JPH05509192A - チャネル光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 チャネル光電子増倍管 免豆立豆１ 本発明は、一体型セラミック胴体から製造された改良型チャネル電子増倍管およ びその製造方法に関する。さらに特定すると、本発明は、前記チャネルが増大さ れた電子及び壁の衝突のためと、特に長いチャネルの長さが要求される時の小さ い寸法の装置のためとに好ましくは三次元に曲げられたコンジットを備えるチャ ネル電子増倍管に関する０本発明は、さらに、これら及び同様の電子増倍管を使 用する光電管と、フェース、プレート及び通路表面の両方に対する光放出の位置 とに関する。

ｌユニ１１ 電子増倍管は、典型的に光増倍管内で使用される。この光増倍管内で、電子増倍 管は、光信号が衝突するときにホトカソードから放出される流れの増幅器として 役立つ。この従来技術の光増倍管装置において、ホトカソード、電子増倍管及び 他のい（つかの機能要素は、囲み真空外囲器（例えば、ガラス製の外囲器）内に 別個の要素として封入される。外囲器内部の真空環境は、本質的に安定であって 、管の製造中に最適な使用性能に調整される。この種の応用における電子増倍管 は、概してベリリウム−銅あるいは銀−マグネシウム合金から形成されるような 別個の金属合金ダイノードを使用する。一般に、電子増倍管は、外囲器内に別個 の要素として固定されねばならない。その結果、光電管装置は、振動や衝撃によ る損害を受けやすい。さらに、増倍管は完全に真空外囲器内にあるため、増倍管 の熱ダイノード表面と光電管の周辺の外部環境との間の比較的少ない熱結合が存 在する真空外囲器を必要としない電子増倍管のための他の応用がある。この応用 は、例えば、イオンが検出されるべき質量スペクトルメータと電子が検出される べき電子スペクトルメータ内にある。これらの応用では、検出されるべき信号、 すなわちイオンあるいは信号は、真空外囲器を貫通できないが、代わりに「ウィ ンドウレス」電子増倍管のダイノード表面上に直接衝突しなければならない。

別個の金属合金ダイノードをもつ電子増倍管は、「ウィンドレス」の応用にはう まく適合しない。「ウィンドレス」応用において、このダイノードが大気に晒さ れると、逆に損害を受ける。さらにまた、動作電圧が増大されて二次放出特性で の損失を補償する場合、別個のダイノード増倍管は、個々のダイノードからの電 界放出による好ましくないバックグラウンド信号ノイズを示す。この理由として 、チャネル電子増倍管は、どんなに「ウィンドレス」検出が必要なところでもし ばしば使用されるＧｏｏｄｒｉｃｈ他に付与された米国特許第３，１２８，４０ ８号は、シリカに最も豊富らしくしたがって優れた二次放出器である内部半導体 のダイノード表面の眉をもつ直線軸をもつ滑らかなガラス管から構成されるチャ ネル増倍管装置を開示する。前記表面の「連続の」特性は、外部からの電界放出 もしくはノイズにあまり敏感でなく、逆にその二次放出特性を得ずに大気にさら されることがある。

滑らかな硝子管のチャネル電子増倍管は、比較的高い負の温度係数の抵抗率（Ｔ ＣＲ）と低温伝導率をもつ。

このように、これらのチャネル電子増倍管は、「熱逃亡（サーマル・ラナウエイ ）」として知られる状態の発生を防ぐために比較的高いダイノード抵抗をもたね ばならない。これは、硝子チャネル電子増倍管の低温伝導率のために、ダイノー ドの抵抗熱がダイノードから十分に伝達され得ない状態である。破滅的な過熱が 発生するまで、ダイノードの温度は増大し続け、ダイノード抵抗ではさらに減少 せしめる。

この問題を避けるために、チャネル電子増倍管は、比較的高いダイノード抵抗で 製造される。この装置が過渡に高めた周辺温度で動作できるようにする場合、ダ イノード抵抗はより一層高くしなければならない、結果として、ダイノードバイ アス電流は、（別個のダイノード増倍管に対して）低い数値に制限され、そして その最大信号もまた比例して制限される。その結果、チャネル増倍管は、しばし ば高い信号レベルで飽和し、そのため線形検出器として振る舞わない。動作電圧 がダイノード間に加えられるのに応じて、ダイノードの抵抗熱が発生することは 理解されるだろう。負のＴＣＨのため、電力がダイノードで分散されればされる ほど、抵抗熱は高（なりダイノード抵抗内ではさらなる減少を導く。

典型的な硝子管チャネル増倍管の欠陥を軽（するための努力において、セラミッ ク支持部材から形成されるチャネル増倍管が開発された。このような装置は、Ｌ 、　Ｇ、　Ｎ。

ｌｆｇａｎｇに付与された米国特許第３．２４４．９２２号とＡ、　Ｖ、　Ｆｒ ａｉｏｌｉに付与された米国特許第４．０９５．１３２号とＴｏｙｏｄａに付与 された米国特許第３．６１２．９４６号とに例証される。

米国特許第３．２４４．９２２号と米国特許第４．０９５．１３２号とに図示し て説明されるように、電子増倍管は二つのセクションのセラミック材料から形成 される。ここで、通路もしくはコンジットは二つのセラミックセクションの少な （とも一つの内面に割り込まれた伸ばされた管である。このようチャネルは、Ｆ ｒａｉｏｌｉに付与された特許に示されるように曲げられもしくはＷｏｌｆｇａ ｎｇに付与された特許に示されるように波状にできるけれど、その各々が二次元 形状に限定され、電子と壁の衝突のためための制限された機会だけを創造するか もしれない。

米国特許第３．６１２．９４６号において、半導体であるセラミック材料は、胴 体やこの胴体内に含まれる通路のためのダイノード表面として役立つ。効果的な チャネル電子増倍管として機能するこの装置に対して、通路の縦軸の方向は本質 的にセラミック材料を通る電流の流れの方向と平行である。このような電流の流 れは動作に必要な電位を加えることによって得る。

本発明は、上で説明した従来技術のチャネル光増倍管装置の改良ある。上の説明 では、硝子管型チャネル増倍管および別個のダイノード増倍管の有益な動作を結 合し、これまで知られている堅固さと製造の容易さを付加する。

したがって、バックグラウンドノイズの最小と共に高い利得をもつチャネル光電 子増倍管を提供することが本発明の目的である。

優れた二次放出特性をもつ半導体材料から形成されるダイノード層をもつチャネ ル増倍管を含む光電管装置を提供することが本発明の別の目的である。

電子と壁の衝突を最善の状態にし小型の形状において長いチャネルに備えるため に中を通る三次元通路をもつチャネル増倍管を含む光電管装置を提供することが 本発明の別の目的である。

チャネル増倍管を含む堅固で容易に製造される光電管装置を提供することが本発 明の別の目的である。

電気リード線と固定ブラケットと開口ブレートとホトカソードと信号アノードと その他同様のもののための絶縁支持部材として役立つチャネル増倍管を含む光電 管装置を提供することが本発明のさらなる目的である。

改良したホトカソード形状をもつ光電管装置を提供することが本発明のさらなる 目的である。

本発明の上記および他の目的と利点は、添付図面を参照しつつ以下の実施例の説 明を読むことで明白になるだろう。しかし、図面は説明のためであって本発明の 限界を限定するものでないことは理解されるだろう。

ｌユニｌ上 光電子増倍管は、電子増倍管と、ホトカソード組立体と、透明なフェースプレー トと、アノード組立体とを含んでいる。電子増倍管は、少な（とも一つの入口ポ ートと少なくとも一つの出口ボートと入口及び出口ボートの各組の間で胴体を貫 通する少な（とも一つの中空の通路とをもつ電気的絶縁の胴体を含んでいる。中 空通路の内式では、光放出要素がフェースプレートの下にある内壁の部分上に配 置される。別の形式では、この要素は、人口路の内側から延長して透明なフェー スプレートの下にある支持部材上にある。

アノード組立体は、アノードと出力信号結合器と、そしてアノードのための支持 部材とを含んでいる。アノード組立体は絶縁胴体に封止されるため、アノードは 出口ボートにおいて通路より内側の領域と接触する。

この形状を使用すると、通路と透明フェースプレートとアノード組立体とは、光 放出要素と通路壁とアノードとを含む密閉領域を限定する。この密閉領域は、実 質的に排気される。

の　ｔ　！　日 図１は、本発明のチャネル電子増倍管の透視図である図２は、本発明のある実施 例の透視図である。

図３は、付加的な支持部材と電気要素を備えた図１の線３−３に沿って切断した 断面図である。

図４は、図３に示されるものと同様の、本発明のチャネル電子増倍管の成型バー ジョンの断面図である。

図４Ａは、本発明のチャネル電子増倍管と結合して使用するのに適当なアノード の概略図である。

図５は、本発明のまた別のチャネル電子増倍管の透視図である。

図６は、図５の線６−６に沿って断面図である。

図７は、図４に示されるものと同様の、本発明の光電管の別の実施例の断面図で ある。

図８は、図７に示されるものと同様の、本発明の光電管の別の実施例の断面図で ある。

図９は、図８の実施例に使用する典型的な回路形態の概略図である。

色亙皇１ｊ 図１及び３を参照すると、本発明と共に有用な形態において構成されたチャネル 増倍管は、１０で示される。

これは、一体型の電気的に絶縁のセラミック材料から構成される。例えば上記特 許第３．２４４．９２２号と４．０９５．１３３号で開示したようなレジストレ ーションとチャネル通路の継ぎ目との問題は、一体型胴体によって除去される。

図１及び３に示される実施例において、増倍管の一体型胴体１２は、円筒形状で ある。さらに注目されるように、前記胴体の一端部は、中空通路もしくはチャネ ル１６へと展開する円錐もしくはじょうご形状の入口路もしくは入口ボート１４ を備えることができる。チャネル１６は、好ましくは三次元であって、増倍管１ ０の胴体１２を連続貫通しているーもしくはそれ以上の螺旋を持つことができ、 入口ボート１４から円筒形状胴体の反対端部１８の出口ボートで増倍管１０を出 る。また、チャネルの通路は、「イオンフィードバック」によって生じる不安定 を回避するために増倍管利得が約１　ｘ　１０’よりも大きい応用において曲げ られねばならないことは理解されるだろう。

じょうご形状入口路１４と中空通路１６の表面２０は、優れた二次放出特性をも つ半導体材料で被覆される。

前記被覆は、以降ダイノード層と記述する。以下で説明するように、図７に関し て、表面２０は本発明の光放出要素として動作する光放出フィルム３６ａで被覆 できる図３は図１の変更バージョンであり、入力カラー４４がセラミック胴体１ ２に嵌合されて入口ボート１４と電気的に接触するのに使用される。また出力フ ランジ４６は、セラミック胴体】２へ嵌合されて、信号アノード４８を位置付は 且つ保持し且つまた出口ボート１８と電気接触するのに使用される。

図２を参照すると、図示された実施例は、自由形状のチャネル増倍管として説明 されてもよい、該実施例では、増倍管１０は、広げられたじょうご形状ヘッド２ ４をもつ管状の曲がった胴体２２を有する０通路２６は、曲がった胴体２２を貫 通して提供され、じょうご形状入口路２８と連絡する。図２の通路２６が図１の 通路１６と相違しているのが理解されるだろう。ここで、通路２６は、一回転し ていない二次元通路である。図１の実施例は、体積もしくは包装の考察次第で図 ２の実施例よりも好ましいかもしれない。図１及び３の実施例のように、通路２ ６及び入口路２８の表面３０は、ダイノード層で被覆される。

図４は、チャネル増倍管１０が図１及び３で示したものと同様の内部形状をもつ が胴体３２が円筒状でない異なった外部形状をもつ本発明のさらなる実施例を開 示している。本発明のチャネル増倍管を製造する方法に関して以下に説明される べき理由として、所望の形状のほとんどが前記増倍管として使用できる。

図５及び６を参照すると、複数の中空通路もしくはチャネルを使用する本発明の 別の実施例が、概して６０で示されている。チャネル電子増倍管６０は、胴体６ ２の前面６６及び裏面６８を相互連絡する多数の中空通路６４をもつセラミック 材料の二二タリ型もしくは一体型の胴体６２から構成される。通路６４が、直線 、二次元曲線、あるいは三次元曲線にできることは理解されるだろう。好ましく は、前面６６及び裏面６８は金属的にすることによって伝導性に帯び、他方ダイ ノード１は通路上に被覆される。

図７は、図４に示されるものと同様の本発明の光増倍管の別の実施例の断面図で ある。この図示の実施例において、リード硝子抵抗ダイノード材料が、じょうご 形状出口路１４および通路２６の表面２ｏ上に配される。その後光放出フィルム 形式の光放出要素３６ａが、このダイノード材料の上にあるじようご形状出口路 １４の表面２０に適合される。他の実施例では、光放出フィルムは直接表面２０ 上にあるが、じょうご形状領域より外側の通路の壁の上を延長するダイノードの 上にはない。光放出フィルムの位置として他の位置付けは、チャネル増倍管の特 定の形状に応じ且つここの説明と一致して適当にできる。図１〜６の要素に対応 する要素は、同一参照番号で示される。

図８は、図７に示されるものと同様の本発明の別の実施例の断面図である。この 図示した実施例において、入口路１４の表面２０の上部は、ニクロムのような金 属的にされた伝導性被覆材７０で被覆されている。この被覆材７０はフェースプ レートの下を延長するが、この領域で透明フィルムである。フィルム７０’は、 またＢの増倍管の底部を被覆することができる。被覆材７０は、表面２０上に電 荷が集積するのを抑制するのに使用できる。この電荷の集積が電子の流れを歪め る。伝導被覆材は、また電界制御にも使用できる。図９のように、Ａで示される 増倍管の端部は接地されてもよい。

図８の図示された実施例において、透明のフェースプレート３６は、インジウム 合金あるいは概してこの分野において知られた他の可鍛金属のような伝導封止材 ７２によって胴体６２と結合される。封止要素７２は、入口路１４およびフェー スプレート３６を覆っている伝導被覆材７０の部分と物理的かつ電気的に接触し ている。任意の外部ビン７６が図８のように示され、さらに図９にも示されるよ うに、任意の外部ビン７６は増倍管の端部よりも低電位である。図示した実施例 において、ピン７６は通路１４へ延長し、図７に関連して上で説明した光放出フ ィルム３６ａの方式と同様の方式で動作するホトカソード７８ａを支持する支持 部材７８を含んでいる。

これもまた光放出フィルムと共に使用できる。

実際には、図９の回路図に示すように、この装置は、位ＩＣのカソード７８ａと 位置りのアノードとの間に、陽極端部から位ｆｆ１Ｂの底部フィルム７０°まで の抵抗リード線と結合された電力供給源８０を含んでいる。出力端子８２は出力 信号を供給する。

本発明の増倍管の一体型セラミック胴体は、アルミナ、ベリリア、ムライト、ス テアタイトおよびその他同様物のような種々の異なる材料から製造できる０選定 される材料は、化学的、力学的および熱的にダイノード層と両立可能であるべき である。これは、高い絶縁体力をもち且つ絶縁体として振る舞うべきである。

本発明で使用されるべきダイノード層は、いくつかの型の内の一つであってもよ い０例えば、第一型のダイノード層は、従来のチャネル増倍管の製造に使用され たものと同様の一般型の硝子から構成される。内部通路の壁に適当に！かれて伝 導性にし、そして十分な伝導材料となるとき、これは従来のチャネル増倍管とし て機能すべきである。二次電子放出特性を与える他の材料もまた使用できる。

本発明の増倍管用セラミック胴体は、「セラミック」技術を使用して製造される 。

一般に、所望の通路内に置かれるべき所望通路の形状の前もって作った形成物は 、アルミナのようなセラミック材料で囲まれて高圧で圧縮される。

前もって作った形成物を含む胴体が圧縮された後、ビスキングや粉末冶金のよう な標準的なセラミック技術を使用して処理される。前もって作った形成物は、高 温処理中に溶けるかもしくは焼けるだろう。これにより、前もって作った形成物 と同一形状の通路が残る。

形状組成に続いて、胴体は、焼結されて硬質高密度の胴体を形成する。この硬質 高密度の胴体は、前もって焼かれ且つ作った形成物の形状の中空通路をその内部 に含んでいる。

冷却後、中空通路の表面は、知られた技術により本願で先に記述したようなダイ ノード材料で被覆できる。付加すると、この表面は、知られた技術により本願の 前の部分で記述したような光放出フィルムで被覆できる。

ある実施例では、一旦、通路がダイノード材料で被覆され、入口路が光放出フィ ルムで被覆され、開口端部と出力端部は金属的にされた。胴体は、ある実施例で は、入力カラーもしくはフランジ３５と、セラミックスペーサリング３４と、透 明フェースプレート３６と、内部表面上の（図４に示す）光放出フィルム３６ａ と、出力フランジ３８と、信号アノード４２の（つついたセラミック封上部４０ のような、図４および７に示されるような種々の電気的支持結合部材を取り付け できる。別法として、別個の光放出要素は、フェースプレートの内面付近で支持 できる。フェースプレート３６は、堅固なガラスでも良いしあるいは光ファイバ の配列でも良い、アノード４２は、例えば支持部材か、電荷結合ダイオードか、 もしくは別個の電荷収集アノードの配列の上に燐を含んでいて、支持および封止 部材４０を通って給電する金属リード線をもつ。これら特長は、図４ａにおいて 部材４２ａで概略図にして表わされる０図４に示されるものと同じ形状において 、この装置は、光電管の真空外囲器電子増倍管として機能する０図４の実施例で は、フェースプレート３６は別個のスペーサリング３４とフランジ３５によって 胴体に結合されているが、本発明はまた）エースプレート３６が胴体３２に直接 結合されて配置されてもよい。本発明のまた他の形態では、高利得のダイノード ３４ａは、ホトカソードの光放出要素と電子増倍管の入口ボートとの間に動作す るように配置できる。このような形状では、光放出要素は電子増倍管の入口ボー トと接触しているとさらに考えられる。

図４の形状を使用すると、一体型胴体もしくは複合要素胴体のいずれか、別個の ガラスもしくはセラミック管胴体のいずれかを使うと、すなわち真空外囲器の他 の様式は必要でなく、そのため光電管の製造が単純になる。

さらに、本発明の光電管は、別個の胴体をもつ従来技術よりもさらにずっと堅固 である。この従来技術の装置では、増倍管は、別個の要素として固定され、振動 や衝撃による損害を受けやすい。

一体型セラミックチャネル電子増倍管の外面が大気圧と周辺温度の下にあって本 発明の光電管を使用すると、内部のダイノード面上に発生する熱は、この外面へ 効率よく移送される。この外面において、熱は、対流冷却及び放射と伝導冷却に より効率よく放散できる。この後者の要因が、従来技術以上に実質的な動作利点 を提供する。本発明のチャネル光電子増倍管は、他の型のチャネル電子増倍管（ ＣＥＭ）の光電管によって今までに達成されたものより大きい信号電流レベルを 提供する。実際には、本発明は、別個のダイノード光電管の信号電流レベルに近 い信号電流レベルを提供する。その結果、別個の□ロ ダイノード増倍管の光電管が別個の抵抗器の連鎖や多重電気真空フィードスルー 結合を必要とするようには必要としない。

以上、本発明の好ましい実施例と考えられるものを図示し説明したけれども、当 業者であれば、本発明の技術思想から逸脱することなく種々の変更及び修正が可 能であることは明らかであろう。かかる変更及び修正は全て本発明の技術思想に 包含されるべきものである。

要　約　書 チャネル光電子増倍管は、チャネル電子増倍管と透明なフェースプレートとアノ ード組立体とをもつ。チャネル電子増倍管は、胴体中を貫通して延長する曲げら れた通路をもつ絶縁胴体３２を含んでいる。二次放出ダイノード材料である光放 出要素３６ａは通路の壁土にある。

通路は、ホトカソードの組立体の光放出フィルムやアノード組立体のアノード４ ２とともに、排気された密閉領域を限定する。好ましくは、電子増倍管は、一体 型セラミック胴体である。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．Ａ．電気的に絶縁の胴体と、該胴体内の少なくとも一つの入口ポートと少な くとも一つの出口ポートと、各対の入口及び出口ポートの間で前記胴体を通って 延長する少なくとも一つの中空通路と、二次放出ダイノード材料と光放出要素と を含んでいる前記中空通路の内壁とを含んでいる電子増倍管であって、前記光放 出要素が前記入口ポートの下にある前記電子増倍管と、Ｂ．透明のフェースプレ ートと、そのための支持部材と、 Ｃ．前記透明フェースプレートを前記絶縁胴体に封止するための手段と、 Ｄ．アノード及び出力信号結合器を含み、且つ前記アノードのための支持部材を 含んでいるアノード組立体と、Ｅ．前記アノード組立体を前記絶縁胴体に封止す るための手段であって、これにより前記アノードが前記出口ポートで前記通路よ り内部の領域と接触する前記手段と、を有する光電子増倍管であって、 前記通路と前記透明フェースプレートと前記アノード組立体とが、前記光放出要 素と前記通路の前記壁と前記アノードを含んでいる密閉領域を限定し、前記密閉 領域が実質的に排気されている、前記光電子増倍管。
2. ２．前記胴体がセラミック材料から形成される請求項１に記載の光電子増倍管。
3. ３．前記中空通路が少なくとも一回転している請求項２に記載の光電子増倍管。
4. ４．前記通路が前記胴体内で二次元曲線を形成する請求項２に記載の光電子増倍 管。
5. ５．前記通路が前記胴体内で三次元曲線を形成する請求項３に記載の光電子増倍 管。
6. ６．前記三次元曲線が螺旋である請求項５に記載の光電子増倍管。
7. ７．入口ポートがじょうご形状部を含んでいる請求項２に記載の光電子増倍管。
8. ８．前記ダイノード材料が電気伝導性表面をもつガラスである請求項２に記載の 光電子増倍管。
9. ９．前記通路は継ぎ日なしである請求項１に記載の光電子増倍管。
10. １０．前記絶縁胴体が一体型である請求項１に従う光電子増倍管。
11. １１．前記アノードが、燐と前記アノードのための結合支持部材とを含んでいる 請求項１に従う光電子増倍管。
12. １２．前記アノードが、電荷結合ダイオードの配列を含んでいる請求項１に従う 光電子増倍管。
13. １３．前記アノードが、別個の電荷収集アノードの配列を含んでいる請求項１に 従う光電子増倍管。
14. １４．前記フェースプレートが、複数の光ファイバを有する請求項１に従う光電 子増倍管。
15. １５．前記光放出要素が、前記中空通路の前記壁のうちのある面上の光放出フィ ルムである請求項１に従う光電子増倍管。
16. １６．前記光放出要素と前記入口ポートとの間にダイノードをさらに含んでいる 請求項１に従う光電子増倍管。
17. １７．前記光放出要素が前記ダイノードと接触する請求項１６に従う光電子増倍 管。
18. １８．前記通路を限定する前記胴体の壁から前記通路へ延長し、且つ前記通路内 で前記光放出要素を支持するための手段を含んでいる、支持部材を含む請求項１ に記載の光電子増倍管であって、 前記光放出要素が前記支持部材上に配置される前記光電子増倍管。