JP4762719B2 - 光電子増倍管 - Google Patents

Description

この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。

従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
特許第３０７８９０５号公報 特開平４−３５９８５５号公報

発明者らは、従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部材自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。

この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。

具体的に当該光電子増倍管は、光電子増倍管内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部と陽極とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。

上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って伸びた溝部又は貫通孔を有する。溝部はエッチング技術により微細加工された一対の壁部により規定される。特に、該溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面には、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が、該電子の進行方向に沿って設けられている。このように二次電子放出面が形成された壁部表面に凸部が設けられることにより、陽極に向かう電子が該壁部に衝突する可能性が飛躍的に高くなるため、微細構造においても十分な電子増倍率が得られる。なお、現実的には、二次電子放出面は、凸部表面のみならず、該凸部表面を含む壁部の表面全体に形成される。

この発明に係る光電子増倍管において、上記一対の壁部のうち一方の壁部の表面に設けられた凸部と、他方の壁部の表面に設けられた凸部は、光電面からの電子の進行方向に沿って交互に配置されるのが好ましい。この構成により、光電面からの電子は、少なくともいずれか一方の壁部に衝突する可能性が高まる。

より具体的には、上記一対の壁部のうち一方の壁部の表面に設けられた凸部の高さＢは、該一対の壁部の間隔Ａに対して、Ｂ≧Ａ／２なる関係を満たすのがより好ましい。一対の壁部表面にそれぞれ設けられた凸部がこの関係を満たすことにより、陽極に向かって溝部を進行する電子は、直線軌道を取りえなくなるため、陽極に向かう該電子は少なくとも一回は一対の壁部のいずれかに衝突することにより、確実に二次電子増倍率の向上に寄与しえるからである。

一方、上記電子増倍が貫通孔を有する場合、該貫通孔はエッチング技術により微細加工された壁部により規定される。この貫通孔を規定する壁部それぞれの表面にも、光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が設けられている。このように二次電子放出面が形成された壁部表面に凸部が設けられることにより、陽極に向かう電子が該壁部に衝突する可能性が飛躍的に高くなるため、微細構造においても十分な電子増倍率が得られる。なお、現実的には、二次電子放出面は、凸部表面のみならず、該凸部表面を含む壁部の表面全体に形成される。

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

この発明によれば、光電面から放出された光電子が陽極に向かう間に走行する溝部において、該溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面に１又はそれ以上の凸部が設けられることにより、該一対の壁部に電子が衝突する確率が飛躍的に高まり、該壁部表面に形成された二次電子放出面における二次電子の増倍効率が飛躍的に向上する。

以下、この発明に係る光電子増倍管及びその製造方法を、図１〜図１０を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は、この発明に係る光電子増倍管の一実施例の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａは、透過型の電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。

図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。凹部２０１の底部には光電面２２が形成されている。この光電面２２は凹部２０１の長手方向の一端近傍に形成されている。ガラス基板２０の主面２０ａと対向する面２０ｂには孔２０２が設けられており、孔２０２は光電面２２に達している。孔２０２内には光電面端子２１が配置され、該光電面端子２１は光電面２２に接触している。なお、この第１実施例では、ガラス材料からなる上側フレーム２自体が透過窓として機能する。

側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、凹部３０１及び貫通部３０２が形成されている。凹部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、凹部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。

凹部３０１内には電子増倍部３１が形成されている。電子増倍部３１は、凹部３０１の底部３０１ａから互いに沿うように立設している複数の壁部３１１を有する。このように、壁部３１１それぞれの間には溝部が構成されている。この壁部３１１の側壁（各溝部を規定する側壁）及び底部３０１ａには二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。壁部３１１は凹部３０１の長手方向に沿って設けられており、その一端は凹部３０１の一端と所定の距離を開けて配置され、他端は貫通部３０２に臨む位置に配置されている。貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されており、下側フレーム４に陽極接合又は拡散接合によって固定されている。

下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。ガラス基板４０の主面４０ａからそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には陽極側端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に接触している。

図３は、図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。既に説明されたように、上側フレーム２の凹部２０１の一端における底部分には光電面２２が形成されている。光電面２２には光電面端子２１が接触しており、光電面端子２１を介して光電面２２に所定電圧が印加される。上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが陽極接合又は拡散接合により接合されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。

上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の凹部３０１及び貫通部３０２が配置されている。側壁フレーム３の凹部３０１には電子増倍部３１が配置されており、凹部３０１の一端の壁と電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されている。この場合、上側フレーム２の光電面２２の直下に側壁フレーム３の電子増倍部３１が位置することになる。側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、陽極３２と貫通部３０２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、陽極３２は下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に陽極接合又は拡散接合により固定されている。

側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが陽極接合又は拡散接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の電子増倍部３１も下側フレーム４に陽極接合又は拡散接合により固定される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。

下側フレーム４の光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３はそれぞれ側壁フレーム３のシリコン基板３０に接触しているので、光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向と交差する方向、電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。

図４には、側壁フレーム３の壁部３１１近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の凹部３０１内に配置されている壁部３１１の側壁には凸部３１１ａが形成されている。凸部３１１ａは対向する壁部３１１に互い違いになるように交互に配置されている。凸部３１１ａは壁部３１１の上端から下端まで一様に形成されている。

光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−２０００Ｖが、陽極側端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さを薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して光電面２２に光が入射すると、光電面２２から側壁フレーム３に向けて光電子が放出される。この放出された光電子は、光電面２２の直下に位置する電子増倍部３１に到達する。シリコン基板３０の長手方向には電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１は複数の壁部３１１で規定される溝が形成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は壁部３１１の側壁及び互いに対向する側壁３１１間の底部３０１ａに衝突し、複数の二次電子を放出する。電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部への到達する電子１個当たり１０^５〜１０^７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。

次に、溝部を規定する壁部３１１の表面に設けられる凸部３１１ａの機能について図５を用いて説明する。

まず、図５中の領域（ａ）には、比較例として、表面に凸部が設けられていない壁部３１１によって規定された電子増倍部３１の溝部が示されている。図５中の領域（ａ）に示されたような構造の場合、溝部を進行する電子が壁部３１１に衝突することなく陽極に到達する可能性が高くなるため、該壁部表面に形成された二次電子放出面への衝突回数の減少により電子増倍率が著しく低下する可能性がある。また、呼応電子増倍管１ａ内部のガスに電子が衝突することにより発生する正イオンが、例えば溝部の陽極側端部近傍で発生した場合には、最大で溝部の陽極側端部から光電面側端部までの電位差Ｄに相当するエネルギーを有して、電子の走行方向とは逆の方向に走行する。そのため、光電面２２に入射してしまったり、あるいは電位差に相当するエネルギーをもって壁部３１１に衝突することで、擬似二次電子が放出され、出力電流特性が悪化してしまう可能性がある。

一方、図５中の領域（ｂ）に示されたように、電子増倍部３１の溝部を規定する壁部３１１の表面に凸部３１１ａが設けられた構造では、上述のような課題は解決され、飛躍的に電子増倍効率を向上させることが可能になる。

すなわち、１つの溝部を規定する一方の壁部の表面に設けられた凸部と、他方の壁部の表面に設けられた凸部とが、光電面側から陽極側へ向かう電子の進行方向に沿って交互に配置された構成では、壁部に衝突することなく陽極３２に到達する確率が飛躍的に低下していく。このため、光電面２２からの電子は、少なくともいずれか一方の壁部（二次電子放出面）に衝突する可能性が高まり、十分な電子増倍効率が得られることになる。

なお、凸部３１１ａの高さＢは、互いに隣接する壁部３１１の間隔Ａに対して、Ｂ≧Ａ／２なる関係を満たすのがより好ましい（図６参照）。この場合、陽極３２に向かって溝部を進行する電子は、直線軌道を取りえなくなるため、該該電子は少なくとも一回は一対の壁部のいずれかに衝突することにより、確実に二次電子増倍率の向上に寄与しえるからである

なお、上述の実施例では、透過型の光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、反射型であってもよい。例えば、電子増倍部３１の陽極側端とは逆側の端部に光電面を形成することにより、反射型の光電子増倍管が得られる。また、電子増倍部３１の陽極側とは逆の端部側に傾斜面を形成し、この傾斜面上に光電面を形成することによっても反射型の光電子増倍管が得られる。いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態で、反射型の光電子増倍管が得られる。

また、上述の実施例では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０と接触した状態で一体形成されている。しかしながら、このように側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そこで、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１及び陽極３２は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置されてもよい。

さらに、上述の実施例では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、スパッタガラス基板の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon On Insulator）基板の両面をエッチングし、露出したスパッタガラス基板の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。

次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図７及び図８を用いて説明する。

まず、図７中の領域（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図７中の領域（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７０１が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙部に対応する除去部６１１が形成される。

図７中の領域（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。図７中の領域（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する空隙部５０１が形成される。続いて、図７中の領域（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部７１１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７１２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部６０１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部６０２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成される。

図７中の領域（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図７中の領域（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２、図２の孔４０３に対応する孔８０３がそれぞれ予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図８中の領域（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２が形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に陽極接合により固定される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、図２の壁部３１１間の溝に相当する溝部５１と、図２の壁部３１１と凹部３０１との空隙に相当する凹部５０３とも形成される。ここで、溝部５１の側壁及び底部３０１ａには二次電子放出面が形成される。

続いて、図８中の領域（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されており、ガラス基板９０の表面から凹部９０１に至るように孔９０２（図２の孔２０２に相当）が設けられている。図８中の領域（ｃ）に示されたように、図２の光電面端子２１に相当する光電面端子９２が孔９０２に挿入固定されるとともに、凹部９０１には光電面９１が形成される。

図８中の領域（ａ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図８中の領域（ｃ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図８中の領域（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で陽極接合又は拡散接合により接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の陽極側端子４３に相当する陽極側端子８３が孔８０３に、それぞれ挿入固定されることで、図８中の領域（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。

図９は、この発明に係る光電子増倍管の他の構造を示す図である。この図９には、光電子増倍管１０の断面構造が示されている。光電子増倍管１０は、図９中の領域（ａ）に示されたように、上側フレーム１１と、側壁フレーム１２（シリコン基板）と、第１下側フレーム１３（ガラス部材）と、第２下側フレーム（基板）とがそれぞれ陽極接合されて構成されている。上側フレーム１１はガラス材料からなり、その側壁フレーム１２に対向する面には凹部１１ｂが形成されている。この凹部１１ｂの底部のほぼ全面に渡って光電面１１２が形成されている。光電面１１２に電位を与える光電面電極１１３と、後述される表面電極に接する表面電極端子１１１は、それぞれ凹部１１ｂの一端及び他端にそれぞれ配置されている。

側壁フレーム１２は、シリコン基板１２ａに管軸方向と平行に多数の孔１２１が設けられている。この孔１２１の内面は電子を衝突させるための凸部１２１ａが設けられており、この凸部１２１ａを含めて該穴２１の内面には二次電子放出面が形成されている。また、孔１２１それぞれの両端の開口部近傍には表面電極１２２及び裏面電極１２３が配置されている。図９中の領域（ｂ）には、孔１２１及び表面電極１２２の位置関係が示されている。この図９中の領域（ｂ）に示されたように、孔１２１に臨むように表面電極１２２が配置されている。なお、裏面電極１２３についても同様である。表面電極１２２は表面電極端子１１１に接触し、裏面電極１２３には裏面電極端子１４３が接触している。したがって、側壁フレーム１２にでは孔１２１の軸方向に電位が発生し、光電面１１２から放出された光電子は孔１２１内を図中下方に進行する。

第１下側フレーム１３は、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４とを連結するための部材であって、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４との双方に陽極接合されている（拡散接合されてもよい）。

第２下側フレーム１４は、多数の孔１４１が設けられたシリコン基板１４ａで構成されている。この孔１４１それぞれに陽極１４２が挿入固定されている。

図９に示された光電子増倍管１０では、図中上方から入射した光は、上側フレーム１１のガラス基板を透過して光電面１１２に入射する。この入射光に応じて光電面１１２から側壁フレーム１２に向かって光電子が放出される。放出された光電子は第１下側フレーム１３の孔１２１に入る。孔１２１に入った光電子は孔１２１の内壁に衝突しながら二次電子を生成し、生成された二次電子が第２下側フレーム１４に向かって放出される。この放出された二次電子を陽極１４２が信号として取り出す。

次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図１０中の領域（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。

抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。

検出部８５５の構成を、図１０中の領域（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。

既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。

以上のようにこの発明によれば、電子増倍部３１の溝部を規定する壁部３１１の表面に所望の高さを有する凸部３１１ａが設けられることにより、電子増倍効率を飛躍的に向上させうる。

また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに陽極接合又は拡散接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。

陽極３２は、ガラス基板４０ａに陽極接合又は拡散接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施例に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと陽極接合又は拡散接合されるため、衝撃、振動で陽極３２が振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。

また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。

上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器の封止には特別な部材を必要としないため、この発明に係る光電子増倍管のようにウェハーサイズでの封止が可能である。封止後にダイシングして複数の光電子増倍管を得るため、作業が容易であって安価に製作できる。

陽極接合又は拡散接合による封止のため異物が発生しない。このため、当該光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。

電子増倍部３１では、壁部３１１で構成される複数の溝の側壁に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このため、構造が簡単で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。

上述のような構造を有する光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。

この発明に係る光電子増倍管の一実施例の構成を示す斜視図である。 図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。 図１中のＩ−Ｉ線に沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。 図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。 電子増倍部における溝部に設けられた凸部の機能について説明するための図である。 電子増倍部における溝部に設けられた凸部と、該溝部を規定する壁部との関係を説明するための図である。 図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。 図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。 この発明に係る光電子増倍管他の構造を示す図である。 この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子。

Claims (2)

1. 内部が真空状態に維持された外囲器と、
   前記外囲器内に収納された光電面であって、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
   前記外囲器内に収納された電子増倍部であって、電子の進行方向に沿って伸びた溝部を有する電子増倍管と、そして、
   前記外囲器内に収納された陽極であって、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極とを備えた光電子増倍管であって、
   前記溝部を規定する一対の壁部それぞれの表面であって前記電子の進行方向に対して並行に配置された平坦な表面上には、前記光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が、前記電子の進行方向に沿って設けられており、
   前記二次電子放出面が形成される前記凸部それぞれの表面は、前記電子の進行方向に対して直交することなく前記電子の進行方向に対して傾斜した斜面により構成され、
   前記一対の壁部のうち一方の壁部の表面に設けられた凸部と、他方の壁部の表面に設けられた凸部は、前記電子の進行方向に沿って交互に配置され、
   前記一対の壁部のうち一方の壁部の表面に設けられた前記凸部の高さＢは、該一対の壁部の間隔Ａに対して、
   Ｂ≧Ａ／２
   なる関係を満たしている光電子増倍管。
2. 内部が真空状態に維持された外囲器と、
   前記外囲器内に収納された光電面であって、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
   前記外囲器内に収納された電子増倍部であって、電子の進行方向に沿って伸びた貫通孔を有する電子増倍管と、そして、
   前記外囲器内に収納された陽極であって、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極とを備えた光電子増倍管であって、
   前記貫通孔を規定する壁部の表面には、前記光電面からの光電子をカスケード増倍するための二次電子放出面が表面に形成された１又はそれ以上の凸部が設けられており、
   前記二次電子放出面が形成される前記凸部それぞれの表面は、前記電子の進行方向に対して直交することなく前記電子の進行方向に対して傾斜した斜面により構成され、
   前記貫通孔を規定する壁部の表面に設けられた凸部は、前記電子の進行方向に沿って交互に配置され、
   前記壁部の表面に設けられた前記凸部の高さＢは、前記貫通孔の開口径に相当する間隔Ａに対して、
   Ｂ≧Ａ／２
   なる関係を満たしている光電子増倍管。

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