JPH11120899A - 二次電子放出装置及びそれを用いた電子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再現性良く高い二次電子放出効率を発現でき
る二次電子放出装置及びそれを用いた電子管を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 二次電子放出装置１００の支持基板１
は、例えばＳｉからなり、その上にマイクロ波プラズマ
ＣＶＤにより多結晶ダイヤモンド膜２が成膜されてい
る。ここで、多結晶ダイヤモンド膜２は、ｐ型の導電型
になるように不純物がドーピングされている。多結晶ダ
イヤモンド膜２の表面は、水素終端化され水素終端層３
が形成されており、水素終端層３上には仕事関数を低下
させるために、真空中でＣｓとＯ₂との交互供給によ
り、ＣｓＯからなる活性層４が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、再現性良く高い二
次電子放出効率が得られる二次電子放出装置及びそれを
用いた電子管を提供することを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来、二次電子増倍は、高速で低雑音の
信号増倍方法として、電子増倍管、光電子増倍管などに
広く用いられている。しかしながら、最も一般的に用い
られているアルカリアンチモナイトを材料とした二次電
子面は、大気中の酸素、水などとすぐに反応するので真
空中で形成する必要があり、大量生産には向かない。

【０００３】また、ＣｕＢｅを材料として、酸素雰囲気
中で加熱することにより表面にＢｅＯ二次電子面を形成
させたものがあるが、二次電子放出効率が低くさらに高
効率のものが望まれていた。

【０００４】一方、多結晶ダイヤモンドを用いて、表面
を水素終端化することにより比較的高い二次電子放出効
率が得られることが、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍ
ｓ２５３（１９９４）１５１に示されている。この文献
中には、金属基板上、例えばＭｏ基板上に多結晶ダイヤ
モンド薄膜をＣＶＤにより形成し、多結晶ダイヤモンド
薄膜の表面を水素終端化することにより、比較的高い二
次電子放出効率の二次電子面が可能であることが示され
ている。しかしながら、一次電子の入射により多結晶ダ
イヤモンド薄膜表面の終端化されている水素が脱離し、
二次電子放出効率が急激に低下することが問題となって
いる。

【０００５】また、電子の入射により多結晶ダイヤモン
ド薄膜表面の水素が脱離することを抑制するため、真空
中に水素分子を導入する方法も示されているが、これも
根本的な解決方法ではなく、実際に二次電子放出装置を
作製した場合には、水素分子を導入しても大量の電子の
入射により表面の終端化された水素が脱離し、やはり同
様に二次電子放出効率が急激に低下することが報告され
ており、問題となっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さらに、多結晶ダイヤ
モンド薄膜の表面に薄いＢａＦ₂を塗布し、安定動作さ
せる方法も試みられたが、高い二次電子放出効率を得る
ことができなかった。また、米国特許第５，６１９，０
９１号には、多結晶ダイヤモンド薄膜の表面に薄いＣｓ
Ｉ，ＮａＣｌ，ＫＣｌなどのアルカリハライドを蒸着し
た二次電子面において、比較的安定に高い二次電子放出
効率が得られることが開示されている。なお、これらの
方法は、例えばＤｉａｍｏｎｄ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．６（１９９
５）３３９に詳細に示されている。しかしながらこの方
法も、１００ 程度といった非常に薄い蒸着膜厚を正確
に制御するのは困難で、再現性に乏しい方法であるとい
う問題点があった。

【０００７】そこで本発明は、前述した問題点に鑑みな
されたもので、ダイヤモンド及びダイヤモンドを主成分
とする二次電子面の表面に、アルカリ金属又はその酸化
物を塗布することにより、前述した問題点を解決し、再
現性良く高い二次電子放出効率を発現できる二次電子放
出装置及びそれを用いた電子管を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、一次電子の入射により二次電子を真空中へ放
出する二次電子放出装置であって、支持基板と、支持基
板上に形成された多結晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤ
モンドを主成分とするダイヤモンド薄膜と、ダイヤモン
ド薄膜上に形成され、仕事関数を低下させるアルカリ金
属又はその酸化物からなる活性層とを備えたことを特徴
とする二次電子放出装置である。

【０００９】請求項２に記載の発明は、アルカリ金属が
Ｃｓ，Ｋ，Ｒｂ，Ｎａからなる群から選択されたもので
あることを特徴とする。

【００１０】請求項３に記載の発明は、多結晶ダイヤモ
ンドがｐ型の導電型であることを特徴とする。

【００１１】請求項４に記載の発明は、被検出光が入射
する入射窓を有し、内部が真空に保持された真空容器
と、入射窓に臨んで真空容器内に収容された請求項１〜
３のいずれか１項に記載された二次電子放出装置と、真
空容器内に収容され、二次電子放出装置に対して正の電
位に保持された陽極部とを備えたことを特徴とする電子
管である。

【００１２】請求項５に記載の発明は、真空容器内に収
容され、二次電子放出装置からの光電子を二次電子増倍
する電子増倍部をさらに備えたことを特徴とする。

【００１３】本発明では、支持基板上に形成された多結
晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドを主成分とする
ダイヤモンド薄膜と、ダイヤモンド薄膜上に形成され、
仕事関数を低下させるアルカリ金属又はその酸化物から
なる活性層とを備えたので、二次電子放出比の高い二次
電子放出装置が得られ、従来のＣｕＢｅを材料とした二
次電子放出装置に比較し、より高い電子増倍が実現され
る。また、ＳｂＣｓからなる二次電子放出装置と比較す
ると、製造方法が簡単で大量生産に適した電子管が実現
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施形態による二
次電子放出装置１００を模式的に示す概略断面図であ
る。図において、支持基板１は本実施形態ではＳｉから
なり、その上にマイクロ波プラズマＣＶＤにより多結晶
ダイヤモンド膜２が約５μｍの厚さで成膜されている。
ここで、多結晶ダイヤモンド膜２は、ｐ型の導電型にな
るように不純物がドーピングされている。

【００１６】また、支持基板１上にマイクロ波プラズマ
ＣＶＤにより多結晶ダイヤモンド膜２を成膜した後に、
これを数分間水素プラズマ中に放置することにより、多
結晶ダイヤモンド膜２の表面は、水素終端化され水素終
端層３となる。さらに、水素終端層３上には、仕事関数
を低下させるために、真空中でＣｓとＯ₂との交互供給
により、ＣｓＯからなる活性層４が形成されている。

【００１７】なお、本実施形態では支持基板１としてＳ
ｉを用いたが、支持基板１は必ずしもＳｉに限られるも
のではなく、導電性の金属であっても良く、融点、強
度、熱膨張係数差などが多結晶ダイヤモンド膜２の成膜
の際に問題がなければ種々の金属が使用できることは勿
論である。また、本実施形態では、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤによりｐ型の導電型の多結晶ダイヤモンド膜２を
約５μｍの厚さとなるように成膜した場合を例に説明す
るが、ｐ型のドーピングは、特に高加速電圧時にチャー
ジアップを回避でき、二次電子放出比がノンドープのも
のに比較して約２倍程度高くなるので望ましい。しか
し、ｐ型のドーピングは、低加速電圧時には必ずしも必
要なものではなく、ノンドープのものでもある程度の効
果が得られることは勿論である。

【００１８】さらに、成腹方法も前述したものに限られ
るものではなく、例えば熱フィラメント法によるＣＶＤ
などの良質な多結晶ダイヤモンド膜が得られる方法であ
れば前述と同様に適用できる。膜厚も特に５μｍに限ら
れるものではなく、一次電子の侵入深さ及び二次電子の
脱出深さに対して十分な厚さがあれば構わないことは勿
論である。また、本実施形態では、多結晶ダイヤモンド
膜２の表面は水素終端層３とした後に、さらに真空中で
ＣｓとＯ₂とによりＣｓＯからなる活性層４の塗布を行
ったものを例に説明した。

【００１９】しかし、本発明はこれに限られるものでは
なく、例えば水素終端層３の代わりに酸素終端層を形成
させた後にＣｓＯからなる活性層４を塗布したもの、あ
るいは特に意図的な終端層を形成させずにＣｓＯからな
る活性層４を塗布したものでも同様の効果が得られる。
また、ＲｂとＯ，ＫとＯ，ＮａとＯからなるなどの他の
アルカリ金属酸化物による活性層を塗布しても同様の効
果が得られることは勿論である。

【００２０】以下に、第１の実施形態による二次電子放
出装置の作製方法について詳細に説明する。

【００２１】まず、厚さ０．４ｍｍのＳｉからなる支持
基板１を脱脂洗浄した後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装
置に装着する。マイクロ波プラズマＣＶＤ装置では、Ｃ
Ｏを原料ガス、Ｂ₂Ｈ₆をｐ型ドーパント、Ｈ₂をキャリ
ヤガスとして、マイクロ波出力１．５ｋＷ、反応圧力５
０ｔｏｒｒ、成膜温度約８００℃の条件下で、５μｍ厚
の多結晶ダイヤモンド膜２の成膜を行った。成膜終了
後、ＣＯ，Ｂ₂Ｈ₆の供給を停止し、Ｈ₂プラズマ中で数
分間放置することにより、多結晶ダイヤモンド膜２の表
面が水素終端化されることが知られており、多結晶ダイ
ヤモンド膜２の表面を水素終端層３とする。

【００２２】その後、多結晶ダイヤモンド膜２及び水素
終端層３が形成された支持基板１をマイクロ波ＣＶＤ装
置から取り出し、別の真空装置内に収納する。ここで、
表面の仕事関数をさらに低下させるため、ＣｓとＯ₂と
の交互供給により単原子層程度のＣｓＯからなる活性層
４を水素終端層３上に形成する。ＣｓＯからなる活性層
４は、市販のＣｓスリーブを通電加熱することによりＣ
ｓを真空装置内に供給すると共に、リークバルブを介し
て高純度Ｏ₂を真空装置内へリークさせることにより簡
単に形成することが可能である。また、この時、紫外光
を照射しながら光電子放出電流をモニターすることによ
り、再現性良く活性層４の最適な厚さを制御することが
できる。

【００２３】以上のような処理を施した二次電子放出装
置をさらに別の真空装置に移し、二次電子放出比を測定
した。二次電子放出比を測定した結果を図２に示す。ま
た、併せて、ＲｂとＫをＣｓの代わりに用いた二次電子
放出装置の結果（図中、それぞれＲｂＯ，ＫＯ，ＣｓＯ
で示す）、従来技術であるＣｕＢｅ上にＢｅＯ二次電子
面が形成された二次電子放出装置（図中、ＣｕＢｅで示
す）の測定結果、及び水素終端化層のみで活性層４を形
成していない二次電子放出装置（図中、Ｈで示す）につ
いての測定結果も示した。

【００２４】図２から明らかなように、加速電圧の増加
に伴い二次電子放出比も増加するが、特に高い加速電圧
の領域で、本実施形態による二次電子放出装置の方が、
従来技術によるＣｕＢｅ上にＢｅＯ二次電子面が形成さ
れた二次電子放出装置よりも高い二次電子放出比を示
し、本発明の有効性が確認された。また従来技術である
水素終端化層のみで活性層を形成していない二次電子放
出装置の場合と比較しても、本実施形態による二次電子
放出装置の方が二次電子放出比が高く、本発明による二
次電子放出装置の有効性が確認された。

【００２５】ところで、二次電子放出比は表面の処理に
より変化することは勿論であるが、実際には多結晶ダイ
ヤモンド膜の品質にも大きく左右される。従って、例え
ば米国特許第５，６１９，０９１号に、従来技術として
高い二次電子放出比が報告されているが、アルカリハラ
イドで処理されたダイヤモンド膜と本発明による二次電
子放出装置の二次電子放出比との比較は困難である。

【００２６】そこで、相対的な比較をするため、米国特
許第５，６１９，０９１号に開示されている二次電子放
出比で、図２のデータを規格化したものが図３である。
図４は、米国特許第５，６１９，０９１号における図３
に相当する線図である。なお、図４中、黒四角は厚さ１
００ｎｍのＣｓＩをモリブデンターゲット上にマイクロ
波プラズマＣＶＤ又は熱フィラメントＣＤＶで成膜した
試料のデータであり、成膜終了後に表面は自動的に水素
終端化される。また、白三角はＣｓＩを形成していない
同様な試料のデータである。

【００２７】図３及び４から明らかなように、本発明に
よる二次電子面は高い二次電子放出比を示し、特にＣｓ
Ｏで処理したものの二次電子放出比は１０００Ｖで２５
であり（図３）、ＣｓＩで処理したものは１０００Ｖで
２７（図４）と、遜色のない高い二次電子放出比を示し
ている。さらに、本発明によるアルカリ金属又はその酸
化物による処理は、上記のアルカリハライドで処理した
ものに比較し、より簡単に再現性良く行うことが可能で
ある。

【００２８】多結晶ダイヤモンドを材料とする二次電子
面において高い二次電子放出比が得られた理由を以下に
示す。

【００２９】多結晶ダイヤモンド膜２は従来のＣｕＢｅ
上のＢｅＯ膜に比較し、半導体であるため生成された二
次電子の寿命が長い。このため表面からより深いところ
で生成された二次電子も再結合する確率が低く、多くの
二次電子が放出表面まで到達することが可能である。

【００３０】一方、ＣｕＢｅ金属中の電子は、金属中の
自由電子、自由正孔と再結合しやすく、従ってその寿命
は半導体に比較しはるかに短い。このため表面からより
深いところで生成された二次電子は放出表面まで到達す
る前に再結合してしまう。また、多結晶ダイヤモンド膜
の表面は水素終端後にアルカリ金属及びその酸化物の塗
布により仕事関数が低下しており、電子親和力が零又は
負の状態にある。従って、生成された二次電子が放出表
面まで移動する間に、エネルギー緩和を生じて伝導帯の
底に落ちても、真空中に脱出することが可能である。

【００３１】一方、ＣｕＢｅ上のＢｅＯ膜では表面の電
子親和力は正であるため、エネルギー緩和された二次電
子は真空中へ脱出することができない。従って、表面近
傍で生成された二次電子で、エネルギー緩和が生じる前
に放出表面に到達したもののみが真空中へ脱出すること
が可能である。このため、ＣｕＢｅ上のＢｅＯ膜では加
速電圧を増加させてゆくと、二次電子放出比は極大点を
もった後に飽和して、ついには減少する。

【００３２】図５は、本発明の他の実施形態による二次
電子放出装置を備えた透過型の紫外光光電面を有する、
いわゆるヘッドオン型の光電子増倍管２００を示す概略
断面図である。

【００３３】図において、例えばＭｇＦ₂からなる被検
出光の入射窓５が設けられた円筒形状ガラス製のバルブ
６の内部は真空排気されており、このバルブ６内に図１
に示した二次電子放出装置１００が入射窓５に隣接して
設置されている。また、二次電子放出装置１００から放
出された光電子を二次電子増倍するための第１ダイノー
ド７、第２ダイノード８、第３ダイノード９等複数のダ
イノードもバルブ６の内部に設置されている。

【００３４】また、バルブ６内には、複数のダイノード
によって最終的に二次電子増倍された電子を収集するた
めの陽極１０も設置されている。さらに、図示しない
が、二次電子放出装置１００に対して第１ダイノード
７、第２ダイノード８、第３ダイノード９等のダイノー
ド及び陽極１０には、それぞれ所定の正の電圧を印加す
る電源も設けられている。

【００３５】次に、図５に示した光電子増倍管２００の
動作について説明する。まず、波長２００ｎｍ下の入射
光は、ＭｇＦ₂からなる入射窓５を通して支持基板１に
入射する。支持基板１は入射光に対して透明であるの
で、入射光は支持基板１をほとんど透過する。透過した
入射光は、透過型の紫外光光電面である多結晶ダイヤモ
ンド膜２において吸収され、光電子を励起する。励起さ
れた光電子は、多結晶ダイヤモンド膜２の表面に移動す
るが、この時、多結晶ダイヤモンド膜２の表面は酸素で
終端化され、さらにＣｓＯの塗布により活性層４が形成
されており、仕事関数が低下され負の電子親和力状態と
なっている。

【００３６】このため、多結晶ダイヤモンド膜２の表面
に到達した光電子は容易に真空中へ放出される。真空中
へ放出された光電子は、光電面に対して数１００Ｖの正
電圧が印加された第１ダイノード７に入射し、二次電子
を再び真空中へ放出する。この時、入射した一次電子の
数に対して、放出された二次電子の数は数倍であり、さ
らに第１ダイノード７から真空中へ放出された電子は第
１ダイノード７に対して数１００Ｖの正電圧が印加され
た第２ダイノード８に入射し、二次電子を再び真空中へ
放出する。これを１０回ほど繰り返すことにより、最終
的に陽極１０では、光電面から放出された電子の１００
万倍程度の数の電子が収集され、信号電流として検出さ
れる。従って、非常に高感度な光検出器が実現される。

【００３７】なお、前述した実施形態では、被測定光の
入射する面と電子の放出される面が異なる、いわゆる透
過型二次電子放出装置を例に説明したが、本願はこれに
限られるものではなく、被測定光の入射する面と電子の
放出される面が同一の、いわゆる反射型二次電子放出装
置にも適用可能であることは勿論である。

【００３８】また、前述した電子管の実施形態では光電
子増倍管について説明したが、本発明はこの電子管に限
られるものではなく、例えば、光電子増倍管の増倍部に
半導体のダイオードを用いた電子打ち込み型の光電子増
倍管や、光電子増倍管の増倍部に半導体のマルチチャン
ネル型のダイオードを用いた位置検出型光電子増倍管
や、画像増強管のマイクロチャンネルプレートと蛍光体
の代わりに裏面照射型電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた
画像増強管などにも適用可能であることは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド又は多結晶
ダイヤモンドを主成分とするダイヤモンド薄膜と、ダイ
ヤモンド薄膜上に形成され、仕事関数を低下させるアル
カリ金属又はその酸化物からなる活性層とを備えたの
で、二次電子放出比の高い二次電子放出装置が得られ
る。従って、従来のＣｕＢｅを材料としたダイノードに
比較し、より高い電子増倍が実現される。またこれによ
り、同じ増倍率を得るためのダイノードの数を減少させ
ることができるので、増倍揺らぎも減少する。さらに、
同様の理由で印加電圧も低下させることが可能である。
また、ＳｂＣｓからなる二次電子放出装置と比較する
と、製造方法が簡単で大量生産に適した電子増倍管が実
現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による二次電子放出装
置を模式的に示す概略断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態による二次電子放出装
置を用いて測定した二次電子放出比の測定結果を示す線
図である。

【図３】図２の測定結果をもとに、米国特許第５，６１
９，０９１号に開示されている二次電子放出比（図４）
で図２の測定結果を規格化した結果を示す線図である。

【図４】米国特許第５，６１９，０９１号における図３
に相当する線図である。

【図５】本発明の他の実施形態による二次電子放出装置
を備えた光電子増倍管を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…支持基板、２…多結晶ダイヤモンド膜、３…水素終
端層、４…活性層、５…入射窓、６…バルブ、７…第１
ダイノード、８…第２ダイノード、９…第３ダイノー
ド、１０…陽極、１００…二次電子放出装置、２００…
光電子増倍管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 正美 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次電子の入射により二次電子を真空中
   へ放出する二次電子放出装置であって、 支持基板と、 前記支持基板上に形成された多結晶ダイヤモンド又は多
   結晶ダイヤモンドを主成分とするダイヤモンド薄膜と、 前記ダイヤモンド薄膜上に形成され、仕事関数を低下さ
   せるアルカリ金属又はその酸化物からなる活性層とを備
   えたことを特徴とする二次電子放出装置。
2. 【請求項２】 前記アルカリ金属は、Ｃｓ，Ｋ，Ｒｂ，
   Ｎａからなる群から選択されたものであることを特徴と
   する請求項１に記載の二次電子放出装置。
3. 【請求項３】 前記多結晶ダイヤモンドは、ｐ型の導電
   型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次
   電子放出装置。
4. 【請求項４】 被検出光が入射する入射窓を有し、内部
   が真空に保持された真空容器と、 前記入射窓に臨んで前記真空容器内に収容された請求項
   １〜３のいずれか１項に記載された二次電子放出装置
   と、 前記真空容器内に収容され、前記二次電子放出装置に対
   して正の電位に保持された陽極部とを備えたことを特徴
   とする電子管。
5. 【請求項５】 前記真空容器内に収容され、前記二次電
   子放出装置からの光電子を二次電子増倍する電子増倍部
   をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の電子
   管。