JPH07320681A

JPH07320681A - 高感度ハイブリッド・フォトマルチプライア・チューブ

Info

Publication number: JPH07320681A
Application number: JP34446093A
Authority: JP
Inventors: Ross A Larue; ロス・エー・ラルー; Kenneth A Costello; ケネス・エー・コステロ; Verle W Aebi; バール・ダブリュー・アエビ
Original assignee: Intevac Inc
Current assignee: Intevac Inc
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ＦＥＢイオン検出器の電子集束性を改善し、
安定動作をもたらすハイブリッド・フォトマルチプライ
ア・チューブを与える。【構成】ＭＣＰ、集束手段、検出器ボデー内の集合ア
ノードから成る集束電子衝撃（ＦＥＢ）イオン検出器で
あって、コレクタ・アノードはＭＣＰからの集束出力電
子ビームを受信するダイオードを含む。ＭＣＰへの入力
イオン電流とダイオードからの検出器出力信号との間の
利得は、デバイス形状及び印加電圧に依存して、１０⁶
〜１０⁸のオーダーになる。ハイブリッド・フォトマル
チプライア・チューブは、フォトカソード１３０、フォ
トカソードが放出した電子を集めて倍増し出力信号を与
えるフォトダイオード１３２、集束電極１３４，１３６
を含む。真空外囲器の側壁１１６上又は付近に配置され
た導体１５２，１５４は、内側壁上の荷電粒子が電子軌
道に与える影響を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フォトマルチプライア
・チューブに関し、さらに狭義には真空外囲器壁上の電
荷の、チューブ内部の電子軌道に与える影響を減少させ
るために、真空外囲器上又はその付近に導体を有するハ
イブリッド・フォトマルチプライア・チューブに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のフォトマルチプライア・チューブ
は、フォトカソード、いくつかのダイノード及び電子コ
レクタを含む真空外囲器を有する。光が窓からチューブ
内に入りフォトカソードに入射すると、そこから電子が
放出される。電子は、連続ダイノードに衝突し、二次電
子が倍増する。最後のダイノードに衝突した後、電子は
集められ、入射光を表す出力信号を与えるようチューブ
の出力導線上に送られる。

【０００３】ハイブリッド・フォトマルチプライア・チ
ューブは、フォトカソード、電子集束電極及び電子衝撃
フォトダイオード・アノードを有する。フォトカソード
により放出された電子は、フォトダイオード上に集束さ
れる。電子は、フォトダイオード材料内部に侵入し、電
極ホールの対を生成し、同時に倍増効果を起こす。利得
は、従来のフォトマルチプライア・チューブと同様、ダ
イノードよりもフォトダイオードによって生成される。

【０００４】ハイブリッド・フォトマルチプライアは、
L. K. van Geestらによって、“Hybrid Phototube With
Si Target", SPIE, Vol. 1449, Electron Image Tubes
andImage Intensifiers, II, 1991, pp.121■134に開
示されている。電子倍増のためにダイノード及び衝撃イ
オン化ダイオードの両方を使用するフォトマルチプライ
ア・チューブが、米国特許第３，８８５，１７８号に開
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】典型的に、１０ｋＶの
オーダーのバイアス電圧が、ハイブリッド・フォトマル
チプライア・チューブのアノードとカソードの間に印加
される。電子はその電場で加速され、フォトダイオード
・アノードを打ち、その結果、倍増利得が得られる。し
かし、フォトダイオード材料に依存して、電子の２０〜
３０％は、さまざまな角度でダイオード表面から後方散
乱を起こす。いくつかの電子は、チューブの内壁表面を
打ち、チューブ壁をイオン化する。それらの電荷は、チ
ューブ内部のポテンシャルを変形し、その結果、電子ビ
ームの集束性及び安定動作を妨げる。さらに、十分大き
な加速電圧に対し、Ｘ線がダイオード表面で電子制動に
より生成される。Ｘ線はチューブ壁表面を打ち、表面の
イオン化又は正電荷を生じさせる。その結果、再び電子
非集束及び不安定動作が生じる。さまざまなパラメータ
への容量による効果を決定するために、外部表面の一部
が銀フィルムで覆われたところの彎曲チャネルの電子マ
ルチプライアが、K. C. Schmidtらによって、“Continu
ous Channel Electron Multiplier Operated in the Pu
lse SaturatedMode", IEEE Trans. Nucl. Sci., June 1
966, p. 100■111に開示されている。

【０００６】フォトマルチプライア・チューブ内の壁の
イオン化の問題への従来技術の一つのアプローチは、チ
ューブ壁の内側表面に、緑又は黒の酸化クロムのような
導体を部分的にコーティングするものである。しかし、
塗料は、高抵抗を有するためチューブ電極の短絡を妨げ
る。したがって、塗料は、壁イオン化効果の減少には、
特に有効ではない。さらに、チューブの寿命は、それら
の塗料から真空外囲器にガス抜きすることにより、短く
なる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によるフォトマル
チプライア・チューブは、入射光子に応答し電子を放出
するためのフォトカソードと、フォトカソードから放出
された電子を集め且つ倍増させるための及び入射光子を
表す出力信号を与えるための検出器と、フォトカソード
と検出器の間の電子の軌道を制御するための電子光学手
段と、フォトカソードと検出器の間で電子を加速させる
ための手段と、フォトカソードと検出器の間の真空領域
を包囲するための真空外囲器と、真空外囲器上の電荷が
電子の軌道に与える影響を減らすために真空外囲器の少
なくとも一部上に又は付近に配置された導線と、から成
る。典型的に電子光学手段は、第１及び第２集束電極か
ら成る。

【０００８】好適には、導体は真空外囲器の外表面上に
導体塗料又は導体塗料として配置される。好適実施例に
おいて、該導体は、真空外囲器上に形成され且つフォト
カソードに電気的に結合した第１導体塗料、及び該真空
外囲器上に形成され且つ第１集束電極に電気的に結合し
た第２導体塗料とから成る。第１及び第２導体塗料は、
ギャップによって空間的に分離されている。

【０００９】典型的に、フォトカソードは真空外囲器内
の窓の内部表面上に配置される。好適に、フォトカソー
ドは、ガリウムヒ素化合物、ガリウムヒ素リン化合物、
インジウムリン化合物又はインジウムリン／インジウム
ガリウムヒ素化合物のような３族と５族の半導体原子の
化合物から成る。

【００１０】好適には、真空外囲器は、出力信号を外部
と連結させるための同軸フィードスルーを含む。好適
に、フォトダイオードは、同軸フィードスルーの中央導
体上に載置されたアバランシェ・フォトダイオードから
成る。

【００１１】発明の他の態様により、真空外囲器と、荷
電粒子を放出するための真空外囲器内部の荷電粒子ソー
ス、及び真空外囲器内部の荷電粒子の軌道を制御するた
めの光学手段を含むタイプの改良型真空チューブが与え
られる。改良手段は、真空外囲器上の荷電粒子による電
子軌道への影響を抑えるための、真空外囲器の少なくと
も一部上に又は付近に配置された導体から成る。

【００１２】

【実施例】ＦＥＢイオン検出器が図１及び図２に示され
ている。標準マイクロチャネル・プレート（ＭＣＰ）２
が、円筒形検出器ボデー４の一端に載置されている。図
１に示された実施例において、検出器ボデー４は、適当
な大きさを与えるようスタック（stacked)された直列の
セラミックリングから成る。その他、検出器ボデーは、
特に設計された円筒形又はその他の適用による形状に形
成され得る。ＭＣＰ２は、保持器６により適所に保持さ
れる。導線８及び１０は、イオン検出器を適当な電源
（図示せず）に接続するために、ＭＣＰ入力電極７及び
ＭＣＰ出力電極９からそれぞれ伸長している。

【００１３】２つの電子集束リング１２及び１４は、検
出器ボデー４内に配置される。図１に示された実施例に
おいて、リング１２及び１４は、検出器ボデー４を構成
するセラミック・リングの対の間に載置されている。集
束リングを取り付けるためのその他の手段は、本発明の
範囲内で使用され得る。リング１２及び１４は、適当な
導線１６及び１８を通じてそれぞれ外部電源（図示せ
ず）と接続する。集束リング１２及び１４の目的は、図
３に略示するように、ＭＣＰの出力を集中させ且つ集合
アノード上へ方向づけることである。

【００１４】集合アノード２０は検出器ボデー４の末端
に配置されている。アノード２０は、広帯域マイクロ波
コネクタ３０と、段状漏斗形同軸伝送ライン部３２、及
び伝送ラインを終端する固体ダイオード３４から成る。
好適実施例において、ダイオード３４は、電子衝撃電流
利得に対し最適化されたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓピン・
ダイオードである。図２により詳細に示すように、ダイ
オード３４の好適実施例は、ｎ⁺ＧａＡｓ基板４６上に
形成された３つの独立のレイヤー４０、４２及び４４か
ら成る。トップ・レイヤー４０は、厚さ約２５０ÅのＰ
型Ａｌ₃₀Ｇａ₇₀Ａｓレイヤーとなるようにドープされ
る。レイヤー４０は、生成された電子の少数キャリアが
表面で再結合しないようにダイオード表面付近にポテン
シャル障壁を与える。レイヤー４０の成分もまた、剛性
及び空気中加工による酸化に対抗するために選択され
る。レイヤー４２は、厚さ約０．２５μｍのＰ型ＧａＡ
ｓになるようにドープされる。

【００１５】レイヤー４４はドープなしのＧａＡｓで厚
さ約６μｍである。レイヤー４４の厚さは、以下の原理
に基づいてダイオードの応答時間を最適化するように選
択される。

【００１６】厚さｗの非ドープレイヤーを横切る電子の
過渡時間Ｔ_transitは、Ｔ_transit ＝ｗ／Ｖ_sat で表され、ここで、Ｖ_satは、１×１０⁷cm/secである。
負荷ダイオードのＲＣ時定数Ｔ_RCは、Ｔ_RC ＝Ｅπｒ²Ｒ_L／ｗで表され、ここで、ｒはダイオードの半径、Ｒ_Lはダイ
オード負荷（例えば、５０Ω）である。負荷ダイオード
の応答時間は、Ｔ_transit ＝Ｔ_RCまたは、ｗ／Ｖ_sat ＝Ｅπｒ²Ｒ_L／ｗの時、最小化される。

【００１７】したがって、最適値ｗ又は非ドープ厚さ
は、ｗ＝ √（Ｅπｒ²Ｖ_satＲ_L）で表される。ゆえに、最適時間応答は、Ｔ_opt ＝ √（Ｅπｒ²Ｒ_L／Ｖ_sat）で表される。Ｔ_optは、ダイオード半径に比例すること
より、そのダイオードを使用するＦＥＢ検出器の時間応
答は、非集束検出器より非常に改良されている。

【００１８】以下は、好適実施例によるＦＥＢイオン検
出器の設計及び動作パラメータの例である。この例のＭ
ＣＰは、１９ｍｍのプレート直径及び１０μｍのチャネ
ル直径を有する。外部電源は、約１０００Ｖのポテンシ
ャルをＭＣＰの入力及び出力電極７及び９にまたがって
印加する。さらに、電源はＭＣＰ出力電極９と第１集束
リング１２の間に約３０Ｖのポテンシャルを印加し、Ｍ
ＣＰ出力電極９と第２集束リング１４との間に約４００
Ｖのポテンシャルを印加する。コレクタアノード２０は
接地され、ダイオード３４とＭＣＰ出力との間に約１
０，０００Ｖの電位差が生じる。

【００１９】動作中、荷電粒子（正イオンのような）
は、ＭＣＰチャネル壁を打ち、電子を作り出す。電子は
電圧によりＭＣＰを横切って加速され、チャネル壁を打
つことで付加的電子を生成する。電子のこの増倍によ
り、入射荷電粒子当たりの電子の正味利得とともに、Ｍ
ＣＰ出力端で電子のフラックスが得られる。その後、生
成された電子は加速され、集束リング１２及び１４によ
り集束される。図３に略示したように、ＦＥＢイオン検
出器の集束リングは、ＭＣＰ出力の直径を、出力電極で
の１８ｍｍからコレクタアノード２０でのビーム直径
０．２５ｍｍへと減少させ、ＭＣＰに印加されるバイア
ス及び集束リングは、ダイオード３４を打つ電子の平均
エネルギーを１０，０００ｅＶまで上げる。ＦＥＢイオ
ン検出器の利得は、ＭＣＰのバイアス電圧を変えること
で（すなわち、ＭＣＰ入力及び出力電極間の電圧を変え
ることによって）、またＭＣＰの集束リングとコレクタ
アノード間の全電圧を変えることによって、調整され得
る。１０００ＶのＭＣＰバイアス電圧に対し、またここ
で例示される１０，０００Ｖの全バイアス電圧に対し、
ＦＥＢイオン検出器の利得は９×１０⁷のオーダーであ
る。

【００２０】図４のＡは、実測増幅特性曲線（ダイオー
ド出力電流対入力電流）を、図４のＢは原型ＦＥＢイオ
ン検出器の微分利得を示したものである。ここで、検出
器は入力電子流を検出するのに使用される。利得は、１
ｎＡの入力電流で１０⁶に近づく。

【００２１】ＦＥＢ検出器は、線形応答を伝達するまで
の間、比較的高い瞬間電流を扱うピン・ダイオードの能
力に関し、デバイスのバンド幅及びダイナミックレンジ
を改良することによって、チャネルトロン及びＭＣＰス
タックのような現イオン検出器を改良する。ＦＥＢ検出
器はまた、低容量を有し、したがって、従来の検出器よ
り回復時間が速い。

【００２２】ＦＥＢ検出器は、現チャネルトロン又はＭ
ＣＰスタック・イオン検出器より寿命が長い。チャネル
トロン及びＭＣＰスタックの動作の要求されるところで
の高利得は、デバイスの出力で電子衝撃比を増加させ
る。高い衝撃比はチャネルの内部表面を悪化させ、放射
しにくくする。しかし、ＭＣＰは低利得で動作するた
め、このような悪化は、本発明のＦＥＢイオン検出器で
は避けられる。

【００２３】ＦＥＢ検出器には、ＭＣＰスタック及びチ
ャネルトロンがもつのと同じ厳しい真空の要求は課せら
れない。現ＭＣＰスタック及びチャネルトロンの高利得
は、チャネル内に高電子密度を作り出す。電子とチャネ
ル内に存在する気体分子との衝突は正イオンを作り出
す。バイアス電圧の影響の下、正イオンがチャネルの入
力端方向へ移動するとき、それらはチャネル壁を打ち
“ノイズ”電子を作り出す。より高バイアス電圧はより
多くのイオンを作り出し、ノイズ効果を増大させる。本
発明のＦＥＢイオン検出器は、電流チャネルトロン及び
ＭＣＰスタックより低いバイアス電圧で動作するので、
与えられた気体分子濃度でチャネル内に作り出されるイ
オンはごく少数である。したがって、ＦＥＢ検出器は、
現検出器より低い真空状態の下で最小のイオンノイズ効
果とともに使用される。

【００２４】上述の例は、多くの可能な形態の一つであ
って、ＦＥＢ検出器の他の形態は本発明の態様の中にあ
る。例えば、他の一つの実施例において、シリコン又は
ＧａＡｓアバランシェ・フォトダイオードは、付加的利
得を与えるよう上述の固体ダイオードと取り替えられ
る。さらに、検出器は、利得を改良するためにＭＣＰを
一つ以上直列に（スタックして）配置することも可能で
ある。

【００２５】他の実施例において、集束リングは修正さ
れ、適用のため集束を最適化するようさらに集束リング
が加えられる。また、単一のダイオード３４は、位置情
報を与えるようダイオードのアレイと取り替えられる。

【００２６】ＦＥＢ検出器の大きさ及び特性は、適用に
一致するように選択されるべきである。例えば、ＭＣＰ
は検出器入力領域を増加させるために、より大きな直径
を有するように設計されている。ダイオードとデバイス
・モニターとの間の連結は、周知の方法でダイオードと
同軸伝送ラインとのインピーダンスをマッチングさせる
ことにより最適化される。インピーダンスのマッチング
は、検出器の応答をダイナミックレンジ全体にわたって
フラット(flat)に維持するのを助ける。

【００２７】ＦＥＢイオン検出器は、イオンの検出につ
いて説明されてきたが、ＭＣＰのチャネル壁を打つこと
で電子を生成させる、Ｘ線、光子またはエネルギーを有
する中性粒子のようなさまざまな粒子の検出にも使用さ
れる。さらに、ＦＥＢ検出器は、通常のＭＣＰについて
説明されてきたが、その壁は、周知の方法によって電子
生成効果を強化するために、本発明の使用に際し、ドー
プされ又はコートされ得る。ハイブリッド・フォトマ
ルチプライア・チューブの好適実施例が、図５に示され
ている。ハイブリッド・フォトマルチプライア・チュー
ブの等電位線及び電子軌道が図６に略示されている。真
空外囲器１１０またはハウジングは、典型的に１０^-10t
orrのオーダーの圧力を有する真空領域１１２を包囲す
る。該真空外囲器１１０は、窓１１４、側壁１１６、電
極１１８及びコネクタ組立体１２０を含む。該側壁１１
６は、典型的にいくつかのセラミックリングから成る。
典型的に、真空外囲器１１０は、側壁１１６が円筒形に
なるように、中心軸線１２２に関し円対称である。しか
し、真空外囲器１１０は、他の物理的形状を有すること
も可能である。

【００２８】フォトカソード１３０は、窓１１４の内側
表面上に配置される。好適に、フォトカソード１３０
は、ガリウムヒ素化合物、ガリウムヒ素リン化合物、イ
ンジウムリン化合物又はインジウムリン／インジウムガ
リウムヒ素化合物のような３族と５族の半導体原子の化
合物から成る。適当なガリウムヒ素リン化合物のフォト
カソードは、J. P. Edgecumbe等による“A GaAsP Photo
cathode With 40% QE at515 nm", SPIE Vol. 1655, Ele
ctron Tubes and Image Intensifiers, February 1992
に開示されている。適当なガリウムヒ素化合物のフォト
カソードが、K. A. Costell等による“Imaging GaAs Va
cuum Photodiode with 40% Quantum Efficiency at 530
nm", SPIE Vol. 1243, Electron Image Tubes and Ima
ge Intensifiers, 1990に開示されている。他の適当な
フォトカソードは、K. Costello等による“Transferred
Electron Photocathode with Greater Than 5% Quantu
m Efficiency Beyond One Micron", SPIE Vol. 1449, E
lectron Tubes and Image Intensifiers II, 1991に開
示されている。典型的に、エピタキシャル成長層を有す
るウェーハとして、適当なフォトカソードの成分元素
が、窓１１４に付着され、ＧａＡｓ又はＧａＡｓＰのフ
ォトカソードの時は、該ウェーハ基板がエッチングされ
る。移送電子フォトカソードの場合には、該基板はその
まま残されるか又は取り外される。該フォトカソード１
３０は、窓１１４を通じて受信する入射光に応答して電
子を放出する。

【００２９】フォトカソード１３０によって放出された
電子は、真空外囲器１１０内部に密閉された電極１３４
及び１３６によってフォトダイード１３２上に集束され
る。電極１３４及び１３６は中央アパーチャ１３８及び
１４０を有し、それぞれフォトダイード１３２への電子
の通過路を成す。電極１３４及び１３６の位置と大きさ
は、フォトカソードによって放出された電子をフォトダ
イード１３２に集束させるために選択される。必要に応
じ、集束電極をさらに使用することもできる。

【００３０】典型的に、フォトカソード１３０は約−１
０ｋＶにバイアスされる。このフォトカソードにおい
て、典型的に、電極１３４は−９８７８Ｖに、電極１３
６は−９７００Ｖのバイアスされる。電極１１８は、電
気的にフォトダイード１３２に接続され且つ接地されて
いる。バイアス電圧は、適当な外部電源（図示せず）に
よって印加される。

【００３１】好適に、フォトダイード１３２は、アバラ
ンシェ・フォトダイードであって、軸線１２２上に載置
されている。フォトカソード１３０からのエネルギー電
子により衝撃を受けたとき、フォトダイード１３２は電
子倍増を生成するよう選択される。好適実施例におい
て、フォトダイード１３２はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの
アバランシェ・フォトダイードである。その他の適当な
フォトダイードは、図２に示され、ＦＥＢイオン検出器
に関連して説明されたようなピン・フォトダイードを含
む。

【００３２】上で指摘したように、電荷は、側壁１１６
の内側表面１４２上に蓄積する。例えば、側壁１１６は
約０．０６５インチのオーダーの厚さを有するセラミッ
ク材料である。図６に示されるように、フォトカソード
１３０から放出される電子は、電極１３４及び１３６に
よって、軌道１４４、１４６、などに沿って集束され、
フォトダイード１３２に入射される。等電位線１４８、
１５０等は、電極の形状により確立される。電荷が内側
面１４２上に蓄積されると、電場形状及び電子軌道１４
４、１４６は影響を受け、もはや電子はフォトダイード
１３２上に集束されなくなる。

【００３３】この問題を克服するために、導体が真空外
囲器１１０の側壁１１６上又は付近に配置される。図５
の実施例において、該導体は、側壁１１６の外表面上の
導体１５２及び１５４を含む。導体１５２はフォトカソ
ード１３０へ、電気的に接続され、導体１５４は、電極
１３０へ電気的に接続されている。上記の例において、
電極１３４とフォトカソード１３０の間の電位差は、１
００Ｖのオーダーなので、ギャップ１５６は比較的小さ
い。

【００３４】導体１５２及び１５４の効果は、以下の通
りである。正に帯電した側壁１１６内表面１４２の電荷
は、導体１５２及び１５４上の大きさが同じで極性が逆
の電荷により、不動態化される。これにより、内表面１
４２上の電荷によって発生した電場が、側壁１１６の内
表面と外表面の間に閉じ込められる。側壁１１６の内及
び外表面上の電荷は、効果的にコンデンサを形成し、最
小の縁電場のみがこれらの電荷からフォトカソード１３
０とフォトダイード１３２の間の真空領域へ伸長する。
結果として、内表面１４２上の電荷は、フォトカソード
１３０とフォトダイード１３２の間の電子が従う電子軌
道１４４、１４６他には、目立った影響を与えない。

【００３５】導体１５２及び１５４は、側壁１１６の外
表面上への金属ホイル又は金属塗料のような従来の方法
で実現される。フォトマルチプライア・チューブの外表
面上の金属ホイル及び導体塗料は、チューブの安定動作
をもたらすことが分かった。外表面上への塗料の長所
は、側壁１１６及び導体の間の空気領域が除去されるこ
とである。そのような領域は、フォトマルチプライア・
チューブ内の電子光学に異方性を生じさせる。好適実施
例において使用されるのは、銀塗料のような金属塗料で
あって、側壁１１６の外表面を覆う。導体１５２と１５
４の間のギャップ１５６は、それぞれの電極に印加され
る電圧と離隔絶縁するのに十分広い。図６に最もよく示
されるように、導体１５２と１５４の間のギャップ１５
６は、電極１３４によって、フォトダイード１３２への
直線視軸から遮蔽され又は陰にされ、それによって、ギ
ャップ１５６の領域で側壁１５６で蓄積された電荷の可
能性を最小にする。

【００３６】導体は、電極１３６及び電極１１８の間の
領域１５８の側壁１１６の外部表面には適用されないこ
とが分かる。好適に、側壁１１６のこの部分は、ある理
由で金属塗料が施されない。フォトマルチプライア・チ
ューブに印加されたほぼ１０ｋＶの電圧が電極１３６及
び１１８の間に現れる。したがって、比較的大きな絶縁
ギャップが要求される。さらに、フォトダイオード１３
２から散らばった電子は、チューブの反対端へ向かうフ
ォトカソード１３０の付近への軌道に従うことが分かっ
た。最後に、フォトダイオード１３２近くの領域内で、
電子は比較的大きな速度に加速され、側壁１１６上の荷
電粒子は電子軌道に影響を与えにくくなる。

【００３７】その他の実施例として、導体１５２及び１
５４に対応する導体が、側壁１１６の内部表面１４２上
に配置される。これは、フォトダイオード１３２への電
子軌道１４４、１４６等の良い集束は、可能であり且つ
導体１５２及び１５４を使用することでわずかに改善さ
れることが判明したためである。この場合には、絶縁表
面４２上に蓄積した荷電粒子は、その上の導体によって
伝導される。この方法は、真空外囲器１１０内部の導体
がガス抜きし、フォトマルチプライア・チューブの寿命
を縮めるので、蓄積を防止するには有効であるが、導体
１５２及び１５４を側壁１１６の外部表面に設置するよ
りも効果は薄い。

【００３８】コネクタ組立体１２０は、セラミック・イ
ンシュレータ１６２内に載置された中央導体１６０を含
む。セラミック・インシュレータ１６２は外部導体１６
４によって支持される。セラミック・インシュレータ１
６２は、中央導体１６０及び外部導体１６４と鑞接され
る。外部導体１６４は、しっかりした真空組立体を形成
するために、電極１１８へ溶接される。フォトダイオー
ド１３２は、中央導体１６０を実質的に覆うように真空
領域１１２内に伸長する中央導体１６０の一端に載置さ
れる。図６に示されるように、セラミック・インシュレ
ータ１６２は、電極１１８と電気的に結合し、中央導体
１６０と接触せずに囲む、金属被膜１６６を含む。細い
導線１６８が、金属被膜１６６とフォトダイオード１３
２の接触パッドの頂上との間に接続されている。さら
に、コネクタ組立体１２０は、ロックナット１７２によ
り、中央導体１６０及び外部導体１６４へ固定された、
従来のＳＭＡ−タイプの同軸コネクタ１７０を含む。

【００３９】コネクタ組立体１２０は、ハイブリッド・
フォトマルチプライア・チューブの動作において、いく
つかの利点を有する。該コネクタは、真空外囲器１１０
の一部として機能し、したがって、チューブ内の電場形
状に影響を及ぼす。コネクタの内部表面は、チューブの
体積空間に晒されているため、チューブ工程の間電子に
よってこすられ、チューブがきれいになる。コネクタ
は、フォトダイオード１３２により完全に覆われる中央
導体上に、フォトダイオード１３２を支持する。したが
って、フォトダイオード１３２に印加されたバイアス電
圧は、電子をフォトダイオード上に集束する電場に影響
を与えない。好適フォトダイオード１３２は、比較的低
い動作電圧を有し、標準規格のＳＭＡ出力コネクタを使
用することもできる。該コネクタは、１ＧＨｚを超える
フラットな周波数応答を許容するよう、５０Ωにインピ
ーダンスを一致させている。

【００４０】好適実施例において、フォトカソード１３
０は、２４．５ｍｍの直径を有し、窓１１４はコーニン
グ・タイプ（Corning type)７０５６グラスからできて
いる。真空外囲器１１０は、直径１．６インチで長さ
２．０インチを有する。上述のJ. P. Edgecumbe等の論
文で説明された、ガリウムヒ素リン化合物フォトカソー
ドの量子効果及び応答感度が、波長の関数として図７に
グラフ化されている。上述のK. A. Costello等の論文で
説明された、ガリウムヒ素化合物フォトカソードの量子
効果及び応答感度が、波長の関数として図８にグラフ化
されている。両者において、２０，０００以上の利得及
び０．５ｎｓ以下の立ち上がり時間が期待される。電子
衝撃利得は、図９にアノードに対するフォトカソードの
バイアスの関数としてグラフ化されている。

【００４１】外囲器壁上の荷電粒子が電子軌道に与える
影響を制限するための真空外囲器上又は付近での導体の
使用は、ハイブリッド・フォトマルチプライア・チュー
ブに関連して説明されてきた。真空外囲器の外部表面上
の導体によって電荷蓄積を不動態化するこの方法は、他
のフォトマルチプライア・チューブに利用でき、さらに
一般的には、真空外囲器、荷電粒子ソース及び真空外囲
器内部で荷電粒子の軌道を制御するための光学を含むよ
うな真空チューブなら利用できる。さらに、該導体は、
上述のＦＥＢイオン検出器に使用されうる。真空外囲器
の壁内の領域へ、電荷により生じた電場を制限すること
により、電荷による荷電粒子軌道への影響は最小化され
る。上述したように、導体は、真空外囲器内部表面への
電荷の影響を制限することが所望されるあらゆる領域
で、真空外囲器上又は付近に設置される。

【００４２】発明の現に考慮されること及び実施例につ
いて説明されてきたが、請求の範囲に記載された発明の
思想及び態様から離れることなく、さまざまな変形及び
修正が可能であることは、当業者の認めるところであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＦＥＢイオン検出器の断面図である。

【図２】ＦＥＢイオン検出器のダイオード・エレメント
の詳細図である。

【図３】ＦＥＢイオン検出器の動作を略示したものであ
る。

【図４】Ａは、ＦＥＢイオン検出器の出力電流対入力電
流の実測増幅特性曲線を示し、Ｂは、Ａから計算した微
分利得対入力電流曲線を示したものである。

【図５】本発明のハイブリッド・フォトマルチプライア
・チューブの断面図である。

【図６】図５のフォトマルチプライア・チューブの略示
図であって、チューブの導体部分並びに生成された電場
による等電位線及び電子軌道を示したものである。

【図７】量子効率、及びガリウムヒ素リン化合物のフォ
トカソードに対する波長の関数としての感度のグラフで
ある。

【図８】量子効率、及びガリウムヒ素化合物のフォトカ
ソードに対する波長の関数としての感度のグラフであ
る。

【図９】アノードに対するフォトカソードのバイアスの
関数としての電子衝撃利得のグラフである。

【符号の説明】

１１０真空外囲器１１２真空領域１１４窓１１６側壁１１８電極１２０コネクタ組立体１２２軸線１３０フォトカソード１３２フォトダイオード１３４電極１３６電極１４２内側表面１５２導体１５４導体１５６ギャップ１６０中央導体１６２セラミック・インシュレータ１６４外部導体１６８細線１７０同軸コネクタ１７２ロックナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バール・ダブリュー・アエビアメリカ合衆国カリフォルニア州メンロパーク、ローレル・セイント220

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光子に応答して電子を放出するため
のフォトカソードと、前記フォトカソードによって放出された前記電子を集合
させ且つ倍増させるための、及び前記入力光子を表す出
力信号を与えるための検出器と、前記電子を前記検出器上に集束させるための一つまたは
それ以上の電極と、前記電子を前記検出器へ向けて加速するための手段と、前記フォトカソードと前記検出器との間に真空領域を画
成し、前記フォトカソードと前記検出器との間に前記電
子の経路に近接する側壁を含む真空外囲器と、前記側壁上の荷電粒子が前記電子の軌道に及ぼす影響を
減少させるための前記側壁上または付近に配置された導
体と、から成るフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項２】請求項１に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記導体は、前記側壁の外側
表面上に配置されるところのフォトマルチプライア・チ
ューブ。
【請求項３】請求項２に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記導体は、前記外側表面上
の導体塗料から成るところのフォトマルチプライア・チ
ューブ。
【請求項４】請求項３に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記導体塗料が銀から成ると
ころのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項５】請求項２に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記導体は、前記フォトカソ
ードに電気的に結合した第１部分、及び前記電極の一つ
に電気的に結合した第２部分を含み、前記第１及び第２
部分がギャップによって離隔されているところのフォト
マルチプライア・チューブ。
【請求項６】請求項１に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記真空外囲器は窓を含み、
前記フォトカソードは前記窓の内側表面上に配置される
ところのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項７】請求項６に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記フォトカソードは３族及
び５族の半導体元素から成るところのフォトマルチプラ
イア・チューブ。
【請求項８】請求項６に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記フォトカソードは、GaA
s、 GaAsP、 InP及びInP/InGaAsから成る群から選択さ
れるところのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項９】請求項１に定義されたフォトマルチプラ
イア・チューブであって、前記電極は、前記電子が通過
するためのアパーチャを有する離隔された第１及び第２
電極を含むところのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項１０】請求項１に定義されたフォトマルチプ
ライア・チューブであって、前記検出器は、アバランシ
ェ・フォトダイオードから成るところのフォトマルチプ
ライア・チューブ。
【請求項１１】請求項１０に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記真空外囲器は前記フ
ォトダイオードに結合した同軸フィードスルーを含み、
前記同軸フィードスルーは前記出力信号を前記真空外囲
器の外部へ連結するところのフォトマルチプライア・チ
ューブ。
【請求項１２】請求項１１に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記同軸フィードスルー
は中央導体を含み、前記フォトダイオードは前記中央導
体上に載置されるところのフォトマルチプライア・チュ
ーブ。
【請求項１３】請求項１２に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記フォトダイオード
は、前記中央導体の一端を覆うところのフォトマルチプ
ライア・チューブ。
【請求項１４】真空外囲器、荷電粒子を放出するため
の前記真空外囲器内の荷電粒子ソース、及び前記真空外
囲器内の前記荷電粒子の軌道を制御するための光学を含
むタイプの真空チューブにおいて、改良点は、前記真空外囲器上の荷電粒子が前記荷電粒子の軌道に及
ぼす影響を減少させるための前記真空外囲器上または付
近に配置された導体から成る真空チューブ。
【請求項１５】請求項１４に定義された改良型真空チ
ューブであって、前記荷電粒子ソースは電子ソースから
成るところの改良型真空チューブ。
【請求項１６】請求項１５に定義された改良型真空チ
ューブであって、前記導体は、前記真空外囲器の外側表
面上に配置されるところの改良型真空チューブ。
【請求項１７】請求項１６に定義された改良型真空チ
ューブであって、前記導体は、前記外側表面上の塗料か
ら成るところの改良型真空チューブ。
【請求項１８】請求項１４に定義された改良型真空チ
ューブであって、前記真空チューブはフォトマルチプラ
イア・チューブから成るところの改良型真空チューブ。
【請求項１９】入射光子に応答し電子を放出するため
のフォトカソードと、前記電子を集め且つ倍増するための、及び前記入射光子
を表す出力信号を与えるためのフォトダイオードと、前記フォトカソードと前記フォトダイオードの間で前記
電子の軌道を制御するための電子光学的手段と、前記電子を前記フォトカソードと前記フォトダイオード
の間で加速させるための電場を前記フォトカソードと前
記フォトダイオードとの間に印加するための手段と、前記フォトカソードと前記フォトダイオードとの間に真
空領域を画成する真空外囲器と、前記真空外囲器上の電荷が前記電子に与える影響を減少
させるための、前記真空外囲器の外側表面上の少なくと
も一部に配置された導体と、から成るフォトマルチプラ
イア・チューブ。
【請求項２０】請求項１９に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記電子光学手段は、第
１及び第２集束電極から成るところのフォトマルチプラ
イア・チューブ。
【請求項２１】請求項２０に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記導体は、前記真空外囲器上に形成され且つ前記フォトカソードに
電気的に接続された第１導体塗料と、前記真空外囲器上に形成され且つ前記第１集束電極に電
気的に接続された第２導体塗料とから成り、前記第１及び第２導体塗料は、ギャップにより離隔され
ている、ところのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項２２】請求項２１に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記第１及び第２導体塗
料の間の前記ギャップは、前記真空外囲器上の一部に配
置され、且つ前記電子光学手段により前記フォトダイオ
ードへの直線視軸から妨げられるところのフォトマルチ
プライア・チューブ。
【請求項２３】請求項１９に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記真空外囲器は窓を含
み、前記フォトカソードは前記窓の内側表面上に配置さ
れるところのフォトマルチプライア・チューブ。
【請求項２４】請求項２３に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記フォトカソードは３
族と５族の半導体元素から成るところのフォトマルチプ
ライア・チューブ。
【請求項２５】請求項１９に定義されたフォトマルチ
プライア・チューブであって、前記真空外囲器は、前記出力信号を前記真空外囲器の外
部へ連結させるための同軸フィードスルーを含むところ
の、及び前記フォトダイオードは、前記同軸フィードス
ルーの中央導体上に載置されているところのフォトマル
チプライア・チューブ。
【請求項２６】入射光子に応答して電子を放出するた
めのフォトカソードと、前記フォトカソードによって放出された前記電子を集合
させ且つ倍増するための、及び前記入力光子を表す出力
信号を与えるための検出器と、前記フォトカソードと前記検出器との間で前記電子の軌
道を制御するための電子光学手段と、前記電子を前記検出器へ向けて加速するための手段と、前記フォトカソードと前記検出器との間に真空領域を画
成する真空外囲器と、前記真空外囲器上の荷電粒子が前記電子の軌道に及ぼす
影響を減少させるための前記真空外囲器の内側表面の少
なくとも一部分上に配置された導体と、から成るフォト
マルチプライア・チューブ。