光応答率測定装置に接続し、その導線の他方の端部を前記複数の光電陰極の導電層に接続し、
（ii）電源を付勢して光応答率測定装置および前記複数の光電陰極に電流を供給し、
(iii)光応答率測定装置により前記複数の光電陰極の合計の光応答率を監視するステップを含んでいる複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法。
【請求項２】
合計の光応答率を監視するステップにおいて、さらに、前記複数の光電陰極の合計の光応答率を連続的に監視する請求項１記載の方法。
【請求項３】
合計の光応答率を監視するステップにおいて、さらに、電気回路中に光電陰極を配置し、光電陰極を並列に配置する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（ａ）において使用される活性化剤は、セシウム酸化物、セシウムフッ化物、バリウム酸化物、バリウムフッ化物、またはその組合せからなるグループから選択されている請求項１記載の方法。
【請求項５】
活性化剤のガス流を拡散するステップにおいて、さらに、
（ａ）第１のガスのガス流を前記複数の光電陰極にわたって拡散し、第１のガスのガス流が実質的に時間的に一定の比率で維持され、実質的に空間的に均一なパターンで光電陰極にわたって拡散され、
（ｂ）第２のガスのガス流が実質的に時間的に変化する比率で維持されるように、第２のガスを前記複数の光電陰極にわたって拡散し、第２のガスのガス流が実質的に空間的に均一なパターンで光電陰極にわたって拡散される請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第１のガスはセシウムガスおよびバリウムガスからなるグループから選択され、前記第２のガスは酸素ガスおよびフッ素ガスからなるグループから選択されている請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記複数の光電陰極の光電子放出層は、ヒ化ガリウムから製造されている請求項１または６記載の方法。
【請求項８】
外面の一部分を囲み、かつ光電子放出層と接触している導電層を有する複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法において、
（ａ）活性化剤のガス流を複数の光電陰極にわたって拡散し、そのガス流が複数の光電陰極に関して実質的に空間的に均一であり、
（ｂ）光応答率測定装置に前記複数の光電陰極の前記導電層を接続し、
（ｃ）複数の光電陰極の合計の光応答率が測定されることができるように、電源を付勢して光応答率測定装置および前記複数の光電陰極に電流を供給し、
（ｄ）前記複数の光電陰極の合計の光応答率を監視して、所望の合計の光応答率が得られた時に活性化剤ガス流の拡散を終了するステップを含んでいることを特徴とする複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法。
【請求項９】
前記活性化剤のガス流を拡散するステップにおいて、さらに、
（ａ）第１のガスのガス流を前記複数の光電陰極にわたって拡散し、第１のガスのガス流が実質的に時間的に一定の比率で維持され、かつ実質的に空間的に均一なパターンで光電陰極にわたって拡散され、
（ｂ）第２のガスのガス流が実質的に時間的に変化する比率で維持されるように第２のガスを前記複数の光電陰極にわたって制御し、第２のガスのガス流が実質的に空間的に均一なパターンで各光電陰極に拡散される請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１のガスはセシウムガスおよびバリウムガスからなるグループから選択され、第２のガスは酸素ガスおよびフッ素ガスからなるグループから選択されている請求項９記載の方法。
【請求項１１】
真空室内に前記複数の光電陰極を配置するステップをさらに含み、真空室がガスおよび導線を真空室中に導入するための１以上の入口開口を有しており、第２のガスのガス流が１以上の入口開口を通してガスを真空室中に注入することによって前記複数の光電陰極にわたって拡散される請求項９記載の方法。
【請求項１２】
１以上の処理トレーによって真空室内に前記複数の光電陰極を支持するステップをさらに含んでいる請求項９記載の方法。
【請求項１３】
複数の光電陰極の光電子放出層は、ヒ化ガリウムから製造されている請求項９記載の方法。
【請求項１４】
外面の一部分を取囲み、かつ光電子放出層と接触している導電層を有する複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法において、
（ａ）前記複数の光電陰極を真空室内に配置し、真空室がガスおよび導線を真空室中に導入するための複数の入口開口を有しており、
（ｂ）前記複数の光電陰極を真空室内において支持し、
（ｃ）導線の一方の端部を光応答率測定装置に接続し、かつ導線の他方の端部を前記複数の光電陰極の導電層に接続し、
（ｄ）真空室内に配置された前記複数の光電陰極に光を照射し、
（ｅ）光応答率測定装置および前記複数の光電陰極に電流を供給するために電源を動作させ、
（ｆ）活性化剤ガス流を前記複数の光電陰極にわたって拡散し、そのガス流が前記複数の光電陰極に対して実質的に空間的に均一であり、
（ｇ）光応答率測定装置により前記複数の光電陰極の合計の光応答率を測定し、
（ｈ）所望の合計の光応答率が得られた時に、活性化剤ガス流の拡散を終了するステップを含んでいることを特徴とする複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法。
【請求項１５】
光電陰極は並列に配置されている請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
活性化剤ガス流を拡散するステップにおいて、さらに、
（ａ）第１のガスのガス流を前記複数の光電陰極にわたって拡散し、第１のガスのガス流が実質的に時間的に一定の比率で維持され、かつ実質的に空間的に均一なパターンで光電陰極にわたって拡散され、第１のガスがセシウムガスおよびバリウムガスからなるグループから選択され、
（ｂ）第２のガスのガス流が実質的に時間的に変化する比率で維持されるように第２のガスを前記複数の光電陰極にわたって制御し、第２のガスのガス流が実質的に空間的に均一なパターンで各光電陰極に拡散され、第２のガスが酸素ガスおよびフッ素ガスからなるグループから選択されている請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
第１のガスはセシウムガスからなり、第２のガスは酸素ガスからなる請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の光電陰極の光電子放出層は、ヒ化ガリウムから製造されている請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光電陰極上に活性化層を同時に付着するために使用されることのできる光電陰極上への活性化層の付着方法に関する。光電陰極はイメージ増倍装置、光電子増倍管、光子カウンタおよびリソグラフィや電子加速器における光制御電子ソースに使用される。
【０００２】
【従来の技術】
光電陰極に関する一般的な背景技術は、米国特許第４，９９９，２１１号明細書（"Apparatus and Method for Making a Photocathode"("Duggan'211")，Daniel D.Duggan 氏により1991年 3月12日出願）、米国特許第５，１１４，３７３号明細書（"Method for Optimizing Photocathode Photoresponse"("Peckman'373") ，Robert Peckman氏により1991年 5月19日出願），および米国特許第５，２９８，８３１号明細書（"Method for Making Photocathodes for Image Intensifier Tubes" ，Avrham APmith 氏により1993年 3月29日出願）が参照とされる。これらの各特許権は、本出願人であるＩＴＴ社に譲渡されており、これらの明細書はここにおいて参考文献とされている。上述のように、光電陰極はイメージ増倍装置、光電子増倍管、光子カウンタおよびリソグラフィや電子加速器における光制御電子ソースに有効である。イメージ増倍管は、航空機のパイロットの暗視力を高め、天体を写真撮影し、また色素性網膜炎（夜盲）の患者に暗視力を提供する等の民間および軍事的用途に使用されている。
【０００３】
光電陰極は、典型的に光を受ける受光面と、この受光面の反対側に設けられた光電子放出層とを有しており、光は光電子放出層から電子増幅器（またはマイクロチャンネル板）および陽極に放射される。光電陰極の光電子放出層は、一般にいくつかの材料の層から構成されている。窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）により製造されることのできる反射防止層がマイクロチャンネル板に面した表面上に設けられる。これに続いてウインドウ層と活性層が設けられ、これらの層はそれぞれヒ化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）およびヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）から構成されてもよい。最後に、ヒ化ガリウムの表面に供給されるセシウム酸化物、セシウムフッ化物、またはバリウムフッ化物のような活性化剤は、光電子放出ウェハから放射される電子量の増加に効果的であることが認められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電子流を発生させる光電陰極に対して、光電陰極に導かれる光の光子は、光電子放出ウェハの活性層中で捕捉されなければならない。この光子の捕捉が、光電子放出ウェハから電子を放出させる。電子はウェハに再吸収される前に、解放され、マイクロチャンネル板に向かって移動しなければならない。活性化層は、大部分の電子がウェハへの吸収を免れるように電子の吸引力を減少させるように機能し、その結果高い光応答率（ＰＲ）が実現される。光電陰極の表面から電子を放出させるのに必要なエネルギ量は、仕事関数と呼ばれている。活性化剤により活性化された光電陰極は、実際に負の仕事関数を有することができるため、電子が光電陰極の表面からはじき出される。
【０００５】
活性化層は、典型的に真空付着プロセスによって光電陰極面上に付着される。現在の技術は、光電陰極を一時に１個づつ活性化する（仕事関数を低下させ、かつＰＲを高めるために活性化剤を供給する）。例えば、セシウム酸化物活性化層を設けるために、光電陰極は真空室中に配置され、セシウムガスがこの室中に導かれて光電陰極上に付着され、これに続いて酸素ガス流が導入される。セシウムおよび酸素が付着されると、電子はヒ化ガリウム層から放出される。光電陰極が電源およびＰＲ測定器に電気的に接続されているので、電子が放出される率、すなわち光応答率（ＰＲ）がこのプロセス中に測定される。その後、ＰＲ測定器により表示されたＰＲに基づいて供給プロセス中に活性化剤の化学量論的な量が調節される。
【０００６】
現在の技術下では、光電陰極は個別に活性化されている。事実、ＰＲを同時に監視し、その一方で活性化剤の流れを調節することに付随する複雑さのために、個別の活性化が必要であったものである。活性化面における欠陥部分は、電子を引き付ける位置であり、それらとじかに接して取囲んでいる領域ではＰＲが存在しないため、活性化剤の適度に均一なコーティングを維持することは、光電陰極の全体的な効率の改良に重要である。活性化剤の化学量論的な量の調節に固有の困難な問題と結び付けて考えられる光電陰極のＰＲの相違のために、個別に実施される供給プロセスが要求されていた。
【０００７】
実例で示すと、活性化プロセスにおいて、セシウムクロム酸塩のようなセシウム化合物を化学反応させ、真空室内でセシウムの拡散分子蒸気を放出させることによってセシウムが真空室中に導入される。陰極表面上のセシウムは光応答率を高め、それは約５分後にピークに達する。その後、セシウムと共に付着させるために酸素が導入され、セシウム酸化物が生成される。酸素流は、正しい化学量論的な量を維持するように弁によって制御される。セシウム流が一定のままで酸素流を調節することによって、化学量論的な量は、ＰＲを最大にするように測定される。したがって、活性化剤の化学量論的な量を適切に調節するために個別に実施されるプロセスが必要とされてきた。
【０００８】
しかしながら、個別に実施されるプロセスには欠点がある。それは特に、活性化層が光電陰極に１つづつ個別に供給される場合には、必要な処理時間が長くなることである。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、複数の光電陰極に活性化層を同時に形成するために使用可能な光電陰極の光電子放出面へ活性化層を形成する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明の複数の光電陰極の光電子放出層に活性化層を形成する方法によって達成される。本発明の方法は、
（ａ）複数の光電陰極に対して実質的に空間的に均一な活性化剤のガス流を複数の光電陰極上に拡散させ、
（ｂ）複数の光電陰極の合計の光応答率を監視し、
（ｃ）所望の合計の光応答率が得られたときに、活性化剤ガス流の拡散を終了するステップを含んでおり、
前記合計の光応答率を監視するステップ（ｂ）は、
（ｉ）導線の一方の端部を電源および光応答率測定装置に接続し、その導線の他方の端部を複数の光電陰極の導電層に接続し、
（ii）電源を付勢して光応答率測定装置および複数の光電陰極に電流を供給し、
(iii)光応答率測定装置により複数の光電陰極の合計の光応答率を監視するステップを含んでいることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明をさらによく理解するために、本発明の１実施形態を以下に説明し、添付図面と共に考慮する。
図１のａを参照すると、フェースプレート12、光電子放出ウェハ14、光電陰極10から間隔をおいて配置されたマイクロチャンネル板16および陽極18を有している光電陰極10を備えたイメージ増倍管が示されている。フェースプレート12は光学材料から形成され、その表面20で光を受けるように構成されている。
【００１２】
周辺フランジ22は、典型的にフェースプレートを取り囲み、ハウジング（示されていない）内にそれをしっかり固定している。イメージ増倍管は、視野からの光線がフェースプレート12にその面20から透過するように設計されている。フェースプレート12はまた、表面20にほぼ平行な表面部分20ａおよび20ｂと、接続表面部分20ｃを備えている。光電子放出ウェハ14は、表面20に入射した光が最終的にウェハ14を照射して電子を放出させるように表面部分20ａに結合されている。電子は、間隙を横切ってマイクロチャンネル板16に導かれ、２次電子放射を発生させる。光電子放出ウェハ14はまたこのウェハ14と接触している導電性コンタクト層24によって外部バイアス電源（示されていない）にも接続されており、このコンタクト層24は表面部分20ｂおよび20ｃ並びに表面部分20ａの一部分に設けられている。
【００１３】
図１のｂを参照すると、図１のａの光電子放出ウェハ14がさらに詳細に示されている。ウェハ14は、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）から形成された反射防止層30、ヒ化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）から形成されたウインドウ層32、この層32上に付着されたヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）から形成された活性層34、およびヒ化ガリウム層34の外面上にセシウム酸化物（ＣｓＯ）のような活性化化合物を付着させることによって形成された活性化層36の４つの層から構成されている。
光電子放出ウェハを備えた光電陰極は任意の既知の方法で形成され、この用途の既知の材料から構成されてもよい。
【００１４】
図２は、単一の光電陰極の光電子放出ウェハに活性化層を形成する従来技術の方法に対して使用される装置を示している。光電陰極10は真空室40内に配置される。光電陰極10は処理トレー42によって支持されており、この処理トレー42はセラミックスタンド44により支持され、回転カルーセル46に連結されている。セラミックスタンド44は、このカルーセル46から処理トレー42を絶縁している。
【００１５】
導線48は、真空室40に給電部49を通って入っている。それは一方の端部が光電陰極の導電性コンタクト層（図１において24で示されている）に結合され、他方の端部が光応答率測定器50および電源52に結合されている。処理トレーは、室壁を貫通している給電部を介して導線53により接地電位に接続されている。セシウムは、加熱されたセシウムクロム酸塩チャンネル54によりシステム内で生成される。真空室中に酸素ガスを導入して拡散させるための入口供給ポート56が設けられている。光源58は光線が光電陰極の表面（図１では20で示されている）に導かれるように配置されている。
【００１６】
図２の装置が使用される従来技術の方法は、実質的にＤuggan の米国特許第４，９９９，２１１号明細書に記載されている。基本的に、セシウムガスは室内で発生され、光電陰極上に付着される。その後、酸素ガスが入口ポート56から室中に導かれる。セシウムガスおよび酸素ガスが反応し、セシウム酸化物層が光電陰極のヒ化ガリウム外層上に付着される。その間に、光源58が光電陰極の表面に光線を導くために使用され、電子をヒ化ガリウム層から放出させ、導線48によって光電陰極に電気的に接続された光応答率測定器50によりそれらを検出する。その後、ＰＲ測定器により表示されたＰＲに基づく供給プロセス中に、活性化剤の化学量論的な量の調節が行われる。ＰＲを最適化する方法は、ここにおいて参照とされている上記の特許明細書にさらに詳細に記載されている。
【００１７】
図３を参照すると、本発明の方法が示されている。この実施形態は、真空室40内に配置された４個の光電陰極10ａ，10ｂ，10ｃおよび10ｄを示している。光電陰極は、処理トレー42によって支持され、この処理トレー42もまたスタンド44および回転カルーセル46により支持されている。処理トレー42は導電性の材料から構成され、一方スタンドはセラミックのような非導電性材料から形成されている。導線48は、光応答率測定器50および電源52に光電陰極を接続する。セシウムクロム酸塩チャンネル54が真空室内に配置されている。入口ポート56は酸素ガスを導入するために設けられており、また光源58は光電陰極を照明し、それが光子を電子に変換することを可能にするために設けられている。図２に示されている装置と同様に、接地導線が処理トレーに接続されることもできる。
【００１８】
図３では、複数の光電陰極および各光電陰極を導線48に並列に接続する個別の導線60によって本発明の新しい特徴が示されている。
活性化層を複数の光電陰極に設ける時、最初にセシウムガスがシステム内で発生される。セシウムガスの拡散は空間的に均一で、かつ一定比率になるように維持されなければならない。セシウムチャンネル54は、セシウムガスの光電陰極に関する空間的均一性を最大にするように構成され、かつ光電陰極に関して配置されることが好ましい。これは、拡散器の使用等の技術的に知られている方法によって実現可能である。
【００１９】
セシウムガスは、ほぼ３×１０-9アンペアの光電陰極の個数倍のピーク光電流に達するまで室内で連続的に発生される。したがって、４個の光電陰極が使用された場合は、１２×１０-9アンペア程度の光電流に達するまで、セシウムガスが一定比率で供給される。これを光電陰極の“セシウム上昇（ｒｉｓｅ）”と呼ぶ。活性化プロセス全体の効率にそれ程影響を与えないが、小さい変化が各光電陰極に対するＰＲに存在する可能性があることが認められている。換言すると、全ての光電陰極の合計の光応答率は、活性化剤の拡散が空間的に均一である場合には、活性化剤の化学量論的な量を調節するのに十分な基準であることが認められている。複数の光電陰極の合計の光応答率は、連続的にまたは同時に測定されることができる。
【００２０】
一度セシウム上昇が行われると、酸素が入口ポート56を通って流れ始める。Ｄuggan の米国特許明細書等に記載されている既知の方法では、酸素は真空室中に連続ベースで拡散される。酸素ガスを室中に拡散する酸素弁は、酸素流を連続的に調節するために使用され、その一方でＰＲがＰＲ測定器50で測定される。酸素の導入により、酸化反応が発生して、セシウムをセシウム酸化物の層に変換する。上記において説明したピーク値に光電流が達するまで、酸素の調節が続行される。ピーク値に達した時点で、処理を終了することができる。
【００２１】
図４を参照すると、本発明の方法の別の実施形態が示されている。複数の光電陰極を設置できるように設計された１つの処理トレー64に沿って支持されている光電陰極が示されている。電気接続導線66が設けられており、これは室壁を貫通して供給され、光電陰極が電力を供給されているか否かを決定する手段である測定器67に接続されている。セシウムは、室内のセシウムチャンネル68によって空間的に均一な比率で発生される。酸素は、光電陰極およびセシウムガスに関する空間的な均一性を達成するためにポート70に入った後で拡散される。
【００２２】
ここに記載されている実施形態は単なる例示に過ぎず、当業者は本発明の技術的範囲を逸脱することなく本発明を変更または修正できることが理解されるであろう。好ましい実施形態では、セシウム酸化物活性化層を備えたヒ化ガリウム光電陰極が使用されているが、その他のタイプの光電陰極および活性化層により本発明の方法を使用することができることを理解すべきである。さらに、実質的に等価なガス流に光電陰極をさらす任意の供給源が多数の陰極の活性化に対して使用されることができる。また、実施形態には、並列に配置された光電陰極が示されているが、それらは直列に配置されることができる。このような変更および修正は全て、添付された特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により生成された光電陰極を備えたイメージ増倍管の断面図、およびその断面図の斜線部分の光電陰極の光電子放出層の拡大図。
【図２】単一の光電陰極に活性化層を供給する従来技術の方法に対して使用される装置の概略図。
【図３】本発明の方法の１実施形態を示した概略図。
【図４】本発明の方法の別の実施形態を示した概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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