JP5215569B2 - チャネル型電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明は、タンデム型連続チャネル型電子増倍管に関する。

チャネル型電子増倍管（ＣＥＭ）は、荷電粒子や光子、高エネルギー中性粒子の信号増幅に用いられる。また、ＣＥＭは光子や正負両方の荷電粒子、また高エネルギー中性粒子の検出にも用いられる。ＣＥＭは、質量分析計の検出器のほか、オージェ光電子分光計やＸ線／紫外線光電子分光計などの表面分析計の検出器として、また電子顕微鏡にも用いられる。さらに、ＣＥＭは光子増倍管の電子増倍にも用いることができる。

ＣＥＭでは電子放出（emissive）面を用いて電子増倍を発生させる。十分なエネルギーを持つ荷電粒子や高エネルギー中性粒子、光子が電子放出面に衝突すると、電子放出面から二次電子が放出される。このプロセスが繰り返されると、チャネルの長さに沿って電子なだれが発生する。チャネルの端部に設けられたファラデーカップなどの電子コレクタが、電子を収集してその電子を電気パルスに変換する。

米国特許第３，１２８，４０８号明細書 米国特許第４，７５７，２２９号明細書

一般にＣＥＭは管状であることが多く、入射ビームプロファイルの検出を向上させるためにファンネルコーン（funnel cone）が入射ビーム側に一体式に設けられている。１つの本体内に単一または複数のチャネルを有するＣＥＭが市場に流通している。シングルチャネル型ＣＥＭでは、各チャネルのチャネル抵抗が同じであるマルチチャネル型ＣＥＭに比べて出力電流のダイナミックレンジが小さい。ＣＥＭの安定性と寿命は、電子放出面の活性領域に左右される。そのため、シングルチャネル型ＣＥＭの寿命は短い。また、シングルチャネル型ＣＥＭの高出力電流動作は、マルチチャネル型電子増倍管に比べて不安定である。しかし、マルチチャネル型電子増倍管では、入射ビーム側においてチャネル間に非活性領域が存在するため検出効率が落ちる。シングルチャネル型電子増倍管では、ファンネルコーンとチャネルとが滑らかにつながっているため検出効率が最大になる。

そこで、検出効率が高くて寿命がより長いＣＥＭが求められている。

本発明の１実施形態によれば、入射粒子を受け取るシングルチャネル型ＣＥＭを含むチャネル型電子増倍管が提供される。シングルチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取るマルチチャネル型ＣＥＭが、シングルチャネル型ＣＥＭの後段に配置されている。マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させる電子コレクタが、マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置されている。

図１は一般的なＣＥＭの例を示す。図１に示すように、通常、ＣＥＭは入射（input）ファンネルコーン１０１と、湾曲した管状のチャネル１０２と、ファラデーカップ１０３をと有する。図２は、入射ファンネルコーン２０１と、螺旋形の管状のチャネル２０２と、ファラデーカップ２０３とを有する別のＣＥＭを示す。図３Ａは、入射ファンネルコーン３０１と、複数の湾曲したチャネル３０２と、ファラデーカップ３０３とを有する一般的なＣＥＭを示す。図３Ｂは、図３ＡのＣＥＭの正面図である。

図４は図２の部分拡大図であり、ＣＥＭの動作を示す。ＣＥＭのチャネル内部壁４０１には、一般に還元酸化鉛ガラスである半導体層４０３の上に、一般にＳｉＯ₂である電子放出層４０２が設けられている。管状のチャネル２０２に取り付けられたファンネルコーン２０１により、入射粒子ビームプロファイルの受け入れ部がより大きくなり、検出感度が高まる。

荷電粒子や光子、高エネルギー中性粒子がＣＥＭの入射側表面に衝突すると二次電子が発生し、二次電子は印加電界によってチャネル内に進行する。この電界によって、二次電子はチャネル内をさらに進行してチャネル壁に衝突し、さらに多数の二次電子を発生させる。このプロセスが何度か繰り返され、チャネルに沿って電子なだれが発生する。出射側に位置するファラデーカップ２０３がこの電子を収集して電子を電気パルス４０６に変換し、電気パルスは電気回路に送られてさらに信号処理される。増倍管のチャネル壁から放出された電子は、半導体ガラスを流れる電流４０４によって補充される。図において電流４０４は、より正にバイアスされたＣＥＭの背面側、すなわちファラデーカップ側から、より負にバイアスされたＣＥＭの前面側、すなわちファンネルコーン側に流れることを示し、これは一般に知られる慣用に沿ったものである。しかし一般的には、電子は前面側から背面側へ流れると理解される。

図３に示すようなマルチチャネル型ＣＥＭが製造されているが、この構成では検出効率が落ちる。入射ファンネルコーン３０１があっても、入射粒子によって発生した二次電子のほとんどがチャネル開口部の間の領域３０４に衝突し、チャネル内に進行しない。したがって、粒子衝突領域３０４では電子増倍が発生せず、イオン信号が著しく弱くなる。一方、図１，２に示すようなシングルチャネル型ＣＥＭでは、ファンネルコーン１０１，２０１とチャネル１０２，２０２とが滑らかに移行する構成なので、粒子検出の損失は発生しない。長期的には、荷電粒子がチャネル壁に衝突することによって次第に壁の表面が劣化する。このため、ＣＥＭの寿命はチャネル壁の全表面積に正比例する。しかしながら、図３Ａのマルチチャネル型ＣＥＭでは、チャネルが複数あるため（各チャネルの抵抗やバイアスストリップ電流が同じであると仮定する）、図１，２のシングルチャネル型ユニットに比べ、安定したより幅広いダイナミックレンジの出力電流を提供することができる。また、図３Ａのマルチチャネル型ＣＥＭは、シングルチャネル型ＣＥＭの構成に比べてチャネル壁の電子放出層４０２の活性表面領域が大きいので寿命も長い。

本発明の実施形態は、シングルチャネル型ＣＥＭとマルチチャネル型ＣＥＭの構成を結合したタンデム（tandem）構成にすることで、従来のシングルチャネル型ＣＥＭおよびマルチチャネル型ＣＥＭよりも性能が向上している。シングルチャネル型ＣＥＭを粒子ビーム入射側に配置し、その後段において、電子なだれの出射側にマルチチャネル型ＣＥＭ構造を配置する。

図５Ａは、本発明の実施形態におけるタンデム型ＣＥＭ構成５０１を示す。タンデム型ＣＥＭ５０１は、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２とマルチチャネル型の単体ＣＥＭ５０３とを備える。単体ＣＥＭ５０３の複数のチャネルは、図３Ａに示すような湾曲した管状のチャネルにすることができる。荷電粒子５０８の入射ビームがファンネル（図示せず）に衝突し、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２に沿って電子なだれを引き起こす。シングルチャネル型ＣＥＭ５０２からの出力電子放出は、単体ＣＥＭ５０３の複数のチャネルに受け取られる。この電子放出は、電子コレクタ（ファラデーカップなど）５２０で収集される。

図５Ｂは、本発明の別の実施形態におけるタンデム型ＣＥＭ構成５０４を示す。タンデム構成５０４では、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２の後段に複数の単体ＣＥＭユニット５０５を配置する。ＣＥＭユニット５０５は、シングルチャネル型の装置でもマルチチャネル型の装置でもよい。荷電粒子５０８の入射ビームがファンネル（図示せず）に衝突し、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２に沿って電子なだれを引き起こす。シングルチャネル型ＣＥＭ５０２からの出力電子放出は、ＣＥＭユニット５０５で受け取られる。この電子放出は、ＣＥＭユニット５０５の出射側に設けられた各電子コレクタ（ファラデーカップなど）５２０で収集される。

図５Ｃは、本発明のさらに別の実施形態におけるタンデム型ＣＥＭ構成５０６を示す。タンデム構成５０６では、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２の後段に複数の単体ＣＥＭユニット５０５を配置する。ＣＥＭユニット５０５は、シングルチャネル型の装置でもマルチチャネル型の装置でもよい。第３の段階のＣＥＭユニットアレイ５０７をＣＥＭユニット５０５の後段に配置する。ＣＥＭユニット５０７は、シングルチャネル型の装置でもマルチチャネル型の装置でもよい。荷電粒子５０８の入射ビームがファンネル（図示せず）に衝突し、シングルチャネル型ＣＥＭ５０２に沿って電子なだれを引き起こす。シングルチャネル型ＣＥＭ５０２からの出力電子放出は、ＣＥＭユニット５０５で受け取られる。そして、ＣＥＭユニット５０５からの出力電子放出は、ＣＥＭユニット５０７で受け取られる。さらに、ＣＥＭユニット５０７の電子放出は、各ＣＥＭユニット５０７の出射側に設けられた電子コレクタ（ファラデーカップなど）５２０で収集される。図５Ａないし図５Ｃのタンデム型ＣＥＭ構成は、電流出力が安定して高く、寿命が長く、また粒子検出効率が高いＣＥＭ構成を提供することができる。

図５Ａないし図５Ｃのタンデム構成では、シングルチャネル型ＣＥＭとマルチチャネル型ＣＥＭとの間に間隔が必要となる。これら２つの間の実行可能な（workable）間隔は、マルチチャネル型ＣＥＭの入射側におけるチャネル間距離に応じて変わる。例示的な実施形態では、チャネル間距離は中心間距離で０．１インチ（約０．２５センチ）、シングルチャネル型ＣＥＭとマルチチャネル型ＣＥＭとの間の実行可能な間隔は０．１インチ（約０．２５センチ）ないし０．７５インチ（約１．９センチ）である。一般に、シングルチャネル型ＣＥＭの出射側とマルチチャネル型ＣＥＭの入射側との間の間隔は、マルチチャネル型ＣＥＭのチャネルのチャネル間距離に基づいて決められる。本発明の実施形態では、シングルチャネル型ＣＥＭとそれに続くマルチチャネル型ＣＥＭが、一体構成で共通のハウジング内に格納される。

シングルチャネル型ＣＥＭの後段にマルチチャネル型ＣＥＭを配置する上述のタンデム構成では、シングルチャネル型ＣＥＭによって検出効率が高くなり、マルチチャネル型ＣＥＭによって出力電流が安定して高くなり、また寿命が長くなる。シングルチャネル型ＣＥＭ側で入射粒子が引き起こす電子なだれは、マルチチャネル型ＣＥＭの入射面領域全体に広がる。チャネル間の領域における検出効率が悪いためにマルチチャネル型ＣＥＭの入射領域で電子が失われても、マルチチャネル型ＣＥＭで電子なだれを発生させるのに十分な数の電子がチャネル内に進行し、電子なだれはファラデーカップに到達する。この場合、検出器の全体構成に入射する単一の粒子の情報が維持される。

図６は、偏向電圧（deflection voltage）と相対出力電流との関係を示すグラフである。図６のグラフＡは、電圧制御偏向板（voltage controlled deflection plate）によって、ＣＥＭの入射コーン全体にわたって、入射ビーム軸を含む平面で水平方向に入射ビームをスキャンした場合の、３チャネル型ＣＥＭのみからの出力信号を表す。ビーム軸は３チャネルＣＥＭの軸と同一線上にある。グラフＡでは、３つの入射チャネルのうち２つを横断するスキャンを行い、チャネル横断部分が−７５Ｖおよび＋７５Ｖ付近の偏向位置における２つのピークで示されている。これら２つのピークの間で出力電流が急激に落ち込んでいるのは、入射ビームがチャネル間の領域で散乱されて損失が生じたことを直接示すものである。グラフＢは、このマルチチャネル型ＣＥＭと同じ入射ビームスキャン方法を用いた場合の、タンデム型ＣＥＭ構成からの出力を示す。グラフＢは、マルチチャネル型ＣＥＭでは損失が最大になる領域において、タンデム構成の入射コーン全体にわたって実質的に損失がないことを示している。このことから、シングルチャネル型入射の増倍管をタンデム型ＣＥＭ構成で使用すると、マルチチャネル型ＣＥＭのみで構成される検出器にビームが直接入射する場合に発生する損失が発生しないことが明らかに示される。

図７は、シングルチャネル型ＣＥＭおよびタンデム型ＣＥＭにおける相対ＵＶ強度と出力電流との関係を示すグラフである。グラフＢは、シングルチャネル型ＣＥＭの出力電流を示す。グラフＡは、複数段のタンデム型ＣＥＭにおける出力電流を示す。図７に示すように、タンデム型ＣＥＭでは出力電流のダイナミックレンジがより高くなる。このグラフでは、タンデム型ＣＥＭの各チャネルのバイアスストリップ電流はシングルチャネル型ＣＥＭの場合に比べて１．６倍小さいが、タンデム型ＣＥＭの出力電流応答は、信号入力（相対ＵＶ強度）の関数として、シングルチャネル型ＣＥＭの場合よりも高くなっている。シングルチャネル型ＣＥＭが約４５マイクロアンペアで飽和することが明らかに分かる。このことは、タンデム型連続ＣＥＭでチャネルを多重的に使用することで、相対的に同じゲインで動作するシングルチャネル型ＣＥＭの場合に比べて大きな出力電流が得られることの直接的な検証になる。

図８は、時間と正規化された相対出力電流との関係を示すグラフである。グラフＡはタンデム型ＣＥＭの場合を、グラフＢはシングルチャネル型ＣＥＭの場合を示す。図８から、タンデム型ＣＥＭ構成では、同じ動作条件下で作動するシングルチャネル型ＣＥＭに比べて、より大きな出力電流をより長い期間で好適に維持できることが分かる。３．５日間連続動作させた場合、タンデム型ＣＥＭ構成は初期出力の７４％を維持するが、シングルチャネル型ＣＥＭは初期出力の４６％しか維持できない。このことは、タンデム型ＣＥＭ構成を用いると検出器の寿命が１．６倍延びることを示している。これは、複数のチャネルを用いるとチャネルの全表面積が大きくなるためである。

本発明の実施形態は、入射ビーム側に単一のチャネルを、出射側に複数のチャネルを組み込んだタンデム構成を用いることで、シングルチャネル型増倍管とマルチチャネル型増倍管の固有の問題点を克服する。シングルチャネル型電子増倍管によって検出効率が高くなり、マルチチャネル型電子増倍管によって出力電流（ダイナミックレンジ）が安定して高くなり、また寿命が長くなる。タンデム構成では、シングルチャネル型ＣＥＭ側で入射粒子が引き起こす電子なだれが、マルチチャネル型ＣＥＭの入射コーンの入射領域全体に広がる。複数のチャネルの入射側におけるチャネル間領域で一部電子が損失しても、マルチチャネル型ＣＥＭで電子なだれを引き起こすのに十分な数の電子が複数のチャネルに入射する。そのため、単一の入射粒子の情報は維持される。

このタンデム構成では、シングルチャネル型ＣＥＭの入射ビーム側が電気的にバイアスされ、マルチチャネル型ＣＥＭの出射側に対して負になる。タンデム構成の長さ全体に電圧が印加されてバイアスが行われる。電子増倍管の入射側と出射側に電気接点が設けられ、チャネルに電圧を印加することができる。電子増倍管の入射側における入射ビームによって二次電子が発生する。この電子は、印加された電界の影響を受けて複数のチャネルの出射側へ進行する。その際に電子は壁への衝突を繰り返し、全体として電子なだれを引き起こし、電子なだれはファラデーカップによって収集される。

例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明の本質を逸脱しない範囲でさまざまな変更を加えたり、本発明の要素をその均等物と置き換えたりすることができることは、当業者が理解するところである。したがって本発明は、本発明を実施するために開示された上記の実施形態に限られず、請求項の範囲内におけるあらゆる実施形態を含むものとする。

一般的なシングルチャネル型ＣＥＭを示す図である。 一般的なシングルチャネル型ＣＥＭを示す図である。 一般的なマルチチャネル型ＣＥＭを示す図である。 一般的なマルチチャネル型ＣＥＭを示す図である。 ＣＥＭでの電子なだれを示す図である。 本発明の実施形態における複数段のタンデム型ＣＥＭを示す図である。 本発明の実施形態における複数段のタンデム型ＣＥＭを示す図である。 本発明の実施形態における複数段のタンデム型ＣＥＭを示す図である。 偏向電圧と相対出力電流との関係を示すグラフである。 相対ＵＶ強度と出力電流との関係を示すグラフである。 時間と正規化された相対出力電流との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０１，２０１，３０１ ファンネルコーン、１０２，２０２，３０２ チャネル、１０３，２０３，３０３ ファラデーカップ、３０４ 粒子衝突領域、４０１ チャネル壁、４０２ 電子放出層、４０３ 半導体層、４０４ 電流、４０６ 電気パルス、５０１，５０４，５０６ タンデム型ＣＥＭ構成、５０２ シングルチャネル型ＣＥＭ、５０３ 単体ＣＥＭ、５０５，５０７ ＣＥＭユニット、５０８ 荷電粒子、５２０ 電子コレクタ。

Claims (8)

1. チャネル型電子増倍管であって、
   入射粒子を受け取るシングルチャネル型ＣＥＭと、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記シングルチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取るマルチチャネル型ＣＥＭと、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させる電子コレクタと、
   を有し、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭと前記マルチチャネル型ＣＥＭとの間の距離が、前記マルチチャネル型ＣＥＭにおけるチャネル間の距離からその７．５倍の距離までの間の距離に相当することを特徴とするチャネル型電子増倍管。
2. 請求項１に記載のチャネル型電子増倍管であって、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭが、単体のマルチチャネル型ＣＥＭであることを特徴とするチャネル型電子増倍管。
3. 請求項１に記載のチャネル型電子増倍管であって、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭが複数の単体ＣＥＭユニットを有し、該単体ＣＥＭユニットが単一のチャネルを有することを特徴とするチャネル型電子増倍管。
4. 請求項１に記載のチャネル型電子増倍管であって、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭが複数の単体ＣＥＭユニットを有し、該単体ＣＥＭユニットが複数のチャネルを有することを特徴とするチャネル型電子増倍管。
5. 請求項１に記載のチャネル型電子増倍管であって、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取る別のマルチチャネル型ＣＥＭを更に有し、
   前記電子コレクタが、前記別のマルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記別のマルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させることを特徴とするチャネル型電子増倍管。
6. 請求項１に記載のチャネル型電子増倍管であって、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭに粒子を導くファンネルを更に含むことを特徴とするチャネル型電子増倍管。
7. チャネル型電子増倍管であって、
   入射粒子を受け取るシングルチャネル型ＣＥＭと、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記シングルチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取るマルチチャネル型ＣＥＭと、
   ここで前記シングルチャネル型ＣＥＭと前記マルチチャネル型ＣＥＭとは一体構成であり、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させる電子コレクタと、
   を有し、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭと前記マルチチャネル型ＣＥＭとの間の距離が、前記マルチチャネル型ＣＥＭにおけるチャネル間の距離からその７．５倍の距離までの間の距離に相当することを特徴とするチャネル型電子増倍管。
8. チャネル型電子増倍管であって、
   入射粒子を受け取るシングルチャネル型ＣＥＭと、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記シングルチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取るマルチチャネル型ＣＥＭであって、前記シングルチャネル型ＣＥＭと前記マルチチャネル型ＣＥＭは、一体構造で共通のハウジングに収容される、マルチチャネル型ＣＥＭと、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させる電子コレクタと、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭに粒子を導くファンネルと、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記マルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出を受け取る別のマルチチャネル型ＣＥＭと、を備え、
   前記電子コレクタは、前記別のマルチチャネル型ＣＥＭの後段に配置され、前記別のマルチチャネル型ＣＥＭからの電子放出に応じてパルス電流を発生させ、
   前記マルチチャネル型ＣＥＭは、複数の単体ＣＥＭユニットを有し、該単体ＣＥＭユニットが複数のチャネルを有し、
   前記シングルチャネル型ＣＥＭと前記マルチチャネル型ＣＥＭとの間の間隔が、前記マルチチャネル型ＣＥＭにおけるチャネル間の間隔に基づいて決められていることを特徴とするチャネル型電子増倍管。

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