JP5000216B2 - 光電陰極および電子管 - Google Patents

Description

本発明は、光電陰極および光電陰極を用いた電子管に関するものである。

従来、特定波長の光を検出する目的で、例えば特許文献１に記載されているように、光電陰極の光入射面上に光フィルタを設けた装置が知られている。この装置では、光フィルタに光が入射すると、この入射光に含まれる特定波長以外の光を光フィルタが除去する。光電陰極は、光フィルタを透過した特定波長の光を吸収して光電子（ｅ⁻）を発生する。
特開平６−３４５４８号公報

特許文献１に記載の装置では、光電陰極には光フィルタを介して光が入る。そのため、光電陰極は、光フィルタを介さずに直接受光したときと比べて、強度が減衰した光を受ける可能性がある。強度が減衰した光を受光した場合には、光電陰極で発生する光電子（ｅ⁻）の量が減少し、その結果、特定波長の光の検出感度が低下してしまう。

また、特定波長の光を検出する他の技術としては、特定波長の光を選択的に吸収する材料で光電陰極を形成することも考えられる。しかしながらこの場合には、光電陰極を製造する際に、特定波長の光のみを吸収する材料を用意しなければならない。このような材料を得ることは極めて難しいため、光電陰極の製造が困難になってしまう。

そこで本発明は、特定波長の光の検出感度に優れ、且つ容易に製造可能な光電陰極、およびそのような光電陰極を用いた電子管を提供することを目的とする。

本発明に係る光電陰極は、（１）厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに、表面プラズモン共鳴を発生させるためのパターンが表面に形成されたアンテナ層と、（２）アンテナ層と接合し、貫通孔から出力された光を吸収して光電子を発生する光電変換層と、を備え、光電変換層で発生した光電子は、アンテナ層の貫通孔から外部に出力されることを特徴とする。

本発明に係る光電陰極は、表面プラズモン共鳴を発生させるアンテナ層を備えている。このアンテナ層におけるパターンが形成された表面に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）に含まれる特定波長の光が、アンテナ層の表面プラズモンと結合して、プラズモン共鳴が発生する。プラズモン共鳴が発生すると、アンテナ層の貫通孔から近接場光が出力される。

アンテナ層にプラズモン共鳴を発生させる光の波長は、アンテナ層の材料と表面構造とで決まることが、従来から知られている。したがって、アンテナ層の材料とアンテナ層表面のパターンとを適宜決定することにより、特定波長の光でプラズモン共鳴を発生させることが可能となる。更に、アンテナ層から出力される近接場光の波長もまた、アンテナ層の材料と表面構造とで決まることが、従来から知られている。したがって、アンテナ層の材料とアンテナ層表面のパターンとを適宜決定することにより、公知の光電変換層にて吸収可能な波長の近接場光を出力させることが可能となる。よって、特別な材料からなる光電変換層を用意する必要がなくなる。その結果、光電陰極の製造を容易化することができる。

光電変換層は、アンテナ層の貫通孔から出力された近接場光を受光して、近接場光による光電子（ｅ⁻）を発生する。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる特定波長の光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光電変換層は十分な量の光電子（ｅ⁻）を発生することとなり、その結果、光電陰極からは十分な量の光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。したがって、本発明の光電陰極は、高いＳ／Ｎ比で特定波長の光を検出することができる。よって、特定波長の光の検出感度に優れたものとなる。

また、本発明に係る光電陰極では、光電変換層で発生した光電子は、アンテナ層の貫通孔から外部に出力される。近接場光による光電子（ｅ⁻）は、光電変換層における貫通孔の周辺部分で発生する。したがって、光電子は貫通孔から外部に出力されるとした場合には、貫通孔の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）、すなわち近接場光による光電子（ｅ⁻）が確実に出力されることとなる。その結果、本発明の光電陰極は、特定波長の光の検出感度に非常に優れたものとなる。

また、本発明に係る光電陰極では、アンテナ層は複数の凸部と当該凸部間に位置する凹部とを有しており、凸部および凹部がパターンを形成しており、貫通孔は凹部に設けられていることが好ましい。この場合、凸部および凹部の位置等を適宜変えることにより、パターンの形状を変えることができる。その結果、アンテナ層にプラズモン共鳴を発生させる光の波長を容易に変更することが可能となる。

また、本発明に係る光電陰極では、光電変換層にて発生する光電子の量が、貫通孔を有し且つ表面に凸部および凹部が形成されていないアンテナ層を光電変換層に接合した場合に当該光電変換層にて発生する光電子の量と比べて多くなるように、パターンが決められていることが好ましい。この場合、十分な量の光電子を光電変換層にて発生させることができるので、特定波長の光の検出感度にいっそう優れた光電陰極を得ることが可能となる。

また、本発明に係る光電陰極では、アンテナ層は貫通孔を複数有しており、当該複数の貫通孔がパターンを形成していることが好ましい。この場合、貫通孔の位置等を適宜変えることによりパターンの形状を変えることができ、その結果、アンテナ層にプラズモン共鳴を発生させる光の波長を容易に変更することが可能となる。

また、本発明に係る光電陰極では、貫通孔の最短幅は入射光の波長よりも短いことが好ましい。このように貫通孔の最短幅を狭くすることにより、近接場光を貫通孔から確実に出力させることができる。

また、本発明に係る光電陰極では、光電変換層の表面においてアンテナ層の貫通孔と対向する部分には、当該部分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。この場合、光電陰極で発生した光電子（ｅ⁻）を、貫通孔を介して真空中へ出力することが容易となる。

また、本発明に係る光電陰極では、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が好ましい。この場合、上記の効果を好適に奏することができる。

また、本発明に係る電子管は、上記した光電陰極を備えることを特徴とする。このような光電陰極を用いた電子管によれば、製造が容易であるうえに特定波長の光を精度よく検出することができる。

本発明によれば、特定波長の光の検出感度に優れ、且つ容易に製造可能な光電陰極、およびそのような光電陰極を用いた電子管を提供することができる。

以下、本発明に係る光電陰極及び電子管の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、「上」、「下」等の語は図面に示す状態に基づいており、便宜的なものである。

（光電陰極）

図１は本発明に係る光電陰極の一実施形態の構成を示す斜視図である。図１に示されるように、本実施形態に係る光電陰極１は、支持基板２と、支持基板２上に設けられた光電変換層４と、光電変換層４上に設けられたアンテナ層６とを備えている。

支持基板２は、光電陰極１の機械的強度を維持するための部材である。支持基板２は、例えば絶縁性基板であって、硼珪酸ガラスといった材料からなっている。支持基板２は、入射光（ｈν）が入射される一方の主面２ａと、一方の主面２ａと対向する他方の主面２ｂとを有している。

光電変換層４は、支持基板２の他方の主面２ｂ上に形成されている。光電変換層４は、光電変換を行う部分であり、光を吸収して光電子（ｅ⁻）を発生する。本実施形態における光電変換層４は、ｐ型ＧａＡｓ半導体からなっており、波長が２００ｎｍ〜９３０ｎｍの範囲にある光を吸収して光電子（ｅ⁻）を発生する。光電変換層４は、平面状を呈している。

光電変換層４の表面の一部は、後述するアンテナ層６の貫通孔１４から露出している。光電変換層４の貫通孔１４から露出した部分には、極薄くかつ均一に形成された活性層１６が形成されている。活性層１６は、例えばＣｓ等のアルカリ金属からなっている。このような活性層１６は、光電変換層４表面の仕事関数を低下させる。そのため、光電変換層４で発生した光電子（ｅ⁻）を、アンテナ層６の貫通孔１４を介して真空中へ出力することが容易となる。なお、活性層１６の材料はＣｓに限るものではなく、アルカリ金属としてはＣｓ以外にＫ、Ｒｂ、Ｎａなどを用いてもよい。また、このようなアルカリ金属の酸化物や、このようなアルカリ金属のフッ化物であってもよい。

光電変換層４の上にはアンテナ層６が設けられている。アンテナ層６は、表面プラズモン共鳴を発生させる層であり、導電性の材料を含んでいる。含まれる導電性の材料としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましいが、これ以外であってもよい。

アンテナ層６は、厚さ方向に対向する一方の主面６ａと他方の主面６ｂとを有している。アンテナ層６の一方の主面６ａは、光電変換層４と接合している。アンテナ層６の中央部には、一方の主面６ａから他方の主面６ｂに貫通する貫通孔１４が設けられている。貫通孔１４は、長辺および短辺からなる略矩形を呈している。貫通孔１４の短辺の長さ（最短幅）ｄは、支持基板２および光電変換層４を介してアンテナ層６に入射する光の波長よりも短くなっている。これにより、貫通孔１４から近接場光（後に詳しく述べる）のみを確実に出力させることができる。なお、本願における貫通孔１４は近接場光を出力させるためのものであるため、物理的な孔に限るものではなく、光学的な孔（光が透過する開口）も含む。

アンテナ層６は、複数の凸部１０と、凸部１０間に位置する凹部１２とを有している。凸部１０および凹部１２は、アンテナ層６の他方の主面６ｂに形成されている。先述した貫通孔１４は、凹部１２に位置している。複数の凸部１０は、貫通孔１４と同様に、長辺および短辺からなる略矩形を呈している。複数の凸部１０は、長辺同士が対向するように一次元に配列されるとともに、貫通孔１４を中心として対称的に配置されている。貫通孔１４を挟まずに隣り合う凸部１０間の中心距離はΛとなっており、貫通孔１４を挟んで隣り合う凸部１０間の中心距離はΛの2倍の長さとなっている。以下、この距離Λを周期間隔と呼ぶこととする。このように配置された凸部１０と、凸部１０間に位置する凹部１２とにより、アンテナ層６の他方の主面６ｂには所定の規則に従ったパターンが形成されることとなる。表面にこのようなパターンが形成されたアンテナ層６は、表面に凸部や凹部がない平坦なアンテナ層と比べて、より強度の大きな近接場光を出力することができる。

周期間隔Λは、検出したい光の波長に応じて、適宜設定される。ここで、波長λ_０（＝２πｃ／ω）の光がアンテナ層６に対して略垂直に入射する場合を考える。この場合、アンテナ層６の周期間隔Λが以下の式（１）を満たせば、波長λ_０の光によりアンテナ層６に表面プラズモン共鳴が発生する。

ε_aはアンテナ層６と接する誘電体の比誘電率であって、真空の場合にはε_a＝１である。ε_metalはアンテナ層６の比誘電率であって、ε_metal＞０である。よって、以下の式（２）が導き出せる。

式（２）によれば、波長λ_０の光で表面プラズモン共鳴を発生させるには、アンテナ層６における周期間隔Λを波長λ_０よりも短くする必要がある。このことから、貫通孔１４の短辺の長さ（幅）ｄもまた、波長λ_０よりも短くする必要があることがわかる。

式（１）に示されるｍを１とし、アンテナ層６をＡｇ又はＡｌから形成した場合の、周期間隔Λと光の波長λ_０との関係を図２に示す。図２によれば、アンテナ層６において波長λ_０＝１２４０ｎｍの光で表面プラズモン共鳴を発生させるには、周期間隔ΛをＡｇの場合は１２３４ｎｍとすればよい。本実施形態では、表面プラズモン共鳴が波長λの光で発生し、且つ、表面プラズモン共鳴に応じてアンテナ層６の貫通孔１４から出力される近接場光の波長が２００ｎｍ〜９３０ｎｍの範囲内となるように、アンテナ層６の周期間隔Λを設定することとする。

続いて、光電陰極１の製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示されるように、硼珪酸ガラスからなる支持基板２を用意する。用意した支持基板２上に、ｐ型ＧａＡｓ半導体からなる光電変換層４を積層する。なお、支持基板２上にｐ型ＧａＡｓ半導体からなる光電変換層４を積層する方法についてはその詳細を省略するが、例えば特開平９−１８０６３３号広報に開示されているような公知の方法を用いることができる。

次に、図３（ｂ）に示されるように、フォトレジスト２２を塗布した後、凸部１０を形成する領域が開口するように、フォトレジスト２２のパターニングを行う。そして、図３（ｃ）に示されるように、フォトレジスト２２によりマスクされた光電変換層４上に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等を含む導電膜２４を蒸着により成膜する。なお、フォトレジスト２２のパターニングは、紫外線等を用いた光リソグラフィ法で行ってもよいし、電子ビームを用いた電子線リソグラフィ法で行ってもよい。

次に、図３（ｄ）に示されるように、導電膜２４のうち、フォトレジスト２２上に成膜された部分をフォトレジスト２２と共にリフトオフ除去する。リフトオフ除去を行った後、図４（ａ）に示されるように、導電膜２４と同一の材料からなる導電膜２６を蒸着により成膜する。これにより、凸部１０と凹部１２とが形成される。

導電膜２６を成膜した後、図４（ｂ）に示されるように、貫通孔１４を形成する部分に集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）を照射して、この部分の導電膜２６を除去する。これにより、貫通孔１４を有するアンテナ層６が形成されることとなる。

次に、図４（ｃ）に示されるように、光電変換層４の貫通孔１４から露出した部分の上に、Ｃｓ等のアルカリ金属からなる活性層１６を形成する。以上の工程を経て、図１に示した光電陰極１が完成する。

続いて、光電陰極１の動作について説明する。支持基板２の一方の主面２ａ側から光（ｈν）が入射すると、かかる入射光（ｈν）は支持基板２および光電変換層４を透過してアンテナ層６に到達する。アンテナ層６における、凸部１０および凹部１２によるパターンが形成された面、すなわちアンテナ層６の他方の主面６ｂに入射光（ｈν）が到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光がアンテナ層６の表面プラズモンと結合する。その結果、アンテナ層６にて表面プラズモン共鳴が生じる。

表面プラズモン共鳴が生じると、アンテナ層６は貫通孔１４から強い近接場光を出力する。近接場光の出力方向は、パターンが形成された面からパターンが形成されていない面に向かう方向、すなわち他方の主面６ｂから一方の主面６ａに向かう方向となる。貫通孔１４から出力される近接場光の波長は、アンテナ層６表面に形成されたパターンの周期間隔Λに依存し、２００ｎｍ〜９３０ｎｍである。この近接場光の強度は、波長λの光の強度に比例しており、且つ波長λの光の強度よりも大きい。

アンテナ層６の一方の主面６ａに接合された光電変換層４は、アンテナ層６の貫通孔１４から出力された近接場光を受光する。近接場光の波長は２００ｎｍ〜９３０ｎｍであるため、ｐ型ＧａＡｓ半導体からなる光電変換層４は近接場光を吸収することができる。光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分は、近接場光を吸収し、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子（ｅ⁻）を発生する。

なお、アンテナ層６の貫通孔１４から出力される近接場光は、例えば、表面に凸部や凹部が形成されていない平坦なアンテナ層に光（ｈν）が入射したときに当該アンテナ層の貫通孔から出力される光と比べて、非常に大きな強度を有している。そのため、貫通孔１４の周辺部分にて発生する光電子（ｅ⁻）の量は、アンテナ層６に代わって上述した平坦な表面を有するアンテナ層を用いた場合に発生する光電子（ｅ⁻）の量と比べて、非常に多くなっている。

光電変換層４の貫通孔１４から露出した部分には、活性層１６が形成されている。活性層１６は、光電変換層４表面の仕事関数を低下させる。そのため、光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）は、貫通孔１４から容易に外部に出力されることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る光電陰極１は、光電変換層４およびアンテナ層６を備えている。アンテナ層６の他方の主面６ｂには、凸部１０および凹部１２によるパターンが形成されている。パターンを形成されたアンテナ層６は、波長λの光で表面プラズモン共鳴を発生し、且つ、アンテナ層６のパターンの周期間隔Λに依存した波長２００ｎｍ〜９３０ｎｍの近接場光を出力する。光（ｈν）がアンテナ層６の他方の主面６ｂに入射されると、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光がアンテナ層６の表面プラズモンと結合する。これにより、アンテナ層６に表面プラズモン共鳴が発生する。表面プラズモン共鳴が発生すると、アンテナ層６の貫通孔１４から強い近接場光が出力される。近接場光は光電変換層４にて受光される。近接場光の波長はアンテナ層６のパターンの周期間隔Λに依存した２００ｎｍ〜９３０ｎｍであるから、ｐ型ＧａＡｓ半導体といった公知の材料からなる光電変換層４に近接場光を吸収させ、光電子（ｅ⁻）を発生させることができる。よって、特別な材料からなる光電変換層４を用意する必要がなくなるため、光電陰極１の製造を容易化することができる。

光電変換層４は、近接場光を吸収し、近接場光の強度に応じた量の光電子（ｅ⁻）を発生する。近接場光による光電子（ｅ⁻）は、光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分で発生する。そのため、貫通孔１４からは、貫通孔１４の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）、すなわち近接場光による光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分は十分な量の光電子（ｅ⁻）を発生することとなり、その結果、アンテナ層６の貫通孔１４からは十分な量の光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。なお、光電陰極１において、光電子（ｅ⁻）は貫通孔１４のみから出力されることとなるが、例えば入射光に依存しない熱などによって発生する熱電子もまた、貫通孔１４のみから出力される。このため、雑音となる暗電流は、アンテナ層６が無い場合に比べて著しく小さくなる。したがって、本発明の光電陰極１では、高いＳ／Ｎ比で波長λの光を検出することが可能となり、波長λの光の検出感度に優れたものとなる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態における光電変換層４は、ｐ型ＧａＡｓ半導体からなるとしたが、光電変換層４の材料はこれに限られず、ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮといった化合物半導体およびこれらの混晶からなるとしてもよい。また、光電変換層４は、これらの半導体からなる層を積層したヘテロ構造のものであってもよい。光電変換層４の材料および構造は、アンテナ層６から出力される近接場光の波長や光電陰極１の用途に応じて、適宜選択される。

また、本実施形態における支持基板２は硼珪酸ガラスからなるとしたが、支持基板２の材料はこれに限られず、光電陰極１の機械的強度を維持できるものであれば、半導体材料や酸化物材料を適宜用いることができる。

また、本実施形態では、光電変換層４は平面状を呈しているとした。これを、図５（ａ）に示されるように、光電変換層４は、アンテナ層６の貫通孔１４と対向する位置にメサ状部２８を有しているとしてもよい。また、本実施形態では、アンテナ層６において、凸部１０および凹部１２はアンテナ層６の他方の主面６ｂに形成されるとした。これを、図５（ｂ）に示されるように、凸部１０および凹部１２は、アンテナ層６の一方の主面６ａに形成されるとしてもよい。凸部１０および凹部１２をアンテナ層６の一方の主面６ａに形成した場合には、図５（ｃ）に示されるように、光電変換層４はアンテナ層６の貫通孔１４を埋めるように形成されるとしてもよい。また、アンテナ層６の周囲には、ブラッグ反射層が形成されるとしてもよい。

また、アンテナ層６表面のパターンは、本実施形態のものに限られない。例えば、図６（ａ）に示されるように、略矩形状の凸部１０を等間隔で一次元配列し、凸部１０間に位置する凹部１２それぞれに略矩形状の貫通孔１４を設けることにより形成されるパターンであってもよい。また、図６（ｂ）に示されるように、略円形状の貫通孔１４を中心とし、その周囲に略円形状の凸部１０を等間隔で二次元配列することにより形成されるパターンであってもよいし、図６（ｃ）に示されるように、略円形状の貫通孔１４と略円形状の凸部１０とを交互に且つ等間隔で二次元配列することにより形成されるパターンであってもよい。なお、略円形状の貫通孔１４の径（最短幅）は、アンテナ層６に入射する光の波長よりも短いものとする。また、図７（ａ）に示されるように、貫通孔１４と複数の凸部１０とで構成されるダーツの的（ブルズアイとも呼ばれる）状の模様を、所定の間隔で２次元配列することにより形成されるパターンであってもよい。図７（ｂ）は、図７（ａ）を略矩形状に変形したものである。

また、本実施形態の光電陰極１において、アンテナ層６表面のパターンは、複数の凸部１０および凸部１０間に位置する凹部１２によって形成されるとした。これを、アンテナ層６表面のパターンは複数の貫通孔１４によって形成されるとしてもよい。図７（ｃ）に示されるように、貫通孔１４を等間隔（所定の間隔）で二次元配列することによりアンテナ層６表面のパターンを形成した場合には、貫通孔１４の位置や配置間隔を変えることで、アンテナ層６におけるパターンの形状を変えることができる。

そのほか、図８に示されるように、光電陰極１は凸部１０および凹部１２が形成されたアンテナ層１６０を複数備えるものであってもよい。この場合にも、各アンテナ層１６０にて表面プラズモン共鳴を発生させ、近接場光を出力させることができる。図９は、アンテナ層のパターンの形状を変更した場合における、光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。パターンの形状を適宜変えることにより、図９の曲線Ｇ１に示されるように、感度波長範囲が比較的広く平坦な感度を有する光電陰極、曲線Ｇ２に示されるように、感度波長範囲が比較的広く短波長側に高い分光感度を有する光電陰極、曲線Ｇ３に示されるように、感度波長範囲が比較的広く長波長側に高い分光感度を有する光電陰極、曲線Ｇ４に示されるように、短波長側の特定波長のみに分光感度を有する光電陰極、および曲線Ｇ５に示されるように、長波長側の特定波長のみに分光感度を有する光電陰極を得ることができる。

（画像増強管）

次に、画像増強管について説明する。図１０は、画像増強管３０の断面模式図である。画像増強管３０は、ガラス面板３１と、光電陰極１００と、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）３２と、蛍光体３４と、ガラスファイバープレート３６と、真空容器３８とを備えている。

光電陰極１００は、支持基板２と、支持基板２上に設けられた光電変換層４と、光電変換層４上に設けられたアンテナ層１０６とを備えている。アンテナ層１０６には、図７（ｃ）に示されるアンテナ層６のように、貫通孔１１４が等間隔（所定の間隔）で二次元配列されている。光電変換層４の貫通孔１１４から露出した部分は、極薄くかつ均一に形成された活性層１６で覆われている。

ガラス面板３１は、真空容器３８の一方の端部に支持されており、ガラス面板３１と真空容器３８とは、Ｉｎ等からなるシール部４０でシールされている。シールされた真空容器３８の内部は、真空となっている。真空容器３８内部には、ガラス面板３１側から、光電陰極１００、ＭＣＰ３２、蛍光体３４、およびガラスファイバープレート３６が順次配設されている。光電陰極１００は、真空容器３８内部の一端において、支持基板２がガラス面板３１側に位置し、アンテナ層１０６がＭＣＰ３２側に位置するように取り付けられている。光電陰極１００における光電変換層４の周縁部には電極３７が接続されている。電極３７は、電極４２に接続されている。ＭＣＰ３２及び蛍光体３４には、所望の電位を与えるための複数の電極４４，４６，４８が設けられている。

電極４２および電極４４を介して、光電陰極１００とＭＣＰ３２との間には数１００Ｖの電圧が印加されている。また、ＭＣＰ３２に接続された各電極４４，４６を介して、ＭＣＰ３２の上面側（以下「入力側」という）とＭＣＰ３２の下面側（以下「出力側」という）との間には増倍用の電圧が印加されている。また、ＭＣＰ３２に接続された電極４６および蛍光体３４に接続された電極４８を介して、ＭＣＰ３２と蛍光体３４との間には数ｋＶ程度の電圧が印加されている。

このような構成を有する画像増強管３０の動作を説明する。画像増強管３０の入射窓となるガラス面板３１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板３１、光電陰極１００の支持基板２、および光電陰極１００の光電変換層４を透過して、光電陰極１００のアンテナ層１０６に到達する。アンテナ層１０６に入射光（ｈν）が到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光により、アンテナ層１０６で表面プラズモン共鳴が発生する。その結果、アンテナ層１０６の貫通孔１１４から強い近接場光が出力される。出力される近接場光の波長は２００ｎｍ〜９３０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓ半導体といった材料からなる公知の光電変換層４にて吸収可能な波長となっている。

近接場光は、アンテナ層１０６の他方の主面６ｂから一方の主面６ａに向かう方向に出力され、光電変換層４にて受光される。光電変換層４における貫通孔１１４の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子（ｅ⁻）を発生する。光電変換層４における貫通孔１１４の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）は、活性層１６を介して貫通孔１１４から真空中に出力される。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光電変換層４における貫通孔１１４の周辺部分は十分な量の光電子（ｅ⁻）を発生することとなり、その結果、アンテナ層１０６の貫通孔１１４からは十分な量の光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。

真空中に出力された光電子（ｅ⁻）は、光電陰極１００とＭＣＰ３２との間に印加された電圧により加速されながら、ＭＣＰ３２に入射する。入射した光電子（ｅ⁻）は、ＭＣＰ３２により二次電子増倍されて、再び真空中に出力される。そして、ＭＣＰ３２と蛍光体３４との間に印加された電圧により加速されながら、蛍光体３４に入射し発光する。蛍光体３４からの発光はガラスファイバープレート３６を通して画像増強管３０の外部に取り出される。

上述したように、本実施形態に係る画像増強管３０は、光電陰極１００を備えている。光電陰極１００は、表面プラズモン共鳴を発生させるアンテナ層１０６を有している。このようなアンテナ層１０６を有する光電陰極１００は、特定波長の光の入射に応じて、十分な量の光電子（ｅ⁻）を出力する。なお、画像増強管３０においては、光電子（ｅ⁻）は光電陰極１００の貫通孔１１４のみから出力される。同様に、例えば入射光に依存しない熱などによって発生する熱電子もまた、貫通孔１１４のみから出力される。このため、雑音となる暗電流は、アンテナ層１０６が無い場合に比べて著しく小さくなる。したがって、画像増強管３０は高いＳ／Ｎ比で特定波長の光を検出することができる。よって、特定波長の光の検出感度に優れた画像増強管３０を提供することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態の画像増強管３０では、光電陰極１００を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子（ｅ⁻）を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１００を、入射光（ｈν）の入射面から光電子（ｅ⁻）を出力する反射型光電面として用いることもできる。

（ラインフォーカス型光電子増倍管）

次に、ラインフォーカス型の光電子増倍管について説明する。図１１は、光電子増倍管６０の断面模式図である。光電子増倍管６０は、ガラス面板６１と、上記の実施形態に係る光電陰極１と、真空容器６２と、集束電極６４と、複数のダイノード６６と、最終ダイノード６８と、アノード電極７０とを備えている。ガラス面板６１は、真空容器６２の一方の端部に支持されており、ガラス面板６１と真空容器６２とはシールされている。シールされた真空容器６２の内部は、真空となっている。真空容器６２内部には、ガラス面板６１側から、光電陰極１、集束電極６４、複数のダイノード６６、および最終ダイノード６８が順次配設されている。光電陰極１は、真空容器６２の一端において、支持基板２がガラス面板６１側に位置し、アンテナ層６が内側に位置するように取り付けられている。光電陰極１における光電変換層４の周縁部にはカソード電極７２が接続して形成されている。アノード電極７０とカソード電極７２とは外部回路を介して接続されており、バイアス電圧Ｖｂを印加することが可能になっている。

集束電極６４は、光電陰極１と所定の間隔をあけて対向するように真空容器６２内部に設けられている。集束電極６４の中心部には開口６４ａが設けられている。複数のダイノード６６は、光電陰極１から出射された光電子（ｅ⁻）を受けて二次電子を発生する、あるいは他のダイノード６６から二次電子を受けてさらに多くの二次電子を発生するための電子増倍手段である。複数のダイノード６６は、曲面状を呈しており、ダイノード６６それぞれが出射した二次電子を別のダイノード６６が受けるように、ダイノード６６の複数の段が繰り返して配置されている。最終ダイノード６８は、複数のダイノード６６によって増倍された二次電子を最後に受ける部分である。アノード電極７０は、最終ダイノード６８および図示しないステムピンに接続されている。

このような構成を有する光電子増倍管６０の動作を説明する。光電子増倍管６０のガラス面板６１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板６１、光電陰極１の支持基板２、および光電陰極１の光電変換層４を透過して、光電陰極１のアンテナ層６に到達する。入射光（ｈν）が、アンテナ層６における凸部１０および凹部１２によるパターンが形成された面、すなわちアンテナ層６の他方の主面６ｂに到達すると、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光により、アンテナ層６で表面プラズモン共鳴が生じる。その結果、アンテナ層６の貫通孔１４から強い近接場光が出力される。出力される近接場光の波長は２００ｎｍ〜９３０ｎｍであり、ｐ型ＧａＡｓ半導体といった材料からなる公知の光電変換層４にて吸収可能な波長となっている。

近接場光は、アンテナ層６の他方の主面６ｂから一方の主面６ａに向かう方向に出力され、光電変換層４にて受光される。光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子（ｅ⁻）を発生する。光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）は、活性層１６を介して貫通孔１４から集束電極６４に向かって出力される。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光の強度に比例し、且つこれよりも大きい。よって、光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分は十分な量の光電子（ｅ⁻）を発生することとなり、その結果、アンテナ層６の貫通孔１４からは十分な量の光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。

光電陰極１から出力された光電子（ｅ⁻）は、集束電極６４によって引き出されるとともに集束され、集束電極６４の開口６４ａを通過する。開口６４ａを通過した光電子（ｅ⁻）を受けた複数のダイノード６６は、二次電子を発生し、発生した二次電子を増倍する。増倍された二次電子は最終ダイノード６８に入力され、最終ダイノード６８によりさらに増倍される。アノード電極７０とカソード電極７２にはバイアス電圧Ｖｂが印加されているため、最終ダイノード６８により増倍された二次電子は、アノード電極７０によって収集され、アノード電極７０に接続された図示しないステムピンを介して、光電子増倍管６０の外部へ出力される。

上述したように、本実施形態に係る光電子増倍管６０は、上記の実施形態に係る光電陰極１を備えている。光電陰極１は表面プラズモン共鳴を発生させるアンテナ層６を有している。そのため、光電陰極１は、特定波長の光の入射に応じて、十分な量の光電子（ｅ⁻）を出力することができる。なお、光電子増倍管６０においては、光電子（ｅ⁻）は光電陰極１の貫通孔１４のみから出力される。同様に、例えば入射光に依存しない熱などによって発生する熱電子もまた、貫通孔１４のみから出力される。このため、雑音となる暗電流は、アンテナ層６が無い場合に比べて著しく小さくなる。したがって、特定波長の光の検出感度に優れ、且つ容易に製造可能な光電子増倍管６０を提供することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光電子増倍管６０では、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子（ｅ⁻）を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面から光電子（ｅ⁻）を出力する反射型光電面として用いることもできる。

（電子打ち込み型光電子増倍管）

次に、電子打ち込み型の光電子増倍管について説明する。図１２は、光電子増倍管８０の断面模式図である。光電子増倍管８０は、ガラス面板８１と、光電陰極１と、真空容器８２と、フォトダイオード８４とを備えている。

真空容器８２の一方の端部にはガラス面板８１が支持されており、真空容器８２の他方の端部には底板部８５が支持されている。ガラス面板８１および底板部８５は真空容器８２を気密に封止して、真空容器８２内部を真空状態に保持させている。真空容器８２内部には、ガラス面板８１側から、光電陰極１およびフォトダイオード８４が順次配設されている。光電陰極１は、真空容器８２内部の一端において、支持基板２がガラス面板８１側に位置し、アンテナ層６がフォトダイオード８４側に位置するように取り付けられている。光電陰極１における光電変換層４の周縁部には電極８６が接続されている。底板部８５上面には、光電陰極１と対向して、光電子が打ち込まれたとき増倍作用を有しているフォトダイオード８４が設置されている。フォトダイオード８４にはステムピン８８が接続されており、ステムピン８８の一端は底板部８５を貫通して延びている。

ステムピン８８を介して、フォトダイオード８４には逆バイアス電圧が印加されている。また、ステムピン８８と電極８６とを介して、光電陰極１とフォトダイオード８４との間に数ｋＶの電圧が印加されている。

このような構成を有する光電子増倍管８０の動作を説明する。光電子増倍管８０の入射窓となるガラス面板８１に光（ｈν）が入射すると、入射光（ｈν）はガラス面板８１を透過して、光電陰極１に到達する。光電陰極１は、ラインフォーカス型の光電子増倍管６０における光電陰極１と同様に動作する。すなわち、光電陰極１のアンテナ層６は、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光により表面プラズモン共鳴を発生する。そして、波長が２００ｎｍ〜９３０ｎｍの範囲にある近接場光を貫通孔１４から出力する。光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分は、近接場光を受光して、近接場光の強度（受光量）に応じた量の光電子（ｅ⁻）を発生する。光電変換層４における貫通孔１４の周辺部分で発生した光電子（ｅ⁻）は、活性層１６を介して貫通孔１４から真空中に出力される。近接場光の強度は、入射光（ｈν）に含まれる波長λの光の強度に比例し、且つこれよりも大きいため、アンテナ層６の貫通孔１４からは十分な量の光電子（ｅ⁻）が出力されることとなる。

真空中に出力された光電子（ｅ⁻）は、光電陰極１とフォトダイオード８４との間に印加された電圧により加速されながら、フォトダイオード８４に入射する。光電子（ｅ⁻）が入射されたフォトダイオード８４は、光電子（ｅ⁻）１つに対し数１０００倍に増倍された二次電子を発生する。増倍された二次電子は、ステムピン８８を介して光電子増倍管８０の外部へ出力される。

上述したように、本実施形態に係る光電子増倍管８０は、上記の実施形態に係る光電陰極１を備えている。光電陰極１は表面プラズモン共鳴を発生させるアンテナ層６を有している。そのため、光電陰極１は特定波長の光の入射に応じて、十分な量の光電子（ｅ⁻）を出力することができる。なお、光電子増倍管８０においては、光電子（ｅ⁻）は光電陰極１の貫通孔１４のみから出力される。同様に、例えば入射光に依存しない熱などによって発生する熱電子もまた、貫通孔１４のみから出力される。このため、雑音となる暗電流は、アンテナ層６が無い場合に比べて著しく小さくなる。したがって、特定波長の光の検出感度に優れ、且つ容易に製造可能な光電子増倍管８０を提供することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光電子増倍管８０では、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面とは反対側の面から光電子（ｅ⁻）を出力する透過型光電面として用いたが、光電陰極１を、入射光（ｈν）の入射面から光電子（ｅ⁻）を出力する反射型光電面として用いることもできる。また、光電子増倍管８０では、光電子（ｅ⁻）はフォトダイオード８４に入射するとしたが、フォトダイオード８４の代わりに電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いるとしてもよい。

本発明に係る光電陰極の一実施形態の構成を示す平面図である。 光の波長とアンテナ層の周期間隔との関係を示す表である。 図１に示される光電陰極の製造工程を示す断面図である。 図３の後続の工程を示す断面図である。 本実施形態に係る光電陰極が備える光電変換層およびアンテナ層の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備えるアンテナ層の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備えるアンテナ層の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備えるアンテナ層の変形例を示す図である。 本実施形態に係る光電陰極が備えるアンテナ層のパターンを変更した場合における、光電陰極の分光感度特性を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る画像増強管の断面模式図である。 本発明の実施形態に係るラインフォーカス型の光電子増倍管の断面模式図である。 本発明の実施形態に係る電子打ち込み型の光電子増倍管の断面模式図である。

符号の説明

１，１００・・・光電陰極、２・・・支持基板、４・・・光電変換層、６・・・アンテナ層、１０・・・凸部、１２・・・凹部、１４・・・貫通孔、１６・・・活性層、３０・・・画像増強管、６０・・・光電子増倍管、８０・・・光電子増倍管。

Claims (8)

1. 厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに、表面プラズモン共鳴を発生させるためのパターンが表面に形成されたアンテナ層と、
   前記アンテナ層と接合し、前記貫通孔から出力された光を吸収して光電子を発生する光電変換層と、を備え、
   前記光電変換層で発生した前記光電子は、前記アンテナ層の前記貫通孔から外部に出力される、
   ことを特徴とする光電陰極。
2. 前記アンテナ層は複数の凸部と当該凸部間に位置する凹部とを有しており、前記凸部および前記凹部が前記パターンを形成しており、前記貫通孔は前記凹部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
3. 前記光電変換層にて発生する光電子の量が、貫通孔を有し且つ表面に凸部および凹部が形成されていないアンテナ層を前記光電変換層に接合した場合に当該光電変換層にて発生する光電子の量と比べて多くなるように、前記パターンが決められていることを特徴とする請求項２に記載の光電陰極。
4. 前記アンテナ層は前記貫通孔を複数有しており、当該複数の貫通孔が前記パターンを形成していることを特徴とする請求項１に記載の光電陰極。
5. 前記貫通孔の最短幅は前記アンテナ層に入射する光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電陰極。
6. 前記光電変換層の表面において前記アンテナ層の前記貫通孔から露出した部分には、当該部分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のいずれか一項に記載の光電陰極。
7. 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に記載の光電陰極。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の光電陰極を備えることを特徴とする電子管。

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