JP4459635B2 - Electron tube and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、外部から入射した光によって光電子を放出する光電面を有する電子管及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an electron tube having a photocathode that emits photoelectrons by light incident from the outside and a method for manufacturing the same.
従来から、外部から入射した光を検出するために用いられる光電面及びそれを備えた電子管が知られている。このような光電面は一般にP型半導体から成るものであり、それ自体の電気抵抗は比較的高いものであるため、光電面に沿って酸化金属等の薄膜を設けることにより光感度を維持する技術が利用されている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)。
しかしながら、上述した従来技術においては、低温環境下での計測時に光電面の抵抗値が増加してしまい、光感度が下がる傾向にある。すなわち、光電面の材料として用いられるP型半導体及び薄膜として用いられる酸化金属は、ともに温度に対して負の抵抗特性を有する。 However, in the above-described conventional technology, the resistance value of the photocathode increases at the time of measurement in a low temperature environment, and the photosensitivity tends to decrease. That is, the P-type semiconductor used as the photocathode material and the metal oxide used as the thin film both have negative resistance characteristics with respect to temperature.
特に、近年の宇宙物理分野における宇宙線の測定では、液体アルゴンやシンチレータを用いた計測が行われており、液体アルゴンの温度である−196°Cの極低温環境下では光電面の抵抗値が数桁増加する結果、電子管の全体の光感度が低下する。 In particular, in the recent measurement of cosmic rays in the field of astrophysics, measurement using liquid argon or a scintillator is performed. As a result of an increase of several orders of magnitude, the overall photosensitivity of the electron tube decreases.
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、低温環境下においても光感度を十分に維持することが可能な電子管及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an electron tube capable of sufficiently maintaining photosensitivity even in a low temperature environment and a method for manufacturing the same.
本発明の電子管は、透光性の光入射面を有する容器と、光入射面の内側に設けられた導電層と、導電層上に設けられ、容器及び導電層を透過して外部から入射した光によって光電子を放出する光電面とを備え、導電層は、光入射面上に形成されており、白金族金属から成る金属膜と、光入射面に沿って線状パターンに形成された金属製の導電体とを有する。 The electron tube of the present invention is a container having a light-transmitting light incident surface, a conductive layer provided on the inner side of the light incident surface, and provided on the conductive layer, and is incident from the outside through the container and the conductive layer. A photocathode that emits photoelectrons by light, and the conductive layer is formed on the light incident surface, and is made of a metal film made of a platinum group metal and a metal formed in a linear pattern along the light incident surface. And a conductor.
本発明の電子管の製造方法は、容器の透光性の光入射面の内側に白金族金属を蒸着して金属膜を形成する工程と、容器の光入射面の内側に所定形状のスリットを有するマスクを設けて金属を蒸着した後、マスクを除去することにより導電体を形成する工程と、金属膜及び導電体を含む導電層上に光電面を形成する工程とを備える。 The method of manufacturing an electron tube according to the present invention includes a step of depositing a platinum group metal on the inner side of a light-transmitting light incident surface of a container to form a metal film, and a slit having a predetermined shape on the inner side of the light incident surface of the container. After providing a mask and depositing a metal, the method includes forming a conductor by removing the mask and forming a photocathode on a conductive layer including the metal film and the conductor.
このような電子管、及びこのような電子管の製造方法により製造される電子管では、光入射面から容器内に入射した光が、導電層を透過して光電面に当たり光電子が放出される。この際、光電面に沿って白金族金属から成る金属膜及び線状パターンの導電体が設けられることにより、低温環境下であっても光電面全体の導電性が高められるとともに、導電層における光の透過率も十分に確保される。 In such an electron tube and an electron tube manufactured by such an electron tube manufacturing method, light incident from the light incident surface into the container passes through the conductive layer and hits the photoelectric surface to emit photoelectrons. At this time, by providing a metal film made of a platinum group metal and a conductor having a linear pattern along the photocathode, the conductivity of the entire photocathode is improved even in a low temperature environment, and the light in the conductive layer is also increased. Is sufficiently secured.
また、導電体は、光入射面の中心部から放射状に形成されたものであることが好ましい。このような構成にすれば、光電面全体においてその導電性が効果的に高められる。 In addition, the conductor is preferably formed radially from the center of the light incident surface. With such a configuration, the conductivity of the entire photocathode is effectively increased.
さらに、導電体は、光入射面において円環状に更に形成されたものであることも好ましい。この場合、光電面においてその導電性をより均一にすることができる。 Furthermore, it is preferable that the conductor is further formed in an annular shape on the light incident surface. In this case, the conductivity can be made more uniform on the photocathode.
またさらに、導電体は、アルミニウムから成るものであることも好ましい。こうすれば、導電体の形成が容易に為されるとともに、その抵抗率の低さから導電体を微細化した場合であっても、光電面の導電性を保ちつつ導電層における光透過率が高められる。 Furthermore, the conductor is preferably made of aluminum. In this way, the conductor can be easily formed, and even when the conductor is miniaturized due to its low resistivity, the light transmittance in the conductive layer is maintained while maintaining the conductivity of the photocathode. Enhanced.
本発明の電子管によれば、低温環境下においても光感度を十分に維持することができる。 According to the electron tube of the present invention, the photosensitivity can be sufficiently maintained even in a low temperature environment.
以下、図面とともに本発明による電子管及びその製造方法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。 Hereinafter, preferred embodiments of an electron tube and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による電子管の好適な一実施形態を示す側面図である。同図に示すように、本発明による電子管である光電子増倍管1は、外部から入射した光によって光電子を放出し、その光電子を電流として出力させるための装置である。この光電子増倍管1は、透光性のドーム状の光入射面3を有するガラスバルブ(容器)5と、光電陰極7と、コンタクト膜9と、電子増倍部11と、アノード12と、ソケット13とを含んで構成される。
FIG. 1 is a side view showing a preferred embodiment of an electron tube according to the present invention. As shown in the figure, a
ガラスバルブ5は、略球面状の容器の一端側に外側に突出した円筒状の凸部15を有するものであり、ガラス等の透光性材料から成るものである。また、このガラスバルブ5内の中央部に電子増倍部11が設置されている。なお、ガラスバルブ5は、その全体が透光性を有するものであるが、光入射面3のみ透光性を有する材料で形成されていても良い。
The
このカラスバルブ5の内側の光電陰極7形成された領域以外の面には、光電陰極7に所定電位の電圧を供給するためのアルミニウム製のコンタクト膜9が形成されている。コンタクト膜9は、光電陰極7において形成された導電層(詳細は、後述する。)と電気的に接続されている。
An
電子増倍部11は、光入射面3近傍に設けられた光電陰極7(詳細は、後述する。)から内部に放出された光電子を増倍して電流として収集するためのものであり、光電陰極7から放出された光電子を増倍させる複数段の電極であるダイノード(図示せず)を備えている。また、ガラスバルブ5内の一端側の電子増倍部11近傍には、ダイノードによって増倍された光電子を収集するためのアノード12が設置されている。さらには、ガラスバルブ5内の電子増倍部11と光電陰極7との間の所定位置には、光電面から放出された光電子を電子増倍部11に効率よく入射させるための図示しない集束電極が、環状に配置されている。
The
また、ガラスバルブ5の凸部15の端面19にはソケット13が取り付けられており、そのソケット13及び端面19にはガラスバルブ5内部から延在する導電線17が貫通している。この導電線17は、ガラスバルブ5内の各電極に所定電位の電圧を供給するため、又は光電陰極7とアノードとの間を流れる電流を取り出すために用いられるものである。さらに、導電線17は、コンタクト膜9と電気的に接続されており、コンタクト膜9を介して光電陰極7に電圧を供給する。
A
上述したように、ガラスバルブ5の他端側の光入射面3の内側には、ドーム状に光電陰極7が形成されている。図2は、図1の光入射面及び光電陰極の軸線に沿った端面図である。同図に示すように、光電陰極7は、ガラスバルブ5上に、導電層21と光電面23とがこの順に形成されて成るものである。この導電層21は、光入射面3に沿って形成されている金属膜21aと、その金属膜21a上に線状パターンで形成されている導電体21bとから構成されている。
As described above, the
金属膜21aは、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金等の白金族元素の金属を主材料とするものである。このような白金族金属の中でも光電面加工過程におけるその化学的安定性の点から白金がより好ましく用いられる。
The
導電体21bは、例えば、アルミニウム、クロム、銀、金、白金族金属等の金属から成るものである。このような金属材料の中で、加工性及び導電性の高さからアルミニウムが、強度が高い点でクロムが好ましく用いられるが、融点がより低く加工しやすいと言う点でアルミニウムがより好ましく用いられる。
The
この導電体21bは、所定の線状パターンで金属膜21a上に形成されている。 図3において、(a)は、光入射面側から見た導電体形成パターンの一例を示す図、(b)は、光入射面側から見た導電体形成パターンの別の例を示す図である。図3(a)を参照して、導電体21bは、光入射面3の中心部近傍から縁部まで放射状に等角度間隔に並んで延在する8本の曲線パターンP1と、隣り合う2本の曲線パターンP1の間において縁部まで放射状に延在する、曲線パターンP1より中心部側で短い曲線パターンP2とで形成されている。また、図3(b)に示すように、導電体21bは、光電陰極7全体の導電性を均一にさせるために、隣り合う曲線パターンP1,P2を互いに短絡させるように、ガラスバルブ5の軸線を中心とした円環状の曲線パターンP3でさらに形成されていても良い。
The
また、各曲線パターンP1,P2,P3は、導電体21bの電気抵抗を低減すると同時に光電陰極7における光透過率を低下させないために、膜厚が数μm、線幅が約2mmになるように設けられる。なお、曲線パターンP1,P2は光入射面3の縁部からコンタクト層9上に伸びるように形成されていても良い。この場合、導電体21bとコンタクト層9が電気的に接続されることにより光電陰極7全体の電位がより均一に維持される。
In addition, each curve pattern P1, P2, P3 has a film thickness of several μm and a line width of about 2 mm in order to reduce the electrical resistance of the
光電面23は、ガラスバルブ5及び導電層21を透過して外部から入射した光によって、電子増倍部11に向けて光電子を放出するものである。光電面23は、アルカリ金属であるSbCs3、SbK2Cs等を主成分とするP型半導体から成るものである。これらのP型半導体の中でも、宇宙線観測等に用いられるシンチレータと分光感度特性が近い点でSbK2Csが光電面23の材料としてより好適である。ここで、シンチレータとは、放射線の入射によってある一定の減衰時間を持った蛍光を発光するものである。このシンチレータは、宇宙線等の放射線を検出するために光電子増倍管1と組み合わせて用いられる。
The
以上説明した光電子増倍管1においては、光入射面3からガラスバルブ5内に入射した光が、導電層21を透過して光電面23に当たり光電子が放出される。この際、導電層21には、光電面23に沿って白金族金属から成る金属膜21aと線状パターンの導電体21bとが設けられている。ここで、光電子増倍管1の金属膜21aは、波長170nm〜650nmの波長の光を透過率75%以上で透過させるように成膜されたものであり、光電子増倍管1の光感度が十分に確保されている。あわせて、金属膜21aは、波長170nm〜650nmの波長の光を透過率90%以下で透過させるように成膜されており、光電陰極7全体の抵抗値が極低温状態であっても一定値以下に抑えられる。例えば、上記の光透過率を満足させる膜厚は、金属膜21aの材料として白金を用いた場合、10Å(1nm)以上50Å(5nm)以下である。このように、金属膜21aの光透過率90%を確保するために金属膜21aを薄膜化した場合であっても、導電体21bの存在により光電陰極7の全体の抵抗値が低減される。
In the
また、特開昭54−146952号公報に記載の光電面のように基板上に導電線のみを設けた場合においては、光電面の導電性を維持するためには導電線の微細化が困難である。これに対して、金属膜21aと導電体21bとは互いに導電性において補完関係にあるため、導電体21bの微細化が可能であり、その結果、光電面23に入射する光の透過率を高めることができる。従って、低温環境下であっても光電陰極7全体の導電性が高められるとともに、導電層21における光の透過率も十分に確保される。
Further, in the case where only the conductive lines are provided on the substrate as in the photocathode described in JP-A-54-146952, it is difficult to miniaturize the conductive lines in order to maintain the conductivity of the photocathode. is there. On the other hand, since the
図4及び図5においては、光電子増倍管1のアノード出力電流の線形性(リニアリティ)に関する実験結果を示す。図4は、室温(25°C)及び低温(−10°C)の環境下で測定した従来品のアノード出力電流の線形性を示すグラフ、図5は、室温(25°C)及び液体アルゴン温度である極低温(−196°C)の環境下で測定した本発明の光電子増倍管1のアノード出力電流の線形性を示すグラフを示す(なお、従来品では、−196°Cの極低温下ではアノード出力電流が検出限界値以下となり、線形性の測定は不可能であった。)。この場合、光電子増倍管1として、最大直径が約20.3cm(8インチ)のガラスバルブ5と、膜厚が約30Åの白金製の金属膜21aと、図3(a)のような線状パターンを有するアルミニウム製の導電体21bと、SbK2Csを主材料とし、下地に酸化マンガン膜を有する光電面23とを備えたものを用いた。なお、従来品としては、導電層を有さない点以外は光電子増倍管1と同様な構成の光電子増倍管を用いた。
4 and 5 show experimental results relating to the linearity of the anode output current of the
ここで、アノード出力電流の線形性は、以下のようにして測定した。まず、測定用光源と光入射面3との間に、4つのシャッタ付き穴を有する遮蔽板を光電子増倍管1の軸線に垂直に設置した。そして、それぞれのシャッタを別々に開けた場合のアノード出力電流の和と、全てのシャッタを同時に開けた場合のアノード出力電流との比を電流比として算出した。同様の測定を測定用光源の光量を変化させて行った。この測定用光源の光量の変化が、図4及び図5横軸のアノード出力電流の変化に対応する。
Here, the linearity of the anode output current was measured as follows. First, a shielding plate having four shutter holes was installed between the measurement light source and the
図4及び図5に示すように、室温環境下において、導電層21が存在しない従来品においては、10nA付近でアノード出力電流が飽和して線形性が悪化しているのに対して、光電子増倍管1においては、出力電流は約5μAまで線形性が良好であることがわかる。さらに、−196°の低温環境下においては、従来品の線形性の悪化が著しいのに対して、光電子増倍管1のアノード出力電流は約5μA付近まで線形性が良好であることもわかる。一般に、光電陰極の抵抗が高い場合は、入射光強度に対するアノード出力電流が飽和し易い傾向にあることから、これらの測定結果は、光電陰極7全体の導電性が、室温環境下のみならず低温環境下においても改善されていることを示している。
As shown in FIGS. 4 and 5, in the conventional product in which the
次に、本発明による光電子増倍管の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the photomultiplier tube by this invention is demonstrated.
まず、ベルジャー(真空蒸着装置)内にガラスバルブ5を収納し、真空ポンプでベルジャー内を1×10−3〜1×10−6Paの気圧になるまで減圧する。その後、ガラスバルブ5内の光入射面3を除く領域にアルミニウムを真空蒸着して、コンタクト膜9を形成する。さらに、ガラスバルブ5の光入射面3の内側に白金を膜厚が10Å〜50Å程度になるまで真空蒸着して、金属膜21aを形成する。ここで、コンタクト膜9と金属膜21aとは、これらの境界において互いに電気的に接触するように形成される。
First, the
次に、ベルジャー内をいったん大気圧に戻し、金属膜21aが形成された面上に、図3(a)又は図3(b)に示すような所定形状のスリットを有するマスクを設けて、再度ベルジャー内を1×10−3〜1×10−6Paの気圧になるまで減圧する。そして、アルミニウムを膜厚が数μmになるまで真空蒸着した後にマスクを取り除くことにより、導電体21bを形成する。なお、導電体21bは、コンタクト膜9上に延びるまで設けられても良い。
Next, the inside of the bell jar is once returned to atmospheric pressure, and a mask having a slit having a predetermined shape as shown in FIG. 3 (a) or 3 (b) is provided on the surface on which the
さらに、ガラスバルブ5内に電子増倍部11と集束電極とを取り付けた後、ガラスバルブ5を別に用意した光電面活性化用の排気装置と接続する。そして、排気装置により、ガラスバルブ5内を1×10−5Pa以下の気圧に減圧した後に、集束電極上に設けたマンガン蒸着コイルからガラスバルブ5内の金属膜21bに所定の膜厚になるまで真空蒸着する(図示せず)。そして、真空排気を停止してからガラスバルブ5内に酸素ガスを導入した後に、ガラスバルブ内の金属膜21b上のマンガンを酸化せしめる。
Furthermore, after the
次に、再度ガラスバルブ5内を十分な気圧に再度減圧してから、ガラスバルブ5内の金属膜21a及び導電体21bで構成される導電層21上に、最適な膜厚となるようにアンチモンを真空蒸着する。その後、ガラスバルブ5を電気炉内に収納してから、電気炉内の温度を上昇させる。そして、ガラスバルブ5内を所定の温度に維持させた状態で、導電層21上のアンチモンとアルカリ金属とを反応させることにより光電面23を形成する。さらに、電気炉内でガラスバルブ5を所定温度で所定時間放置して光電面23を安定化させる。光電面23が安定化された後、ガラスバルブ5を徐々に室温になるまで冷却すると同時に、ガラスバルブ5から排気装置を取り外す。
Next, after the pressure inside the
最後に、ガラスバルブ5の凸部15端面にソケット13及び導電線17を取り付けた後、性能確認のための所定項目の測定を行う。
Finally, after attaching the
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、光電子増倍管1の光電面23の材料としては、SbCs3、SbK2Cs等のP型半導体が用いられていたが、ナトリウム、ルビジウム等のその他のアルカリ金属を含むものを用いても良い。
The present invention is not limited to the embodiments described above, for example, as the material of the
また、光電陰極7においては、金属膜21a上に導電体21bが設けられているが、図6に示すように、ガラスバルブ5上に導電体21bと金属膜21aとがこの順で設けられていても良い。この場合、金属膜21a及び導電体21bの形成工程においては、ガラスバルブ5上に導電体21bを形成した後に金属膜21aを形成しても良い。
In the
また、本実施形態にかかる光電子増倍管1においては、光電子増倍管内に光電陰極7を備えていたが、光電子増倍管に限定されるものではなく、光電面及びアノードを有する電子管内に光電陰極7を備えるようにしても良い。
In the
1…光電子増倍管(電子管)、3…光入射面、5…ガラスバルブ(容器)、7…光電陰極、9…コンタクト膜、11…電子増倍部、13…ソケット、17…導電線、21…導電層、21a…金属膜、21b…導電体、23…光電面。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光入射面の内側に設けられた導電層と、
前記導電層上に設けられ、前記容器及び前記導電層を透過して外部から入射した光によって光電子を放出する光電面と、
を備え、
前記導電層は、前記光入射面上に形成されており、白金族金属から成る金属膜と、前記光入射面に沿って線状パターンに形成された金属製の導電体とを有する、
ことを特徴とする電子管。 A container having a light-transmitting light incident surface;
A conductive layer provided inside the light incident surface;
A photocathode that is provided on the conductive layer and emits photoelectrons by light incident through the container and the conductive layer;
With
The conductive layer is formed on the light incident surface, and includes a metal film made of a platinum group metal and a metal conductor formed in a linear pattern along the light incident surface.
An electron tube characterized by that.
ことを特徴とする請求項1記載の電子管。 The conductor is formed radially from the center of the light incident surface.
The electron tube according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項2記載の電子管。 The conductor is further formed in an annular shape on the light incident surface.
The electron tube according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電子管。 The conductor is made of aluminum.
The electron tube according to claim 1, wherein:
前記容器の光入射面の内側に所定形状のスリットを有するマスクを設けて金属を蒸着した後、前記マスクを除去することにより導電体を形成する工程と、
前記金属膜及び導電体を含む導電層上に光電面を形成する工程と、
を備えることを特徴とする電子管の製造方法。 Forming a metal film by depositing a platinum group metal inside the light-transmitting light incident surface of the container; and
Providing a mask having a slit having a predetermined shape inside the light incident surface of the container and depositing a metal, and then forming the conductor by removing the mask; and
Forming a photocathode on a conductive layer including the metal film and a conductor;
An electron tube manufacturing method comprising:
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