JPH10512087A

JPH10512087A - イオン偏向をもつ混成光電子増倍管

Info

Publication number: JPH10512087A
Application number: JP8518914A
Authority: JP
Inventors: ラルー、ロス・エー
Original assignee: Intevac Inc
Current assignee: Intevac Inc
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1998-11-17
Also published as: DE69514683T2; EP0795194B1; WO1996017372A1; CA2204756C; US5475227A; EP0795194A1; CA2204756A1; EP0795194A4; DE69514683D1

Abstract

(57)【要約】混成光電子増倍管が、検出器本体（１１０）に配列された光電陰極（１３０）と、集束リング（１３４、１３６）と、フォトダイオード（１３２）と、捕集陽極（１２０）とを含む。真空外囲器（１１６）は、光電陰極（１３０）と検出器（１１０）との間の真空領域を封入する。真空外囲器（１１６）の側壁に、又はこの側壁に近接して配列されたコンダクタ（１５２、１５４）が、電子の軌道上の真空外囲器（１１６）の側壁の電気的な荷電の影響を低減する。イオン偏向器電極（１６７）が、フォトダイオード（１３２）に近接して配列され、光電陰極の作動寿命を延ばし、ノイズ係数を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】イオン偏向をもつ混成光電子増倍管発明の分野本発明は、捕集陽極（collection anode）としての電子衝撃フォトダイオードと、検出器の電気的な性能と同様の陰極の寿命においてイオンフィードバックの有害な影響を低減又は除去するための手段とを有する混成光電子増倍管に関する。発明の背景在来の光電子増倍管は、光電陰極、幾つかのダイノード、及び電子捕集器を収容する真空外囲器を含む。光が窓を通じて入り込み、光電陰極に入射すると、電子が光電陰極によって放出される。電子は、連続するダイノードに衝突して、第２の放出による電子を増倍させる。最後のダイノードに衝突した後、電子は捕集され、増倍管の出力リード線に送られ、入力光を表す出力信号を与える。混成光電子増倍管は、光電陰極、電子集束電極、及び電子衝撃フォトダイオード陽極を含む。光電陰極により放出された電子は、フォトダイオードに集束される。電子は、フォトダイオード物質中に透過され、電子-ホール対を作り出し、増倍効果を起こす。利得は、在来の光電子増倍管のようなダイノードではなく、フォトダイオードによって発生される。混成光電子増倍管は、エル・ケー・バン・ゲエスト（Ｌ.Ｋ.van Ｇeest）らの「Ｈybrid Ｐhototube Ｗith Ｓi Ｔarget」（ＳＰＩＥ、Ｖol.１４４９、Ｅlec tron Ｉmage Ｔubes and Ｉmage Ｉntensifiers、II、１９９１年、第１２１-１３４頁）に開示されている。電子を増倍するために、ダイノード及び衝突電離ダイオードの両方を使用する光電子増倍管は、ゴーナー（Ｇoehner）の米国特許第３８８５１７８号（１９７５年５月２０日発行）に開示されている。１０ｋＶのオーダーのバイアス電圧が典型的に混成光電子増倍管の陽極と陰極との間に印加される。電子は、印加された場によって加速され、フォトダイオード陽極に衝突して、増倍利得となる。しかし、フォトダイオード表面での電子衝突が、陰極及び混成光電子増倍管本体のセシエーション（cesiation）によるダイオード表面上の移動するセシウム原子と同様の中間処理工程による表面汚染により、陽イオンを生成する。特に、陰極の設置部又は密閉部直前の混成光電子増倍管本体のセシエーションは、陰極の寿命及び混成光電子増倍管の作動を長くさせるために必要であるため、ダイオード表面がセシウムによって付随的に汚染される。ダイオード表面の汚染は、この表面に衝突する強力な光電子によって陽イオン化される。このイオンは、次に、１０ｋＶの印加された混成光電子増倍管のバイアスによって光電子とは反対の方向に、正の電荷により、光感知光電陰極へと加速される。この加速された陽イオンは、光電陰極に衝突し、光電陰極セシエーション処理中に形成されたセシウム酸化物の層又はその下層の光電陰極物質を損傷させ、光電陰極の作動寿命を低減させることになる。また、光電陰極表面に衝突する陽イオンは、フォトダイオード陽極へ加速され、そこで増倍され、真空外囲器内に放出される電子のパルスとなる。これは、不定の出力パルスが、単位時間間隔当たりの平均数で、入ってくる光の光電陰極での強度に比例することになる。したがって、検出器ノイズ性能も劣化される。真空外囲器でのイオンフィードバックの有害な影響を除去するための従来技術の方法の１つとして、イオントラップがあり、このイオントラップは、通常、捕集陽極付近に配置した１個以上の電極を含み、これら電極に正のバイアスを印加させる。これらイオントラップの電極の形状は、真空管内の電子の飛翔又は軌道に干渉されないように設計され、真空管の一般的な性能となっている。イオントラップの電極に顕著な正のバイアスを印加すると、入ってくる強力な電子によって、陽極で生成された陽イオンが、その向きを変えられ又は捕獲される。この方法における顕箸な差異は、イオントラップの電極にアクセスするために真空外囲器を通じる１つ以上の付加的な電気的フィードスルーを必要とするイオントラップの、要求される正のバイアスに関係する。また、多数の真空管が、１つの極性のバイアス（通常は、接地した陽極に対して負）を供給して作動するが、しかし、上述のようなイオントラップは正のバイアスを必要とし、真空管を正常に作動するために２極電力供給を必要とする。これは、デバイスの作動に困難性を付加し、しかも費用がかさむ。発明の概要本発明の光電子増倍管は、入射フォトンに応答して電子を放出するための光電陰極と、この光電陰極によって放出された電子を捕集、増倍し、入射フォトンを表す出力信号を与えるための検出器と、光電陰極と検出器との間の電子の軌道を制御するための電子光学構造と、光電陰極と検出器との間で電子を加速するための手段と、光電陰極と検出器との間の真空空間を包囲するための真空外囲器と、この真空外囲器の少なくとも一部分に配列されるか又は近接して配列される、電子の軌道上の真空外囲器の電気的な電荷の影響を低減するためのコンダクタ（co nductor）と、光電陰極から離れたフォトダイオード付近で生成された陽イオンを偏向するためのイオン光学手段を与えるフォトダイオード陽極の付近に配置された適当な形状の比較的小さい接地電極とから成る。電子光学構造は、例えば、典型的に第１及び第２の集束電極から成る。イオン光学手段を与えるフォトダイオード付近に配置された接地電極は、イオン偏向器又はイオン偏向電極のように参照される。この電極は、好適実施例で説明される他の全ての構造ように、環状的に対称ではなく、光電陰極の中心に同軸の半円形の中心を有するフォトダイオードに垂直に取り付けられた適当な長さの半円形状のシェル又は円筒から成る。半円筒の底部に位置される金属タブは、環状的に対称なフォトダイオード頭部陽極の金属に整列してイオン偏向器を鑞付け、溶接、又はスポット溶接する手段を与える。フォトダイオード頭部は、捕集陽極の一部であり、この頭部に鑞付け、溶接又はスポット溶接されたイオン偏向電極を有して接地電位で維持される。光電陰極は、典型的に、真空外囲器の窓の内側表面に位置される。光電陰極は、好適に、ひ化ガリウム、ひ化りん化ガリウム、りん化インジウム、りん化インジウム／ひ化インジウムガリウムのようなＩＩＩ-Ｖ族の半導体物質から成るが、しかし、光電陰極は、また、アルカリアンチモン化物（Ｎa₂ＫＳb:Ｃs、Ｃs₃ Ｓb、又はＮa₂ＫＳb等）のような従来の光電陰極から成ってもよい。真空外囲器は、好適に、真空外囲器の外部で出力信号を接続するための同軸フィードスルーを含む。フォトダイオードは、好適に、同軸フィードスルーである中央コンダクタの頭部に取り付けた電子雪崩フォトダイオードから成る。本発明の他の態様では、真空外囲器を含む型の改良した真空管と、荷電粒子を放出するための真空外囲器内の荷電粒子源と、真空外囲器内の荷電粒子の軌道を制御するための光学とが与えられる。改良型は、強力な陽イオンによる損傷に晒される真空管の敏感な構成要素から離れるように陽電気で生成されたイオンを偏向するためのイオン光学手段を与える接地電位で捕集陽極に近接して配列した適当な形状のコンダクタから成る。図面の簡単な説明本発明をより良く理解するため、添付の図面を参照する。添付の図面について以下で簡単に説明する。図１Ａは、イオン偏向電極を有する混成光電子増倍管の断面図である。図２Ｂは、図１Ａの１Ｂ線に沿った捕集陽極の上部平面図である。図２は、混成光電子増倍管のダイオード要素の詳細図である。図３は、混成光電子増倍管の作動を示す３次元模擬プロットである。光電子及びフィードバックイオン軌道の両方がプロットされている。混成光電子増倍管内の電気的電位の大きさは、垂直方向である。図４Ａは、０.１０２ｍＣの陰極の作動後の、イオン偏向器を有しない混成光電子増倍管の陽極位置に対する実測した量子効率である。中央の下降部分は、イオンフィードバック損傷によるものである。図４Ｂは、０.０７８ｍＣの陰極の動作後の、イオン偏向器を有する混成光電子増倍管の陽極位置に対する実測した量子効率である。イオン偏向電極のイオン光学により、下降部分が左へシフトされている。図５Ａは、イオン偏向器を有しない混成光電子増倍管のノイズ係数と利得の実プロットである。図５Ｂは、イオン偏向器を有する混成光電子増倍管のノイズ係数と利得の実プロットである。この図のノイズ係数は約１.１である。図６Ａは、フォトダイオードのすぐ上の横方向の静電場を増加させる対向電極１４４を含んだ変形例の詳細図である。図６Ｂは、変形例のフォトダイオード頭部領域の上部平面図であり、フォトダイオードに対するイオン偏向器及び対向電極の位置を示す。図７は、横方向の電場を増加するために負にバイアスされた対向電極及びイオン偏向器を有する混成光電子増倍管の変形例の３次元模擬プロットである。この組み合わせは、陽イオンをより偏向させる。好適実施例の詳細な説明混成光電子増倍管が、図１Ａ、１Ｂ及び図２に示される。標準のＧaＡs、Ｇa ＡsＰ又は他のIII-Ｖ族の光電陰極１３０が円筒状の検出器本体１１０の一端に取り付けられている。図１に示す実施例では、検出器本体１１０は、適当な直径を与えるために積み重ねた一連のセラミックリングから成る。変形的に、検出器本体は、特別に設計された円筒又はその応用によっては他の形状に形成され得る。２個の電子集束リング１３４及び１３６が検出器本体１１０に配列されている。図１Ａに示す実施例では、リング１３４及び１３６は、検出器本体１１０の一対のセラミックリングの間に取り付けられている。これら集束リングを取り付けるための他の手段が、本発明から逸脱せずに使用できる。リング１３４及び１３６は、適当なコンダクタを介して外部電力源（図示せず）に接続する。集束リング１３４及び１３６の目的は、図３に簡単に示されるように、光電陰極によって生成された光電子を捕集陽極へと向け、集中させることである。捕集陽極１２０は、検出器本体１１０の遠方端部に配列される。この陽極１２０は、広帯域マイクロ波コネクタ１７０と、段々に先細となっている同軸送信ライン部分１６０と、この送信ラインの終わりの固体ダイオード１３２とから成る。好適実施例では、ダイオード１３２は、電子衝撃電流利得のために最適化されたＡlＧaＡs/ＧaＡsピンダイオードである。図２にさらに詳細に示すように、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個の別々の層４０、４２及び４４から成る。上部の層４０は、厚さ約２５０オングストロームのｐ型Ａl₃₀Ｇa₇₀Ａs層となるようにドープされる。層４０は、ダイオード表面付近に電位障壁を与え、この表面での再結合から生成された電子マイノリティーキャリア（electron minolity carrier）を維持する。また、層４０の組成物は、安定性、及び空気中で処理している間での酸化に対する耐性のために選択される。層４２は、厚さ役０.２５ミクロンのｐ型ＧaＡsとなるようにドープされる。層４４は、ドープされないＧaＡsであり、その厚さは約１０ミクロンである。層４４の厚さは、以下の原理に従って、ダイオードの応答時間を最適化するために選択される。厚さ「ｗ」のドープされていない層を横切る電子の通過時間「Ｔtransit」は、Ｔtransit＝ｗ/Ｖ_satであり、ここで、Ｖ_satは１×１０⁷ｃｍ／秒である。負荷されるダイオードのＲＣ時間定数「Ｔ_RC」は、Ｔ_RC＝ε（πr²/ｗ）Ｒ_Lであり、ここで、rはダイオードの半径であり、Ｒ_Lはダイオード負荷（例えば、５０Ｗ）である。負荷されるダイオードの時間応答は、「Ｔtransit＝Ｔ_RC」のとき、又は「ｗ/Ｖ_sat＝ε（πr²/ｗ）Ｒ_L」のとに最小化される。したがって、最適の「ｗ」又はドープされない厚さは、ｗ＝√（επr²Ｖ_satＲ_L）である。また、最適な時間応答は、Ｔ_opt＝√（επr²Ｒ_L/Ｖ_sat）である。「Ｔ_opt」がダイオードの半径に比例することから、このようなダイオードを使用する混成光電子増倍検出器の時間応答は、集束しない検出器において格段に向上される。混成光電子増倍管の好適実施例が図１に示される。等電位線と、電子及びイオンの軌道とが図３に示される。真空外囲器１１０（又はハウジング）が、典型的に１０−10トールのオーダーの圧力を有する真空領域１１２を封入する。真空外囲器１１０は、窓１１４と、側壁１１６と、電極１１８と、コネクタ組立体１２０とを含む。側壁１１６は、典型的に、幾つかのセラミックリングから成る。真空外囲器１１０は、典型的に、側壁１１６が円筒状であるように、中心軸１２２に関して環状的に対称となっている。しかし、真空外囲器１１０は、他の物理的な形状を有し得る。光電陰極１３０が、窓１１４の内側表面に位置される。光電陰極１３０は、好適に、ひ化ガリウム、ひ化りん化ガリウム、りん化インジウム又はりん化インジウム／ひ化インジウムガリウムのようなIII-Ｖ族の半導体物質である。適当なひ化りん化ガリウムの光電陰極が、ジェー・ピー・エッジカンベ（Ｊ.Ｐ.Ｅdgecum be）らの「ＡＧaＡsＰＰhotocathode Ｗith 40％ＱＥ at％15nm」（ＳＰＩＥＶol.１６６５、Ｅlectron Ｔubes and Ｉmage Ｉtensifiers）（１９９２年２月）に開示されている。適当なひ化ガリウムの光電陰極が、ケー・エー・コステロ（Ｋ.Ａ.Ｃostello）らの「Ｉmaging ＧaＡs Ｖacuum Ｐhotodiode with40％Ｑuantum Ｅfficiency at 530nm」（ＳＰＩＥＶol.１２４３、Ｅlectron Ｉmag e Ｔubes and Ｉntensifiers）（１９９０年）に開示されている。他の適当な光電陰極が、ケー・コステロ（Ｋ.Ｃostello）らの「Ｔransferred Ｅlectron Ｐh otocathode with Ｇreater Ｔhan 5％Ｑuantum Ｅfficiency Ｂeyond Ｏne Ｍi cron」（ＳＰＩＥＶol.１４４９、Ｅlectron Ｔubes and Ｉmage Ｉntensifier s II）（１９９１年）に開示されている。典型的に、エピタキシャル的に成長した適当な光電陰極の層を含むウエハが、ＧaＡs又はＧaＡsＰの光電陰極の場合にエッチングされる。置換電子の光電陰極の場合、基板は、そのまま残されるか又は除去され得る。光電陰極１３０は、窓１１４を通じて受ける入射光に応答して電子を放出する。光電陰極１３０によって放出された電子は、真空外囲器１１０内に密閉された電極１３４及び１３６によってフォトダイオード１３２に集束される。電極１３４及び１３６は、それぞれ、フォトダイオード１３２への電子の通路のための中央開口部１３８及び１４０を有する。フォトダイオード１３２に光電陰極から放出される電子を集束するために、電極１３４及び１３６の位置及び寸法は選択される。所望ならば、付加的な集束電極が使用できる。光電陰極１３０は、典型的に、約−１０Ｋｖでバイアスされる。この光電陰極電圧では、電極１３４は、典型的に、−９８７８ボルトでバイアスされ、電極１３６は、−９７００ボルトでバイアスされる。電極１１８は、フォトダイオード１３２に電気的に接続され、接地される。バイアス電圧は、適当な電圧源（図示せず）により供給される。フォトダイオード１３２は、好適に、電子雪崩フォトダイオードであり、軸１２２上に取り付けられる。フォトダイオード１３２は、光電陰極１３０からの強力な電子によって衝突されるときに電子増倍を発生するように選択される。好適実施例では、フォトダイオード１３２は、ＧaＡs/ＡlＧaＡsの電子雪崩フォトダイオードである。他の適当なフォトダイオードには、図２に示すようなＰＩＮフォトダイオードが含まれる。上述のように、電気的な荷電は、側壁１１６の内部表面１４２でビルドアップ（build up）され得る。側壁１１６は、例えば、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り得る。図３に示すように、光電陰極１３０から放出される電子は、フォトダイオード１３２へ入射する軌道１７４、１７６等に沿って電極１３４及び１３６によって集束される。等電位線１４８、１５０等は、電極の形状によって確立される。電気的な荷電が図１の側壁１４２でビルドアップすると、図３の場の形状及び電子の軌道が影響を受け、電子はフォトダイオード１３２に集束されなくなる。この問顕を解決するために、コンダクタが、真空外囲器１１０の側壁１１６上に、又はこの側壁１１６に近接して置かれる。図１の実施例では、コンダクタは、側壁１１６の外部表面上のコンダクタ１５２及び１５４を含む。コンダクタ１５２は、光電陰極１３０に電気的に接続され、コンダクタ１５４は、電極１３４に電気的に接続される。ギャップ１５６が、コンダクタ１５２とコンダクタ１５４との間に設けられ、光電陰極１３０が電極１３４へ短絡されないようにしている。上記の例では、電極１３４と光電陰極１３０との間の電圧差が１００ボルトのオーダーであることから、ギャップ１５６は比較的小さくできる。コンダクタ１５２及び１５４の硬化は、以下のように考えられる。側壁１１６の内部表面１４２上の荷電は、正の電気的な荷電であると考えられ、コンダクタ１５２及び１５４の等しい大きさで逆の極性の電気的な荷電によって不動態化される。これは、側壁１１６の内部表面と外部表面との間の領域に限られている内部表面１４２の荷電による電場を発生させる。側壁１１６の内部及び外部表面の荷電は、コンデンサを効果的に形成し、最小の周縁の電場が、この荷電から光電陰極１３０とフォトダイオード１３２との間の真空領域１１２へと拡張する。この結果、内部表面１４２の電気的な荷電が、光電陰極１３０とフォトダイオード１３２との間の電子による電子軌道１７４、１７６等に影響を与えない。コネクタ組立体１２０は、セラミック絶縁体１６２に取り付けられた中央コンダクタ１６０を含む。セラミック絶縁体１６２は、外部コンダクタ１６４によって支持される。セラミック絶縁体１６２は、中央コンダクタ１６０及び外部コンダクタ１６４に鑞付けされる。外部コンダクタ１６４は、電極１１８に溶接され、真空漏れ防止（vacuum tight）組立体を形成する。フォトダイオード１３２は、中央コンダクタ１６０を実質的に覆うように、真空領域１１２に伸張する中央コンダクタ１６０の端部に取り付けられる。セラミック絶縁体１６２は、電極１１８に電気的に接続され、中央コンダクタ１６０に接触せずにその周囲を取り巻く図１Ｂに示す表面メタライゼーション１６６を含む。細いワイヤー１６８が、メタライゼーション（図１Ａ及び図１Ｂに示す）とフォトダイオード１３２に上部接触パッドとの間に接続される。コネクタ組立体１２０は、さらに、ロックナット１７２によって中央コンダクタ１６０及び外部コンダクタ１６４を固定した在来のＳＭＡ型同軸コネクタ１７０を含む。コネクタ組立体１２０は、混成光電子増倍管の作動において幾つかの利点を有する。コネクタは、真空外囲器１１０の一部分として機能し、よって、混成光電子増倍管内の電場の形状に影響を及ぼす。コネクタの内部表面は、この表面が混成光電子増倍管の処理中に電子を消去するように、混成光電子増倍管の開放体積（open volume）に露出され、混成光電子増倍管がより清浄になる。コネクタは、フォトダイオード１３２によって完全に被覆されている中央コンダクタ１６０でフォトダイオード１３２を支持している。よって、フォトダイオード１３２に印加されるバイアス電圧が、フォトダイオードへ電子を集束させる電場に影響を及ぼさない。好適なフォトダイオード１３２は、比較的低い作動電圧を有するので、産業上標準的なＳＭＡ出力コネクタを使用することができる。このコネクタは、５０オームに合致するインピーダンスであり、１ＧＨｚを越える平坦な周波数応答が可能である。好適実施例では、イオン偏向電極１６７（図１Ａ及び１Ｂに示す）がコネクタ組立体１２０のセラミック絶縁体１６２に取り付けられる。これは、外部コンダクタ１６４へイオン偏向電極の底部で金属タブを鑞付け、溶接又はスポット溶接することにより達成される。イオン偏向器の長さは、電子の軌道に干渉せずに集束させる程度に十分に短く、光電陰極領域を離れる低エネルギーの正のイオンに十分な横方向の速度を与える程度に長く選択される。これは、図３に示すように、最も大きな電圧降下がフォトダイオード陽極に最も近い第２のバッフル（buffle）とフォトダイオード陽極との間であることから加速する電場がフォトダイオード陽極付近で最も高いので可能である。したがって、イオン偏向電極に接近する光電子が十分な運動量に達して、その軌道がイオン偏向電極による電場の非対称性によって大きく揺動されない。フォトダイオード付近の電場の非対称性又は横方向の成分は、半円形状のイオン偏向電極の形状によって生じ、一方の側のみにある陽極に最も近い第２のバッフルに印加される電圧からダイオードを遮蔽する。他方のダイオード付近で生成された正のイオンは、電子がイオン化処理中に停留する原子に対して十分な運動量を与えることができないことから、小さい運動量又は運動量無しで出発する。したがって、正のイオンは、上方及び一方の側へ電位の傾きに沿って初期的に移動する。イオンが、混成光電子増倍管の正面へ向かってドリフトバック（driftback）を続けると、混成光電子増倍検出器に対して軸１２２（図１Ａ）から外れた十分な角度で直線上を移動する。軸から外れた十分な角度は、混成光電子増倍器の正面へと戻るように移動する加速されたイオンが光電陰極のアクチブ領域を射損じたときに達成されて、光電陰極を防護し、検出器のノイズ性能を向上する。このイオン偏向電極の機能についての説明は、目標のフォトダイオード１３２へ集束する光電陰極１３０からの光電子の軌道１７４、１７６等を示す図３の模擬プロットで図説される。フォトダイオードで生成される正のイオンは、混成光電子増倍管により加速されるが、この管に対して軸から外れた角度で、光電陰極へと戻る。この場合、イオンの軌道１８４、１８６等は、１８ｍｍの光電陰極を完全に外れて偏向されない。図３のグリッド空間は、０．５ｍｍである。混成光電子増倍管は、イオン偏向電極を有するか又は有しないで製作された。混成光電子増倍管は、光電陰極がそれぞれ０.１０２ｍＣ及び０. ０７８ｍＣの全荷電を放出するように作動された。次に、ポイントソース（poin t source）が、各々の管光電陰極を横切って走査され、陰極位置の機能としての光電陰極電流及び量子効率が決定された。これらのプロットは、イオン偏向器を有しない管１３００２については図４Ａに、イオン偏向器を有する管１３００９については図４Ｂに示される。ここで、イオンフィードバック損傷を示す量子効率の下降部分は、イオン偏向器を有する混成光電子増倍管では左にシフトされていた。この場合、イオンは、１８ｍｍの光電陰極から外れて完全に偏向されていなかった。その他のイオン偏向器管は、混成光電子増倍管本体の軸線に中心付けられた５ｍｍのＧaＡs光電電極を有して製作される。混成光電子増倍管の電圧に対するこの混成光電子増倍管の利得及びノイズ因数（０１）が計測され、イオン偏向器を有しない混成光電子増倍管１０Ｃ８６と比較された。この結果は、図５Ａ及び５Ｂにプロットされている。ここで、各々の混成光電子増倍管の利得は同一であるが、イオン偏向器を有する混成光電子増倍管のノイズ係数は、約１ .１へと顕著に低減されている。これは、フィードバックイオンがその小さい直径のために光電陰極を射損じていることを示している。１.１のノイズ係数は、連続するダイノードを使用する商業的に入手できる光電子増倍管と同等又はより優れている。図６Ａ及び６Ｂに示す変形例では、負でバイアスされた対向電極が、イオン偏向電極１６７と対向電極１４４との間の横方向の場を増大する。図７の模擬プロットでは、陰極１３０、集束リング電極１３４、集束リング電極１３６、及び対向電極１４４は、それぞれ、−１０ｋＶ、−９.４５ｋＶ、−８.７ｋＶ及び−３ｋＶにバイアスされる。フォトダイオード１３２で生成される正のイオンは、１８ｍｍの直径を有する光電陰極を完全に射損じる。対向電極は、図６Ａの混成光電子増倍管本体のリング電極１７８へ負のバイアスを接続するために一方端を接続し、イオン偏向器電極１６７に面する直角に曲げられた平坦部へその他方端を接続したワイヤーを含む。対向電極１４４の形状及びバイアス、特にワイヤー部分の長さ、位置及びバイアスは、混成光電子増倍管のバルク（bulk）において、できるだけ小さく静電場を乱すように選択される。これは、適所にある対向電極ではないが対向電極のバイアスで図３の符号１４８のような一定の静電電位線を計算し、この電位線に沿ってワイヤー部分を形状付け、位置させることによって達成される。これにより、対向電極が目標のフォトダイオードを顕著に射損じるように電子の軌道を変更させることがない。敏感な管要素でイオンフィードバックの有害な影響を制限するために捕集陽極と同一の電気的な電位でイオン偏向器を使用することが混成光電子増倍管に関連して述べられてきた。実際には、フィードバックイオンの軌道をイオン偏向器電極のイオン光学を介して制御するような技術は、真空外囲器、荷電粒子源及び真空外囲器内の荷電粒子の軌道を制御するための光学を含む他の真空管でより一般的にしようできる。イオン偏向器の形状は、荷電粒子現からの荷電粒子の軌道に摂動を起こす効果が小さいか又は無いように選択され、陽極バイアス以外の作動のための別のバイアスが無いことを必要とする。本発明の好適実施例について図示、説明を行ってきたが、様々な変形物及び変更物が、添付の請求の範囲で定義されるような本発明の範囲から逸脱せずになされることは、当業者には明らかである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９６年４月２４日【補正内容】請求の範囲１．混成光電子増倍管であって、入射フォトンに応答して電子を放出するための光電陰極、前記光電陰極から放出され、衝突する電子を捕集、増倍し、前記入射フォトンを表す出力信号を与えるための検出器、前記検出器へ前記電子を集束させるための少なくとも１個の電極、前記光電陰極と前記検出器との間の真空領域を画成する真空外囲器、及び前記検出器に位置され、陽イオンを偏向するための、前記検出器と比較して比較的小さい電極、から成る混成光電子増倍管。２．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記検出器が、フォトダイオードから成る、ところの混成光電子増倍管。３．請求項２記載の混成光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、前記フォトダイオードの表面に垂直に取り付けられる、ところの混成光電子増倍管。４．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、前記検出器に電気的に接続される、ところの混成光電子増倍管。５．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、接地電位で維持される、ところの混成光電子増倍管。６．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、窓を含み、前記光電陰極が、前記窓の内部表面に配置される、ところの混成光電子増倍管。７．請求項６記載の混成光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、III-Ｖ族の半導体物質から成る、ところの混成光電子増倍管。８．請求項６記載の混成光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、ＧaＡs、ＧaＡsＰ、ＩnＰ及びＩnＰ/ＩnＧaＡsを含む群から選択される、ところの混成光電子増倍管。９．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記少なくとも１個の電極が、前記電子を通過させるための開口部を有する第１及び第２の間隔をあけた電極から成る、ところの混成光電子増倍管。１０．請求項１記載の混成光電子増倍管であって、前記検出器が、電子雪崩フォトダイオードから成る、ところの口伝子増倍管。１１．請求項１０記載の混成光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、前記フォトダイオードに接続される同軸フィードスルーを含み、前記同軸フィードスルーが、前記真空外囲器の外部で前記出力信号を接続する、ところの混成光電子増倍管。１２．請求項１１記載の混成光電子増倍管であって、前記同軸フィードスルーが、中央コンダクタを含み、前記フォトダイオードが、前記中央コンダクタに取り付けられる、ところの混成光電子増倍管。１３．請求項１２記載の混成光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、前記中央コンダクタの一方端を被覆する、ところの混成光電子増倍管。１４．真空外囲器と、前記真空外囲器内で荷電粒子を放出するための荷電粒子源と、前記真空外囲器内に位置され、前記荷電粒子の軌道を制御するための光学と、前記真空外囲器内にあり、前記荷電粒子を捕集、増倍するための捕集陽極とを含む混成光電子増倍管において、前記捕集陽極に近接して前記真空外囲器内に配列され、前記捕集陽極と実質的に同一の電気的な電位に維持されたコンダクタが、陽電気で生成されたイオンを偏向するためのイオン光学手段を与える、ところの混成光電子増倍管。１５．請求項１４記載の混成光電子増倍管であって、前記荷電粒子源が、III-Ｖ族の半導体物質から成る、ところの混成光電子増倍管。１６．請求項１４記載の混成光電子増倍管であって、前記コンダクタが、当該混成光電子増倍管の敏感な要素から前記陽電気で生成されたイオンを偏向する、ところの混成光電子増倍管。１７．請求項１４記載の混成光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、側壁を含み、前記側壁が、前記真空内の前記荷電粒子の前記軌道上の前記側壁における電気的な荷電の影響を低減するための手段を含む、ところの混成光電子増倍管。１８．混成光電子増倍管であって、入射フォトンに応答して電子を放出するための光電陰極、前記電子を捕集、増倍し、前記入射フォトンを表す出力信号を与えるためのフォトダイオード、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間の前記電子の軌道を制御するための電子光学出力手段、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間で前記電子を加速するために前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間に電場を印加するための手段、前記光電陰極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、前記真空外囲器の外部表面の少なくとも一部分に配列され、前記電子の軌道上の前記真空外囲器で電気的な荷電の影響を低減するためのコンダクタ、及び前記フォトダイオードの表面付近に位置され、前記光電陰極に対するイオン損傷の有害な影響を低減し、当該混成光電子増倍管のノイズ性能を向上するためのイオン偏向電極、から成る混成光電子増倍管。１９．請求項１８記載の混成光電子増倍管であって、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間に電場を印加するための前記手段が、第１及び第２の集束電極から成る、ところの混成光電子増倍管。２０．請求項１９記載の混成光電子増倍管であって、前記外囲器上の前記コンダクタが、前記光電陰極に電気的に接続される前記真空外囲器に形成される第１の導電コーティングと、前記第１の集束電極に電気的に接続される前記真空外囲器に形成される第２の導電コーティングとから成り、前記第１及び第２の導電コーティングがギャップにより間隔をあけられている、ところの混成光電子増倍管。２１．請求項１８記載の混成光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、窓を含み、前記光電陰極が、前記窓の内部表面に位置される、ところの混成光電子増倍管。２２．請求項２１記載の混成光電子増倍管であって、前記光電陰極が、III-Ｖ族の半導体物質から成る、ところの混成光電子増倍管。２３．請求項１８記載の混成光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、前記真空外囲器の外部で前記出力信号を接続するための同軸フィードスルーを含み、前記フォトダイオードが、前記同軸フィードスルーの中央コンダクタに取り付けられる、ところの混成光電子増倍管。２４．請求項１８記載の混成光電子増倍管であって、前記イオン偏向電極が、負にバイアスされた対向電極に近接しており、前記フォトダイオードの真上で横方向の場を増大し、イオンを偏向する、ところの混成光電子増倍管。

Claims

【特許請求の範囲】１．光電子増倍管であって、入射フォトンに応答して電子を放出するための光電陰極、前記光電陰極から放出され、衝突する電子を捕集、増倍し、前記入射フォトンを表す出力信号を与えるための検出器、前記検出器へ前記電子を集束させるための少なくとも１個の電極、前記光電陰極と前記検出器との間の真空領域を画成する真空外囲器、及び前記検出器に位置され、陽イオンを偏向するための、前記検出器と比較して比較的小さい電極、から成る光電子増倍管。２．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記検出器が、フォトダイオードから成る、ところの光電子増倍管。３．請求項２記載の光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、前記フォトダイオードの表面に垂直に取り付けられる、ところの光電子増倍管。４．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、前記検出器に電気的に接続される、ところの光電子増倍管。５．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記比較的小さい電極が、接地電位で維持される、ところの光電子増倍管。６．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、窓を含み、前記光電陰極が、前記窓の内部表面に配置される、ところの光電子増倍管。７．請求項６記載の光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、III-Ｖ族の半導体物質から成る、ところの光電子増倍管。８．請求項６記載の光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、ＧaＡs、ＧaＡsＰ、ＩnＰ及びＩnＰ/ＩnＧaＡsを含む群から選択される、ところの光電子増倍管。９．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記少なくとも１個の電極が、前記電子を通過させるための開口部を有する第１及び第２の間隔をあけた電極から成る、ところの光電子増倍管。１０．請求項１記載の光電子増倍管であって、前記検出器が、電子雪崩フォトダイオードから成る、ところの光電子増倍管。１１．請求項１０記載の光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、前記フォトダイオードに接続される同軸フィードスルーを含み、前記同軸フィードスルーが、前記真空外囲器の外部で前記出力信号を接続する、ところの光電子増倍管。１２．請求項１１記載の光電子増倍管であって、前記同軸フィードスルーが、中央コンダクタを含み、前記フォトダイオードが、前記中央コンダクタに取り付けられる、ところの光電子増倍管。１３．請求項１２記載の光電子増倍管であって、前記フォトダイオードが、前記中央コンダクタの一方端を被覆する、ところの光電子増倍管。１４．真空外囲器と、前記真空外囲器内で荷電粒子を放出するための荷電粒子源と、前記真空外囲器内に位置され、前記荷電粒子の軌道を制御するための光学と、捕集陽極とを含む真空管において、前記捕集陽極の電気的な電位で前記捕集陽極に近接して配列されたコンダクタが、陽電気で生成されたイオンを前記荷電粒子源への移動から偏向するために、イオン光学手段を与える、ところの真空管。１５．請求項１４記載の真空管であって、前記荷電粒子源が、III-Ｖ物質から成る、ところの真空管。１６．請求項１４記載の真空管であって、前記コンダクタが、当該真空管の敏感な要素から前記陽電気で生成されたイオンを偏向する、ところの真空管。１７．請求項１６記載の真空管であって、前記敏感な要素が、イオンにより損傷を受けるものである、ところの真空管。１８．請求項１記載の真空管であって、前記真空外囲器が、側壁を含み、前記側壁が、前記真空内の電子の軌道上の前記側壁における電気的な荷電の影響を低減するための手段を含む、ところの真空管。１９．光電子増倍管であって、入射フォトンに応答して電子を放出するための光電陰極、前記電子を捕集、増倍し、前記入射フォトンを表す出力信号を与えるためのフォトダイオード、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間の前記電子の軌道を制御するための電子光学出力手段、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間で前記電子を加速するために前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間に電場を印加するための手段、前記光電陰極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、前記真空外囲器の外部表面の少なくとも一部分に配列され、前記電子の軌道上の前記真空外囲器で電気的な荷電の影響を低減するためのコンダクタ、及び前記フォトダイオードの表面付近に位置され、前記光電陰極に対するイオン損傷の有害な影響を低減し、当該光電子増倍管のノイズ性能を向上するためのイオン偏向電極、から成る光電子増倍管。２０．請求項１９記載の光電子増倍管であって、前記光電陰極と前記フォトダイオードとの間に電場を印加するための前記手段が、第１及び第２の集束電極から成る、ところの光電子増倍管。２１．請求項２０記載の光電子増倍管であって、前記外囲器上の前記コンダクタが、前記光電陰極に電気的に接続される前記真空外囲器に形成される第１の導電コーティングと、前記第１の集束電極に電気的に接続される前記真空外囲器に形成される第２の導電コーティングとから成り、前記第１及び第２の導電コーティングがギャップにより間隔をあけられている、ところの光電子増倍管。２２．請求項１９記載の光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、窓を含み、前記光電陰極が、前記窓の内部表面に位置される、ところの光電子増倍管。２３．請求項２２記載の光電子増倍管であって、前記光電陰極が、III-Ｖ族の半導体物質から成る、ところの光電子増倍管。２４．請求項１９記載の光電子増倍管であって、前記真空外囲器が、前記真空外囲器の外部で前記出力信号を接続するための同軸フィードスルーを含み、前記フォトダイオードが、前記同軸フィードスルーの中央コンダクタに取り付けられる、ところの光電子増倍管。２５．請求項１９記載の光電子増倍管であって、前記イオン偏向電極が、負にバイアスされた対向電極に接近しており、前記フォトダイオードの真上で横方向の場を増大し、イオンを偏向する、ところの光電子増倍管。