JP4790331B2

JP4790331B2 - 二次電子増倍電極及び光電子増倍管

Info

Publication number: JP4790331B2
Application number: JP2005188431A
Authority: JP
Inventors: 康全浜名; 利和松井; 公嗣中村
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: JP2007012308A

Description

本発明は、二次電子増倍電極及び光電子増倍管に関する。

光電子増倍管（ＰＭＴ）の二次電子増倍電極にはアルカリアンチモン（ＳｂＣｓ_３）系が材料として用いられることがあるが、特にダイノードが密集した構造を持つ光電子増倍管においてアルカリ金属活性に時間がかかること、アルカリの均一化が難しいこと等アルカリ金属活性時に生じる種々の問題を避けるためアルカリ金属との反応を要しない（以下、アルカリフリーと記載する）二次電子増倍電極の開発が進められている。こうした従来技術として、下記特許文献１では、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＬａＯ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＬｉＦからなる群より選ばれたいずれか一つを二次電子増倍電極とすることとしている（同文献中請求項５等）。

特開２００４−２００１７４号公報

しかしながら、上記従来技術では実用に足るアルカリフリーの二次電子増倍電極を得るに至らなかった。上記の材料の中では二次電子の放出効率の高いＭｇＯに関してみても、バンドギャップが７．８ｅＶとアルカリアンチモンと比べて大きいことから、二次電子を放出するために必要な励起エネルギーが大きくなり、二次電子の放出効率が悪くなるという課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、実用性の高いアルカリフリーの二次電子増倍電極及びそれを用いた光電子増倍管を提供することを目的とする。

本発明に係る二次電子増倍電極は、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ただし、０＜ｘ＜１）式にて表わされる酸化マグネシウムと酸化亜鉛との混晶層からなり、前記混晶層の下地としてＭｇＯからなる下地層をさらに備えることを特徴とする。

また、上式において、０．３＜ｘ＜１を満たすことがより好ましい。

また、本発明に係る光電子増倍管は、上記いずれかの二次電子増倍電極を有することを特徴とする。

本発明者らの研究によれば、バンドギャップが大きい酸化マグネシウム（ＭｇＯ）にバンドギャップが小さい酸化亜鉛（ＺｎＯ）を混ぜて混晶としたＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（好ましくは０．３＜ｘ＜１）を二次電子増倍電極として用いることで、バンドギャップを制御して二次電子放出比特性を向上させることができ、実用性の高い二次電子増倍電極を提供することが可能になる。

また、混晶層の下地としてＭｇＯからなる下地層をさらに備えることで、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏの結晶性が向上すると共に、混晶層Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（好ましくは０．３＜ｘ＜１）と下地層との間にヘテロ接合による内部電界（すなわちバンドの傾斜）が発生し、二次電子放出比特性をいっそう向上させることができる。

また、本発明に係る光電子増倍管によれば、上述の二次電子増倍電極を用いるため、実用性の高いアルカリフリーの光電子増倍管を提供することが可能になる。

図１は、ＭｇＯ及びＺｎＯのバンドギャップを示す図表である。同図に示すようにＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏは、Ｍｇ組成ｘを調整することによりバンドギャップを３．３ｅＶから７．８ｅＶまで変化させることが可能であると予想できる。また、ＭｇＯとＺｎＯのボンド長の差はわずかであるため、混晶を作製可能であることが期待できる。本発明者らはこの点に着目し、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ただし、０＜ｘ＜１）式にて表わされる酸化マグネシウムと酸化亜鉛との混晶層からなる二次電子増倍電極を提案した。

図２に示す断面図を参照しながら、本実施形態に係る二次電子増倍電極の作製方法について説明する。まず、ＭｇＯとＺｎＯの粉末を所定の割合で混ぜ合わせてペレット形状に加圧成型後、大気圧中１４００℃で１時間加熱してＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏの焼結体を作製する。そして、ＭｇＯ下地層を有しないものでは、この焼結体を金属基板上に蒸着し、二次電子増倍電極２０を作製する。また、ＭｇＯ下地層を有するものでは、予め金属基板上にＭｇＯ層を蒸着した後、その上にＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ焼結体を蒸着し、二次電子増倍電極３０を作製する。

次に、上記の方法により作製した本実施形態に係る二次電子増倍電極の特性を、図３〜図７を用いて説明する。まず、図３にて結晶性の測定結果を示す。図３（ａ）はＭｇＯ下地層を有する場合、図３（ｂ）はＭｇＯ下地層を有さない場合のＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ｘ＝０．５）のＸ線回折法（ＸＲＤ）による２θ−θスペクトルを示す。ＭｇＯ下地層を有さない場合（図３（ｂ））、ＭｇＯ岩塩構造（２００）の他に、ＺｎＯウルツ鉱構造（０００２）のピークが見られ、一部、相分離をおこしていることがわかる。一方、ＭｇＯ下地層を有する場合（図３（ａ））のスペクトルでは、ＭｇＯ岩塩構造の（１１１）と（２００）のピークのみがみられ、ＺｎＯウルツ鉱構造に起因するピークはみられなかった。よって、ＭｇＯを下地層とすることでｘ＝０．５においてＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏが相分離することなく岩塩構造を有していることが確認できた。

続いて、図４〜図６にて利得特性の測定結果を示す。図４は、８段積層ダイノード型光電子増倍管の二次電子増倍電極として、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ｘ＝０．５及び０．７、ＭｇＯ下地層なし）とＭｇＯ（すなわちｘ＝１．０）とを用いた場合の利得特性の比較を示すものである。同図に示されるように、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶を用いれば、従来のＭｇＯを用いた場合と比較して、ｘ＝０．７で約２．０倍、ｘ＝０．５で約１．５倍と高い利得特性を得ることができる。図５は、さらにＭｇＯ下地層を有するＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ｘ＝０．５及び０．７）を用いた場合との利得特性の比較を示すものである。下地層を有する場合には、下地層を有しないものと比較して、ｘ＝０．７で約１．３倍、ｘ＝０．５で約２．３倍といっそう高い利得特性を得ることができる。図６は、ＭｇＯ下地層を有するＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏにおいて、ｘ＝０．４、０．５、０．６、０．７及び０．８とした場合の利得特性の比較を示すものである。同図によれば、下地層を有する場合には、ｘ＝０．５近辺で最も高い利得特性を得ることが確認できる。

また、図７にてＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ｘ＝０．５及び０．７）とＭｇＯ（すなわちｘ＝１．０）との透過率の測定結果を示す。透過率の変化が最も大きくなる光子エネルギーのｅＶ値がバンドギャップ値とおおよそ一致することが知られており、同図によればＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶はＭｇＯよりもバンドギャップが小さくなっていることが確認できる。

以上のように、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶はＭｇＯよりバンドギャップが小さくなり、このＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶からなる二次電子増倍電極は高い利得特性を得ることが示されたが、本発明者らはその理由を以下のように考察した。すなわち、図８に示すように、従来のＭｇＯではバンドギャップが７．８ｅＶと高いため、二次電子を生成するために必要な励起エネルギーが大きくなり、生成される励起電子数が少なくなる。ゆえに二次電子放出比率が小さくなり増倍効率が悪くなっていたが、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶とすればバンドギャップが小さくなるため、二次電子を生成するために必要な励起エネルギーが小さくなり、荷電子帯から伝導帯に励起されて真空表面まで移動し、真空順位の電位障壁(Ｅａ値)を乗り越えで真空帯に放出される電子が増加するため、結果、二次電子放出比率が大きくなり、増倍効率が向上したと考えられる。また、ＭｇＯ下地層を有することにより、Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏの結晶性が向上すると共に、図９に示すようにＭｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ混晶層とＭｇＯ下地層との間にヘテロ接合による内部電界（すなわちバンドの傾斜）が発生し、励起電子が真空表面により到達しやすくなり、その結果として二次電子放出比率が大きくなり、増倍効率がいっそう向上したと考えられる。

最後に、図１０に示す断面図を参照しながら、本実施形態に係る光電子増倍管（ＰＭＴ）について説明する。この光電子増倍管１は、筒形状の金属製（たとえば、コバール金属製やステンレス製）の側管２を有し、この側管２の一側の開口端Ａには、ガラス製（たとえば、コバールガラス製や石英ガラス製）の受光面板３が融着固定されている。この受光面板３の内表面には、光を電子に変換する光電面３ａが形成され、この光電面３ａは、受光面板３に予め蒸着させておいたアンチモンにアルカリ金属を反応させることで形成される。また、側管２の開口端Ｂには、金属製（たとえば、コバール金属製やステンレス製）のステム板４が溶接固定されている。このように、側管２と受光面板３とステム板４とによって密封容器５が構成され、この密封容器５は、高さが１０ｍｍ程度の極薄タイプのものである。

また、ステム板４の中央には金属製の排気管６が固定されている。この排気管６は、光電子増倍管１の組立て作業終了後、密封容器５の内部を真空ポンプ等によって排気して真空状態にするのに利用されると共に、光電面３ａの成形時にアルカリ金属蒸気を密封容器５内に導入させる管としても利用される。

密封容器５内には、ブロック状で積層型の電子増倍器７が設けられ、この電子増倍器７は、本実施形態に係る二次電子増倍電極からなる板状のダイノード８を積層させた電子増倍部９を有している。電子増倍器７は、ステム板４を貫通するように設けられたコバール金属製のステムピン１０によって密封容器５内で支持され、各ステムピン１０の先端は各ダイノード８と電気的に接続されている。また、ステム板４には、各ステムピン１０を貫通させるためのピン孔４ａが設けられ、各ピン孔４ａには、コバールガラス製のハーメチックシールとして利用されるタブレット１１が充填されている。各ステムピン１０は、このタブレット１１を介してステム板４に固定される。なお、各ステムピン１０には、ダイノード用のものとアノード用のものとがある。

電子増倍器７には、電子増倍部９の下方に位置してステムピン１０の上端に固定したアノード１２が並設されている。また、電子増倍器７の最上段において、光電面３ａと電子増倍部９との間には平板状の集束電極板１３が配置されている。この集束電極板１３には、スリット状の開口部１３ａが複数本形成され、各開口部１３ａは全て同一方向に延在した配列をなす。同様に、電子増倍部９の各ダイノード８には、電子を増倍させるためのスリット状電子増倍孔１４が複数本形成されることにより配列されている。

各ダイノード８の各電子増倍孔１４を段方向にそれぞれ配列してなる各電子増倍経路Ｌと、集束電極板１３の各開口部１３ａとを一対一で対応させることによって、電子増倍器７には、複数のチャンネルが形成されることになる。また、電子増倍器７に設けられた各アノード１２は所定数のチャンネル毎に対応するように８列設けられ、各アノード１２を各ステムピン１０にそれぞれ接続させることで、各ステムピン１０を介して外部に個別的な出力を取り出す構造となっている。

本実施形態に係る光電子増倍管のように、ダイノードが複数段に積層された光電子増倍管において、積層された各ダイノードにアルカリアンチモンからなる二次電子放出面を形成する場合、特に積層されたダイノードの中段域では、アルカリ金属蒸気を入り込ませることによってアルカリ金属活性を行うため、時間がかかるうえに、アルカリの均一化が難しい。対し、本発明に係る二次電子増倍電極からなる板状のダイノードを積層させた構成とすれば、これらアルカリ活性時の問題を生じることなく、実用に足る増倍特性を有する光電子増倍管を得ることができる。

なお、本発明に係る二次電子増倍電極及び光電子増倍管は、上記実施形態に記載の態様に限定されず、様々な態様を採ることが可能である。

ＭｇＯ及びＺｎＯのバンドギャップを示す図表である。本実施形態に係る二次電子増倍電極の断面図である。結晶性の測定結果を示す図表である。利得特性の測定結果を示す図表である。利得特性の測定結果を示す図表である。利得特性の測定結果を示す図表である。透過率の測定結果を示す図表である。バンドギャップの比較を説明する図表である。内部電界による効果を説明する図表である。本実施形態に係る光電子増倍管の断面図である。

符号の説明

１…光電子増倍管、２…側管、３…受光面板、４…ステム板、５…密封容器、６…排気管、７…電子増倍器、８…ダイノード、９…電子増倍部、１０…ステムピン、１１…タブレット、１２…アノード、１３…集束電極板、１４…スリット状電子増倍孔、２０…二次電子増倍電極、３０…二次電子増倍電極。

Claims

Ｍｇ_ｘＺｎ_{（１−ｘ）}Ｏ（ただし、０＜ｘ＜１）・・・（１）
上記組成式（１）にて表わされる酸化マグネシウムと酸化亜鉛との混晶層からなり、
前記混晶層の下地としてＭｇＯからなる下地層をさらに備えることを特徴とする二次電子増倍電極。
前記組成式（１）において、０．３＜ｘ＜１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の二次電子増倍電極。
請求項１又は２に記載の二次電子増倍電極を有することを特徴とする光電子増倍管。