(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された被検出光によって励起された光電子を放出する光電陰極であって、
ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなり、その一方の面が前記被検出光を入射する入射面、他方の面が前記光電子を放出する出射面となっている光吸収層と、
前記光吸収層に対して、前記入射面と前記出射面との間に所定電圧を印加する電圧印加手段と、
半導体材料又は導電性材料からなり、前記光吸収層の前記入射面及び前記出射面のうち一方の面上に設けられ前記光吸収層の機械的強度を補う支持体と
を備え、
前記電圧印加手段は、前記支持体の前記光吸収層側とは反対側の面上に形成された電極と、前記光吸収層の前記入射面及び前記出射面のうち他方の面上に形成された別の電極とを有することを特徴とする透過型光電陰極。
【請求項２】
前記光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１記載の透過型光電陰極。
【請求項３】
前記光吸収層の前記多結晶ダイヤモンドの表面及び粒界面が酸素終端されていることを特徴とする請求項２記載の透過型光電陰極。
【請求項４】
前記光吸収層の前記出射面が水素終端されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の透過型光電陰極。
【請求項５】
前記光吸収層の前記出射面が酸素終端されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の透過型光電陰極。
【請求項６】
前記光吸収層の前記出射面上に、前記光吸収層の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の透過型光電陰極。
【請求項７】
前記光吸収層の前記活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物からなることを特徴とする請求項６に記載の透過型光電陰極。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項記載の透過型光電陰極と、
前記透過型光電陰極から放出された前記光電子を直接または間接に収集するための陽極と、
前記透過型光電陰極及び前記陽極を収納する容器とを備えることを特徴とする電子管。
【請求項９】
前記透過型光電陰極から放出された前記光電子を２次電子増倍する電子増倍手段を備えることを特徴とする請求項８記載の電子管。
【請求項１０】
前記陽極は、電子が入射することによって発光する蛍光体からなることを特徴とする請求項８または９記載の電子管。
【請求項１１】
電子が入射することによって発光する蛍光体を備え、前記透過型光電陰極への前記被検出光の入射位置に対応する位置の前記蛍光体を発光させることにより画像を表示することを特徴とする請求項８または９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、被検出光を吸収して光電子を励起し、外部へ放出する光電陰極及び光電陰極を備えた電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、所定波長の被検出光を検知するために用いられる光電陰極及びそれを備えた電子管が知られている。光電陰極は、所定波長の光を吸収して光電子を放出する光吸収層を有しており、光吸収層に被検出光が入射されてこの被検出光が光電子に変換されることによって、被検出光を検知することができる。光吸収層には様々な半導体材料が用いられるが、紫外光について光電変換の量子効率の高い材料として多結晶ダイヤモンドが、特開平１０−１４９７６１号公報に開示されている。
【０００３】
近年の半導体の高集積化に伴って半導体集積回路の微細化が急速に進んでいる。現在、微細な半導体集積回路の製造方法として光リソグラフィーが有望視されており、その光源はＡｒＦマキシマレーザからＦ2レーザ等の波長の短いものへと研究が進められている。そして、このような紫外光などの波長の短い光を利用した技術の発展に伴って、紫外光をモニタするための光検出器が要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
紫外光などの光検出器として従来用いられてきたＳｉフォトダイオード等の内部光電効果素子は、強い紫外光の入射によって、ｐ／ｎ接合やショットキ接合が劣化し、安定に動作しないことが問題になっている。
【０００５】
一方、光電陰極を用いた電子管などの外部光電効果素子は、一般に上記のようなｐ／ｎ接合やショットキ電極を有しないので、これらの劣化の問題は発生しない。そして、光電陰極には、被検出光を入射する入射面と光電子を放出する出射面とが同一の面である反射型と、これらの面が異なる透過型の２種類の型がある。
【０００６】
本願発明者による実験では、ダイヤモンドからなる反射型の光電陰極では強力な紫外光の入射によりその表面状態が変化することがわかっており、このため仕事関数の変化により光電子の放出効率が低下することが観測されている。
【０００７】
一方、ダイヤモンドからなる透過型の光電陰極では、被検出光の入射により発生した光電子が反対側の出射面から放出されなくてはならず、そのためには薄いダイヤモンド膜が必要となる。本願発明者によるダイヤモンド膜の光電子放出に関する実験により、ダイヤモンド膜内の光電子の拡散長は０．０５μｍ程度であることがわかっている。また、効率よく光電子を放出させるためにはダイヤモンド膜の膜厚を拡散長と同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薄い膜厚のダイヤモンド薄膜を、紫外光に対して透明な基板、例えばＭｇＦ2、サファイヤ、石英基板上に形成することは困難であり、ダイヤモンドからなる透過型の光電陰極を実現することは困難であった。このため、紫外光などの波長の短い光に対して充分な感度を有する透過型光電陰極を実現できなかった。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、紫外光などの波長の短い光に対して充分な感度を有するとともに、光電変換によって生成された光電子を高い効率で放出させることができる透過型光電陰極、及びそれを用いた電子管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】
このような目的を達成するために、本発明による透過型光電陰極は、入射された被検出光によって励起された光電子を放出する光電陰極であって、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなり、その一方の面が被検出光を入射する入射面、他方の面が光電子を放出する出射面となっている光吸収層と、光吸収層に対して、入射面と出射面との間に所定電圧を印加する電圧印加手段と、半導体材料又は導電性材料からなり、光吸収層の入射面及び出射面のうち一方の面上に設けられ光吸収層の機械的強度を補う支持体とを備え、電圧印加手段は、支持体の光吸収層側とは反対側の面上に形成された電極と、光吸収層の入射面及び出射面のうち他方の面上に形成された別の電極とを有することを特徴とする。
【００１０】
光吸収層の一方が入射面、他方が出射面となっている透過型の光電陰極とすることによって、強い紫外光の入射により出射面の表面状態が変化することがなく、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層がダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなることによって、紫外光などの波長の短い被検出光が光電子に変換される効率を高めることができる。また、電圧印加手段が光吸収層内部に電界を形成することによって、光電子を出射面まで到達し易くし、高い効率で放出させることができる。また、透過型光電陰極は、光吸収層の機械的強度を補う支持手段を備えることにより、薄く形成される光吸収層の機械的強度を補うことができる。
【００１２】
また、光吸収層は、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなることを特徴とする。多結晶ダイヤモンドは薄膜内部に粒界面が存在するので、単結晶ダイヤモンドよりも効率よく光電子を放出させることができる。また、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べて形成が容易なので、安価に製造することができる。
【００１３】
また、光吸収層が多結晶ダイヤモンドからなる場合には、その表面及び粒界面が酸素終端されていることが好ましい。このようにすれば、これらの面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続させることができる。
【００１４】
また、光吸収層の出射面は酸素終端されていることが好ましい。このようにすれば、出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続させることができる。あるいは、光吸収層の出射面は水素終端されていても、出射面の仕事関数を低下させることができ、出射面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ容易に放出できる。
【００１５】
また、光吸収層の出射面には光吸収層の仕事関数を低下させるための活性層が形成されていることが好ましい。これにより、光吸収層の出射面に到達した光電子は透過型光電陰極の外部へさらに容易に放出されることができる。この活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、またはアルカリ金属のフッ化物を用いて形成されると、上記の効果を好適に奏することができる。
【００１６】
また、本発明による電子管は、上記した透過型光電陰極と、透過型光電陰極から放出された光電子を直接または間接に収集するための陽極と、透過型光電陰極及び陽極を収納する容器とを備えることを特徴とする。このような透過型光電陰極を用いた電子管によれば、紫外光などの波長の短い被検出光を高い量子効率で検出することができる。
【００１７】
また、電子管は、透過型光電陰極から放出された光電子を２次電子増倍する電子増倍手段を備えることを特徴としてもよい。このような電子管により、微弱な被検出光を大きな信号電流として検出可能な光電子増倍管が得られる。これにより、紫外光等を高いＳ／Ｎ比で精度良く検出できる。
【００１８】
また、陽極は、電子が入射することによって発光する蛍光体からなることを特徴としてもよい。このような電子管により、被検出光による画像を精度よく再現可能なイメージ管が得られる。
【００１９】
また、電子管は、電子が入射することによって発光する蛍光体を備え、透過型光電陰極への被検出光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光させることにより画像を表示することを特徴としてもよい。電子管をこのように画像表示素子として用いることによって、位置情報を有する光信号を入射させて静止画、あるいは動画を従来より高輝度、低消費電力で表示することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による透過型光電陰極及び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要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
図１は、本発明による透過型光電陰極の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。また、図２は図１に示した透過型光電陰極の斜視図である。
【００２２】
図１に示す透過型光電陰極は、光吸収層１、支持枠２１、第１電極３１、及び第２電極３２によって構成されている。この透過型光電陰極は、紫外光などの被検出光の入射により光吸収層１内部に光電子が励起され、この光電子が外部へ放出される光電陰極である。また、光吸収層１の一方の面（図１中の上面）が被検出光を入射する入射面、その反対側の面となる他方の面（図１中の下面）が光電子を放出する出射面となる透過型の構成を有している。
【００２３】
光吸収層１はダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料から形成されたダイヤモンド膜からなる。この光吸収層１は、好ましくは被検出光が入射する入射深さよりも充分に厚く形成されるのが良い。また、光吸収層１は出射面が酸素終端や水素終端として終端処理されるのが好ましい。
【００２４】
支持枠２１は、薄く形成される光吸収層１の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠２１は、Ｓｉ等の材料からなり、光吸収層１の出射面上の外縁部に設けられている。
【００２５】
第１電極３１は、光吸収層１の入射面に対して設けられる入射面側電極である。本実施形態においては、図２に示すように光吸収層１の入射面上に格子状に第１電極３１が形成されている。また、第２電極３２は、光吸収層１の出射面に対して設けられる出射面側電極である。本実施形態においては、支持枠２１の光吸収層１側とは反対側の全面に第２電極３２が形成されている。これら第１電極３１及び第２電極３２は、光吸収層１の入射面と出射面との間に電圧を印加して光吸収層１内部に電界を形成する電圧印加手段として設けられている。
【００２６】
また、光吸収層１の出射面上には、出射面の仕事関数を低下させるための活性層１１が形成されている。
【００２７】
上記した透過型光電陰極の構成において、被検出光が光吸収層１の入射面から入射すると、光吸収層１内部に被検出光の光量に応じた数の光電子が発生する。また、光吸収層１内部には、第１電極３１と第２電極３２との間に接続された電源３３によって所定の電圧を印加することにより、出射面側が正、入射面側が負となるような電界が形成されている。この電界によって、光吸収層１内部に発生した光電子は出射面方向に加速され、出射面に到達した後、活性層１１を通過して透過型光電陰極の外部に放出される。
【００２８】
本実施形態の透過型光電陰極は、以下に示す効果を得ることができる。なお、量子効率とは、被検出光の入射に対して光吸収層１内部において変換された光電子が透過型光電陰極の出射面から外部に放出される効率である。
【００２９】
図１に示した透過型光電陰極は、光吸収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。このように、被検出光が入射する入射面を光電子が放出される出射面とする反射型ではなく、透過型の構成とすることにより、強力な紫外光などの被検出光の入射による出射面の表面状態の変化が防止される。これによって、出射面での仕事関数の変化が抑制されるので、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。
【００３０】
また、光吸収層１がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されている。ダイヤモンドは、光電陰極の材料として従来より用いられているＣｓＩなどの材料よりも、紫外光に対する光電子変換効率が高い。このような性質を有するダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を光吸収層１に用いることによって、光吸収層１は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。
【００３１】
また、光吸収層１の入射面側に第１電極３１、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収層１内部に電界を形成している。これによって、光吸収層１内部で発生した光電子を効率よく出射面に到達させることができ、光電子が透過型光電陰極の外部へ放出される効率を高めることができる。通常、光吸収層１内部で発生した光電子が光吸収層１外部へ放出されるためには、光電子を外部へ放出させるために光吸収層１の厚さを光電子の拡散長と同程度に形成する必要がある。しかし、このような厚さの光吸収層１をダイヤモンド及びダイヤモンドを主成分とするダイヤモンド膜として形成することは困難である。本実施形態による透過型光電陰極では、光吸収層１内部に電界を形成して、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光吸収層１の厚さが、例えば厚さ数μｍ程度といった拡散長より厚い場合でも効率よく光電子を放出させることができる。
【００３２】
ここで、光吸収層１の材料としては、多結晶ダイヤモンド、または多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料を用いることが好ましい。多結晶ダイヤモンドは粒状結晶からなるため、内部に粒状結晶の表面である粒界面を有している。そして、光吸収層１内部において発生した光電子が拡散する全方向に存在する粒界面から光電子が放出される。このため、光電子が励起してから放出されるまでの移動距離が短くなり、放出される光電子の数が多くなる。その結果、より高い量子効率を得ることができる。また、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べて安価に、大量に製造できることから、光吸収層１の材料として多結晶ダイヤモンドを用いれば、透過型光電陰極の製造コストを抑えることができる。
【００３３】
また、光吸収層１の出射面上の外縁部には、支持手段として支持枠２１が設けられている。光吸収層１は、内部において発生した光電子を放出するために薄く形成されるので、機械的な強度が充分でない場合がある。このように、光吸収層１の機械的強度を補う必要がある場合は、支持枠２１のような支持手段を出射面上の外縁部などの適当な位置に設けると良い。これによって、光吸収層１の機械的強度を補うことができる。
【００３４】
また、光吸収層１の出射面は酸素によって終端されていることが好ましい。光吸収層１の出射面が酸素で終端されることによって、光吸収層１の出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続することができる。あるいは、光吸収層１の出射面の表面は、水素で終端することもできる。水素で終端された場合でも、光吸収層１の出射面の仕事関数を低下させることができ、出射面に到達した光電子を透過型光電陰極の外部へ容易に放出できる。
【００３５】
また、光吸収層１が多結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドを主成分とする材料からなるときは、光吸収層１の多結晶ダイヤモンドの表面及び粒界面は、酸素終端されていることが好ましい。これらの面が酸素で終端されることによって、光吸収層１の出射面は安定となり、電気的特性を長期にわたり持続することができる。
【００３６】
なお、図１に示した透過型光電陰極は透過型の構成を有しているため、紫外光などの被検出光は出射面には入射せず、上記した終端処理による表面状態は変化しない。これによって、終端処理により高めた光電子の放出効率を維持できる。
【００３７】
また、光吸収層１の出射面上には、ダイヤモンドの仕事関数を低下させる性質をもつ活性層１１が形成されることが好ましい。光吸収層１の出射面の仕事関数を低下させることで、光吸収層の出射面に到達した光電子を光吸収層１の出射面からさらに容易に放出できる。また、この活性層は、アルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物などを用いて形成されることで、上記の効果を好適に得ることができる。
【００３８】
ここで、図３は、図１に示した透過型光電陰極の、入射した光の波長に対する量子効率を示す分光感度特性のグラフである。図３では、縦軸に量子効率（％）、横軸に被検出光の波長（ｎｍ）を表している。透過型光電陰極を上記した構成とすることによって、真空紫外域の光に対して高い量子効率を実現している。
【００３９】
図１に示した透過型光電陰極の製造方法及び具体的構成の一例について概略的に説明する。図４は、図１に示した透過型光電陰極の製造工程を示す工程図である。
【００４０】
Ｓｉからなる基板２０の一方の面上に、多結晶ダイヤモンドからなる光吸収層１を約５μｍの厚さで堆積する（図４（ａ））。このような、薄い多結晶ダイヤモンドの層を形成する方法としては、熱フィラメントまたはマイクロ波プラズマを用いた化学気相堆積法（ＣＶＤ法）やレーザーアブレーション法などによる合成方法を用いることができる。また、基板２０の材料はＳｉに限らず、モリブデンやタンタルといった高融点金属や、石英、サファイヤといったものを用いてもよい。
【００４１】
次に、基板２０の他方の面上に第２電極３２を蒸着により形成する（図４（ｂ））。そして、基板２０の他方の面上から、第２電極３２と基板２０との一部を適当な寸法のマスクを用いてエッチング除去し、光吸収層１を一部露出させる（図４（ｃ））。エッチングはＨＦ＋ＨＮＯ3溶液またはＫＯＨ溶液により行われ、基板２０がエッチングされ光吸収層１が露出するとエッチングは自動的に停止する。基板２０のうち、エッチングによって除去されなかった部分は、支持枠２１として光吸収層１の機械的強度を補う機能を有する。
【００４２】
そして、光吸収層１の、エッチングにより露出した面（出射面）とは反対側の面（入射面）上に、フォトリソグラフィー技術とリフトオフ技術を用いて、適当な寸法の格子状の第１電極３１を形成する（図４（ｄ））。そして、これらを真空中に保持して、光吸収層１の出射面の清浄化を行った後に出射面等を酸素終端もしくは水素終端する。
【００４３】
最後に、光吸収層１の出射面にアルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物など、ダイヤモンド表面の仕事関数を低下させる性質を有する材料を塗布して活性層１１を形成する（図４（ｅ））。
【００４４】
上記の製造工程によって、第１実施形態による透過型光電陰極を製造することができる。ただし、透過型光電陰極の製造方法及び具体的構成については、本実施例に限らず、様々な方法及び構成を用いることができる。
【００４５】
図５は、透過型光電陰極の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。
【００４６】
図５に示す透過型光電陰極は、光吸収層１、活性層１１、支持枠２１、第１電極膜３１ａ、補助電極３４、及び第２電極３２によって構成されている。このうち、光吸収層１、活性層１１、支持枠２１、第２電極３２の構成は図１に示した透過型光電陰極と同様である。
【００４７】
第１電極膜３１ａは、光吸収層１の入射面上に薄膜状に形成されている。第１電極膜３１ａは、被検出光により発生した光電子が第１電極膜３１ａで吸収されないよう、ごく薄く（厚さ３０〜１５０Å程度）形成されている。また、薄膜状に形成されている第１電極膜３１ａへの電気的接続のために、第１電極膜３１ａの上に補助電極３４が形成されている。
【００４８】
本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。この構成によって、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層１は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。
【００４９】
また、光吸収層１の入射面側に第１電極膜３１ａ、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収層１内部に電界を形成している。光吸収層１内部に電界を形成して、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。
【００５０】
また、第１電極膜３１ａは光吸収層１の入射面上に薄膜状に形成されている。電圧印加手段を構成する電極のうち、光吸収層１に接する電極は図１に示した第１電極３１のように形成することで透過型光電陰極を好適に動作させることができるが、製造工程をより簡便にする必要があるときは、蒸着などの方法により図５に示すような薄膜状に形成すると良い。このように形成することで、透過型光電陰極での量子効率を向上させるための電圧印加手段を簡便な製造工程により設けることができる。
【００５１】
図６は、透過型光電陰極の第３実施形態の構成を示す側面断面図である。
【００５２】
図６に示す透過型光電陰極は、光吸収層１、活性層１１、支持枠２２、第１電極３５、及び第２電極３６によって構成されている。このうち、光吸収層１及び活性層１１の構成は図１に示した透過型光電陰極と同様である。
【００５３】
支持枠２２は、薄く形成される光吸収層１の機械的強度を補う支持手段である。この支持枠２２は、光吸収層１の入射面上の外縁部に設けられている。
【００５４】
第１電極３５は、光吸収層１の入射面に対して設けられる入射面側電極である。本実施形態においては、支持枠２２の光吸収層１側とは反対側の全面に第１電極３５が形成されている。また、第２電極３６は、光吸収層１の出射面に対して設けられる出射面側電極である。本実施形態においては、光吸収層１の出射面上に格子状に第２電極３６が形成されている。これら第１電極３５及び第２電極３６は、光吸収層１の入射面と出射面との間に電圧を印加して光吸収層１内部に電界を形成する電圧印加手段として設けられている。
【００５５】
本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。この構成によって、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層１は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。
【００５６】
また、光吸収層１の入射面側に第１電極３５、出射面側に第２電極３６を設けて光吸収層１内部に電界を形成している。光吸収層１内部に電界を形成して、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。
【００５７】
また、光吸収層１の入射面上の外縁部に、支持手段として支持枠２２が設けられている。薄く形成されている光吸収層１の機械的強度を補う必要がある場合は、支持手段を図１に示したように出射面上に設けるほか、本実施形態のように入射面上に設けることによっても、光吸収層１の機械的強度を好適に補うことができる。
【００５８】
図７は、透過型光電陰極の第４実施形態の構成を示す図である。図７（ａ）は透過型光電陰極の側面断面図、図７（ｂ）は、透過型光電陰極を第２電極３２側から見た底面図である。
【００５９】
図７に示す透過型光電陰極は、光吸収層１、活性層１１、支持枠２３、第１電極３１、及び第２電極３２によって構成されている。このうち、光吸収層１、活性層１１及び第１電極３１の構成は図１に示した透過型光電陰極と同様である。
【００６０】
支持枠２３は、光吸収層１の出射面上に、図７（ｂ）に示すような格子状に設けられている。この支持枠２３は、各格子枠内の形状及び面積が均一になるように形成されている。また、このように格子状に設けられている支持枠２３の、光吸収層１側とは反対側の全面に、第２電極３２が形成されている。
【００６１】
本実施形態による透過型光電陰極は、光吸収層１の一方の面が入射面で他方の面が出射面となっている透過型の構成を有している。これによって、出射面の表面状態の変化が防止され、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。また、光吸収層１がダイヤモンドもしくはダイヤモンドを主成分とする材料を用いて形成されていることによって、光吸収層１は、紫外光などの波長の短い被検出光の入射に対して高い効率で光電子に変換することができる。
また、光吸収層１の入射面側に第１電極３１、出射面側に第２電極３２を設けて光吸収層１内部に電界を形成している。光吸収層１内部に電界を形成して、光吸収層１内部において発生した光電子を出射面へ向けて加速させることによって、光電子を効率よく透過型光電陰極の外部へ放出させることができる。
【００６２】
また、光吸収層１の機械的強度を補うための支持枠２３が格子状に設けられている。光吸収層１が比較的小さな面積の場合には、図１に示したような形状の支持手段で充分強度を補うことができる。しかし、光吸収層１の面積が大きいなどの理由から、機械的強度をさらに補う必要がある場合には、本実施形態のような形状の支持手段を設けることによって、光吸収層１の機械的強度をさらに補うことができる。このとき、各格子枠内の形状及び面積が均一になるように支持枠２３を設ければ、機械的強度をより強くすることができる。なお、支持手段の形状は上記した格子状に限られるものではなく、様々な形状が可能である。
【００６３】
なお、透過型光電陰極の第３及び第４実施形態においては、第２電極３６及び第１電極３１を格子状に形成しているが、第２実施形態での第１電極膜３１ａのように薄膜状に形成しても良い。光吸収層１の表面に設けられる電極の形状としては、格子状、薄膜状、あるいは他の形状を適宜選択することができる。
【００６４】
以上に詳述した透過型光電陰極は、光電子増倍管や画像増強管などの電子管に用いることができる。以下に、このような電子管に関する実施形態を述べる。なお、以下においては透過型光電陰極に設けられる電圧印加手段等については図示を省略する。
【００６５】
図８は、本発明による電子管の第１実施形態として、光電子増倍管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【００６６】
図８に示す光電子増倍管は、被検出光を光電子に変換して放出する透過型光電陰極４、光電子を２次電子増倍する電子増倍手段５、増倍された２次電子を収集するための陽極６、及びこれらを真空状態で内包する容器である真空容器７によって構成されている。これらの構成要素は、真空容器７の内部に、被検出光が入射する側から透過型光電陰極４、電子増倍手段５、陽極６の順に所定の間隔をあけて配置されている。
【００６７】
透過型光電陰極４としては、ダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなる上記した透過型光電陰極が用いられている。そして、透過型光電陰極４の出射面側に所定の距離をおいて、電子増倍手段５が設けられている。電子増倍手段５としては、マイクロチャンネルプレート（以下、ＭＣＰという）５１が用いられている。ＭＣＰ５１は、内壁が２次電子放出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有している。このチャンネルの、光電子が入射する入力端と２次電子が放出される出力端との間には所定の電圧が印加され、電界が形成されている。そして、チャンネル内部に入射した光電子が２次電子放出体への衝突を繰り返しながら増倍され、２次電子として放出される。
【００６８】
また、ＭＣＰ５１の出力端から所定の距離をおいて、陽極６が設けられている。陽極６は、ＭＣＰ５１から放出された２次電子を収集することによって、透過型光電陰極４から放出された光電子を間接的に収集する。
【００６９】
また、透過型光電陰極４、電子増倍手段５、及び陽極６は、内部が真空状態になっている密閉容器である真空容器７に内包されている。真空容器７のうち、被検出光が入射する透過型光電陰極４と対向した面には入射窓７１が設けられている。これにより、入射される光のうち所定波長の被検出光が効率よく透過型光電陰極４へと入射される。また、透過型光電陰極４、ＭＣＰ５１の入力端及び出力端、及び陽極６には、透過型光電陰極４側が負の電位、陽極６側が正の電位となるように段階的に電圧が印加されて電界が形成されている。
【００７０】
上記の構成において、被検出光が入射窓７１を通して透過型光電陰極４の入射面に入射すると、透過型光電陰極４において光電子が生成されて出射面より真空容器７内部の真空中へ放出される。ＭＣＰ５１の入力端には透過型光電陰極４に対して正の電圧が印加されて電界が形成されており、真空中へ放出された光電子はＭＣＰ５１へ入射される。そして、ＭＣＰ５１のチャンネル内部で光電子が増倍されて２次電子となり、再び真空中に放出される。このとき、ＭＣＰ５１を通過した２次電子は、例えば光電子の約１００万倍程度にまで増倍される。陽極６はＭＣＰ５１の出力端に対して正の電圧が印加されて電界が形成されており、ＭＣＰ５１から放出された２次電子は陽極に収集され、入射した被検出光による検出信号として光電子増倍管の外部に取り出される。
【００７１】
図８に示した光電子増倍管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用いることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光を検出することが可能な光電子増倍管を実現できる。
【００７２】
また、被検出光が微弱である等の場合には、図８に示したような電子増倍手段を用いれば、増倍された大きな電流の検出信号が得られるので、高いＳ／Ｎ比で精度よく被検出光を検出することが可能になる。
【００７３】
図９は、電子管の第２実施形態として、光電子増倍管の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【００７４】
図９に示す光電子増倍管は、透過型光電陰極４、電子増倍手段５、陽極６、及び真空容器７によって構成されている。このうち、透過型光電陰極４、陽極６、及び真空容器７の構成は図８に示した光電子増倍管と同様である。
【００７５】
電子増倍手段５としては、複数のＭＣＰ５１（図９においては３個）が用いられている。複数のＭＣＰ５１のそれぞれは、内壁が２次電子放出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有しており、チャンネルの入力端と出力端との間には所定の電圧が印加され、電界が形成されている。そして、このような複数のＭＣＰ５１が所定の間隔で、互いの出力端と入力端とが向かい合うように配列されている。また、透過型光電陰極４から最も遠い位置にあるＭＣＰ５１の出力端から所定の距離をおいて、陽極６が設けられている。陽極６は、このＭＣＰ５１から放出された２次電子を収集する。
【００７６】
上記の構成において、被検出光が入射窓７１を通して透過型光電陰極４の入射面に入射すると、透過型光電陰極４において光電子が生成されて出射面より真空容器７内部の真空中へ放出される。真空中へ放出された光電子は、１次電子として透過型光電陰極４に最も近い位置にあるＭＣＰ５１へ入射し、増倍されて２次電子として放出される。そして、これ以降に配列されている複数のＭＣＰ５１によって繰り返し増倍される。最後に、増倍された２次電子は陽極６に収集され、入射した被検出光による検出信号として光電子増倍管の外部に取り出される。
【００７７】
図９に示した光電子増倍管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用いることによって、高い量子効率で紫外光などの被検出光を検出することが可能な光電子増倍管を実現できる。
【００７８】
また、電子増倍手段５として複数のＭＣＰ５１を用いることによって、さらに高い２次電子増倍率で大きな検出信号を得ることができるので、より高いＳ／Ｎ比で精度よく被検出光を検出することが可能になる。
【００７９】
なお、上記した光電子増倍管の各実施形態では、透過型光電陰極４とＭＣＰ５１、陽極６が対向するいわゆる近接型の構成となっているが、例えば透過型光電陰極４と電子増倍手段５との間に静電レンズを備えて光電子を収束する、いわゆる静電収束型の構成としてもよい。また、透過型光電陰極を用いた電子管としては、上記した光電子増倍管以外にも、電子増倍手段５を備えない、すなわち透過型光電陰極４から放出された光電子が直接に陽極６に収集されるような構成としてもよい。
【００８０】
また、光電子もしくは２次電子を収集するための陽極６を備えているが、陽極６のかわりにフォトダイオードなどの半導体素子を備えてもよい。光電子もしくは２次電子を直接このような半導体素子に打ち込む、いわゆる電子打ち込み型の光電子増倍管として動作させることで、上記した光電子増倍管の各実施形態を好適に実施できる。
【００８１】
図１０は、電子管の第３実施形態として、イメージ管である画像増強管（イメージ・インテンシファイア）の構成を模式的に示す断面図である。
【００８２】
図１０に示す画像増強管は、透過型光電陰極４、電子増倍手段５、陽極６ａ、及び真空容器７によって構成されている。このうち、透過型光電陰極４、電子増倍手段５、及び真空容器７の構成は図８に示した光電子増倍管とほぼ同様である。
【００８３】
陽極６ａは、ＭＣＰ５１から放出された２次電子を収集する機能を有し、ＭＣＰ５１の出力端から所定の距離をおいて設けられている。また、この陽極６ａは電子が入射することによって発光する蛍光体からなる。
【００８４】
上記の構成において、画像を構成している被検出光が入射窓７１を透過して透過型光電陰極４に入射すると、透過型光電陰極４内部において光電子が生成されて真空容器７内部に放出される。そして、放出された光電子はＭＣＰ５１に入射する。このとき、ＭＣＰ５１の入力端には透過型光電陰極４に対して正の電圧が印加され、電界が形成されている。光電子はこの電界と平行に進むので、画像増強管に入射したときの２次元情報を保ちながらＭＣＰ５１に入射する。ＭＣＰ５１に入射した光電子は増倍されて２次電子として放出され、蛍光体からなる陽極６ａに収集される。このとき、ＭＣＰ５１の出力端には入力端に対して正の電圧が印加され、かつ陽極６ａにはＭＣＰ５１の出力端に対して正の電圧が印加されている。これらにより電界が形成され、光電子が有していた２次元情報を保ちながら２次電子が陽極６ａに収集されて、蛍光体からなる陽極６ａが発光する。以上の動作によって、画像増強管に入射した被検出光による画像は増強されて、蛍光体からなる陽極６ａから出力される。
【００８５】
図１０に示した画像増強管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用いることによって、高い量子効率を有する画像増強管を実現できる。
【００８６】
また、透過型光電陰極４に入射した被検出光の光量に応じて、高い量子効率で得られた光電子が、さらに増倍されて蛍光体へ入射し、高輝度の画像が得られる。これにより、入射された画像が微弱である場合においても精度よく画像を増倍することが可能になる。
【００８７】
なお、上記した画像増強管においては、光電子または２次電子によって発光する手段として蛍光体が用いられているが、この手段は電子を画像に変換できるものであればよい。例えば、蛍光体のかわりに電荷結合素子（ＣＣＤ）などの撮像素子を備え、光電子あるいは２次電子を直接撮像素子に打ち込み、画像化することによっても同様の効果を得ることができる。
【００８８】
図１１は、電子管の第４実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【００８９】
図１１に示す電子管は、透過型光電陰極４、陽極６ｂ、及び真空容器７によって構成されている。これらの透過型光電陰極４、陽極６ｂ、及び真空容器７の構成は、図１０に示した画像増強管と同様であるが、本実施形態の電子管は、電子増倍手段を有しない構成となっている。本電子管は、透過型光電陰極に入射された被検出光の入射位置に対応する位置の蛍光体を発光させることにより、画像を表示する画像表示素子として用いることができる。以下に、画像表示素子としての電子管の動作を説明する。
【００９０】
画像信号としての被検出光（ｌ１、ｍ１、ｎ１）が入射窓７１を透過して透過型光電陰極４の所定の位置に入射すると、透過型光電陰極４内部において被検出光の入射位置に対応した光電子（ｅ１、ｅ２、ｅ３）が生成されて真空容器７内部に放出される。真空中へ放出された光電子は、透過型光電陰極４と陽極６ｂとの間に高電圧が印加されているため、加速されて直進し、蛍光体からなる陽極６ｂに収集される。すなわち入射位置の異なる被検出光ｌ１、ｍ１、ｎ１に対応する位置において、それぞれ光ｌ２、ｍ２、ｎ２が蛍光体から発光される。
【００９１】
図１１に示した電子管においては、上記した構成及び動作によって以下の効果が得られる。すなわち、上記した構成を有する透過型光電陰極４を用いることによって、高い量子効率を有する電子管を実現できる。このことから、透過型光電陰極４に入力された画像信号の光量に対して高い量子効率で得られた光電子によって高輝度の画像が得られるので、高輝度、低消費電力で静止画や動画を表示することが可能となる。また、電子管に入力される画像信号として、ＸＹアドレスなどの２次元での位置情報が与えられた、プラズマ光などの紫外光を用いれば、従来のプラズマディスプレイのようにプラズマにより直接蛍光体を発光させるよりも、より高輝度、低消費電力な画像表示装置を実現できる。
【００９２】
なお、第３実施形態の画像増強管、及び第４実施形態の画像表示素子において、さらに高輝度な画像を得る必要があるときには、２次電子増倍率をさらに得るためにＭＣＰ５１は任意の個数とすることができる。このようにすれば、入射した画像をさらに増強し、高輝度とすることができる。
【００９３】
本発明による透過型光電陰極及び電子管は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、透過型光電陰極の各実施形態において、光吸収層１の機械的強度が充分であるなどの場合には、この機械的強度を補うための支持枠２１〜２３を有しない構成としてもよい。また、光吸収層１から光電子を充分に効率よく放出できるなどの場合には、光吸収層１の出射面の仕事関数を低下させる活性層１１を設けない構成としてもよい。
【００９４】
また、電子管の各実施形態において、大気圧に対して真空容器７の強度が不足する場合には、真空容器７内部にスペーサなどの補強手段を備えるとよい。また、電子増倍手段としてＭＣＰ５１を用いているが、電子増倍手段はこれに限られるものではなく、１段または複数段のダイノードなどを用いてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
本発明による透過型光電陰極及び電子管は、以上詳細に説明したように、以下の効果を得る。すなわち、光吸収層の一方が入射面、他方が出射面となっている透過型の光電陰極とすることによって、強い紫外光の入射により出射面の表面状態が変化することがなく、光電子の放出効率の低下を防ぐことができる。
【００９６】
また、光吸収層がダイヤモンド、またはダイヤモンドを主成分とする材料からなることによって、紫外光などの波長の短い光に対する光電子変換効率を高めることができる。また、電圧印加手段が光吸収層内部に電界を形成することによって、光電子を出射面まで到達し易くし、高い効率で放出させることができる。
【００９７】
また、このような透過型光電陰極を用いた電子管によれば、紫外光などの波長の短い被検出光を高い量子効率で検出することが可能な電子管が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による透過型光電陰極の第１実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した透過型光電陰極の斜視図である。
【図３】図１に示した透過型光電陰極の、入射した光の波長に対する量子効率を示す分光感度特性のグラフである。
【図４】図１に示した透過型光電陰極の製造工程を示す工程図である。
【図５】透過型光電陰極の第２実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図６】透過型光電陰極の第３実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図７】透過型光電陰極の第４実施形態の構成を示す（ａ）側面断面図、及び（ｂ）底面図である。
【図８】本発明による電子管の第１実施形態として、光電子増倍管の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】電子管の第２実施形態として、光電子増倍管の他の実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】電子管の第３実施形態として、画像増強管（イメージ・インテンシファイア）の構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】電子管の第４実施形態の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１…光吸収層、１１…活性層、２０…基板、２１，２２，２３…支持枠、３１，３５…第１電極、３１ａ…第１電極膜、３２，３６…第２電極、３３…電源、３４…補助電極、４…透過型光電陰極、５…電子増倍手段、５１…ＭＣＰ、６，６ａ、６ｂ…陽極、７…真空容器、７１…入射窓。
【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】
0004166990.tif 000008
【図８】
0004166990.tif 000009
【図９】
0004166990.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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