專利名稱：光電陰極及裝備有它的電子管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能適用于規(guī)定波長的光的檢測或測定用的光電陰極及裝備有它的電子管。
迄今，作為對(duì)于波長在200nm以下的紫外光具有敏感性的光電陰極材料，已知的有如半導(dǎo)體碘化銫(CsI)，該光電陰極在真空紫外區(qū)具有最大約25％的光電變換量子效率。另外，已知該光電陰極對(duì)于波長在200nm以上的被檢測光來說，該值(光電變換量子效率)急劇下降，所以不具備對(duì)太陽光的敏感性，是一種所謂太陽盲光電陰極。
因此，這樣的太陽盲光電陰極非常適用于稱之為光電倍增管等的電子管(備有光電陰極的光電管)，適用于對(duì)紫外區(qū)的微弱光的檢測或測定。
本發(fā)明者研究了上述現(xiàn)有的光電陰極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了以下問題。
即，為了在紫外區(qū)對(duì)被檢測光進(jìn)行高精度的檢測或測定，要求具有更高的光電變換量子效率(以下簡稱量子效率或Q.E)的光電陰極。可是，現(xiàn)有的CsI光電陰極如

圖1所示，相對(duì)于CsI半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(CB)的底部能量的真空能帶(VL)的能量差(即電子親和力(Ea))是正的。這意味著被檢測光(hγ)被收容后，從價(jià)電子帶(VB)激發(fā)的光電子(e)的一部分不能逸出到真空中(維持真空狀態(tài)的容器內(nèi))。因此，現(xiàn)有的光電陰極實(shí)際上是一種不可能實(shí)現(xiàn)更高的量子效率的光電陰極。
另一方面，作為光電陰極，還有人提出了由替代CsI的單晶金剛石薄膜構(gòu)成的光電陰極。按照Himpsel等人的報(bào)告(刊于“物理觀察(PhysicalReview)”B，20，2(1979)624)，在摻硼(B)的晶面指數(shù)為(111)的天然單晶金剛石的原子能帶的清潔表面的情況下，即，該表面結(jié)構(gòu)(111)為1×1時(shí)，是一種負(fù)電子親和力(Negative ElectronAffintyNEA)的光電陰極。由圖3所示的量子效率可見，當(dāng)單晶金剛石薄膜的光子能量在5.5eV～9eV的范圍以內(nèi)時(shí)，量子效率值最大，約為20％，在于13～35eV的范圍內(nèi)，該值較高，為40～70％。
另外，當(dāng)榮森等人在高壓合成的晶面指數(shù)為(100)的單晶金剛石基片上利用微波等離子體合成了單晶金剛石薄膜之后，利用氫使其表面終端化(見“金剛石和相關(guān)材料(Diamond and Related Material)”，(1995)806，日本應(yīng)用物理日?qǐng)?bào)(Jpn.J.Appl.Phys.)33，(1994)6312)。在這種情況下，單晶金剛石薄膜不僅配置在(111)面上，而且配置在(100)面上時(shí)，其電子親和力也為負(fù)。另外，在榮森等人的報(bào)告中，以同步加速幅射光為光源，測定光電子放射，未報(bào)告量子效率的絕對(duì)值。
可是，在上述的光電陰極中，由于不透過被檢測光的單晶金剛石是用作光電陰極本體或支持基片，所以不易將用單晶金剛石制的光電陰極應(yīng)用于被檢測光的入射面和光電子的發(fā)射面不同的透射型光電陰極。
另外，從工業(yè)化的觀點(diǎn)來看，天然單晶金剛石及高壓合成的單晶金剛石基片的價(jià)格非常高，且生產(chǎn)率低。另外，在該高價(jià)單晶基片上通過氣相合成質(zhì)量好的單晶金剛石膜的技術(shù)也不容易。由于這個(gè)原因，用單晶金剛石制的光電陰極難以實(shí)用化。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種反射型和透射型皆可適用的所獲得的量子效率又比單晶金剛石膜高的光電陰極及裝備有它的電子管。
本發(fā)明的光電陰極是將由規(guī)定波長的入射光(被檢測光)從價(jià)電子帶激勵(lì)到導(dǎo)帶的光電子發(fā)射的電極，能適用于檢測規(guī)定波長的光等用的光電倍增管、圖象增強(qiáng)管等各種電子管。另外，在該光電陰極中包含透射型光電陰極和反射型光電陰極，上述透射型光電陰極是在對(duì)被檢測光有透射性的基片上形成的，用來使光子從與被檢測光入射面相對(duì)的面上發(fā)射，上述反射型光電陰極設(shè)在將被檢測光遮住的基片上，用來從被檢測光入射面發(fā)射光電子。另外，透射型光電陰極的設(shè)置方式能使入射光的入射面垂直于其入射方向，與此不同，反射型光電陰極的設(shè)置方式使被檢測光的入射方向傾斜。
本發(fā)明的光電陰極能以解決上述問題，其特征在于備有由多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成的第一層。
另外，為了降低其功函數(shù)，使之容易發(fā)射光電子，至少要對(duì)上述第一層的一側(cè)的表面最好用氫或用氧進(jìn)行最終處理。特別是用氧進(jìn)行過最終處理的光電陰極即使曝露在大氣之中也能維持足夠的量子效率，所以化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
本發(fā)明的光電陰極設(shè)在上述第一層(多晶金剛石層)的一個(gè)層上，還可以備有由堿金屬或其化合物構(gòu)成的第2層。另外，該第二層會(huì)使該光電陰極的量子效率得以提高，特別是在用氫或氧對(duì)其表面進(jìn)行過最終處理的第一層上形成該第二層，其量子效率有顯著的提高。
另外，該光電陰極中的第一層、即多晶金剛石薄膜的導(dǎo)電型式最好是P型。與本征半導(dǎo)體相比較，電阻值低，容易發(fā)射光電子(量子效率變高)。
備有以上結(jié)構(gòu)的光電陰極能適用于光電倍增管等各種電子管。即，本發(fā)明涉及的電子管至少備有對(duì)規(guī)定波長的入射光具有透光性的入射面板、具有上述結(jié)構(gòu)的光電陰極、收容該光電陰極且支持入射面板的容器(真空容器)、以及被收容在該容器內(nèi)直接或間接收集從光電陰極發(fā)射的光電子用的陽極。
在以上結(jié)構(gòu)中，該光電陰極設(shè)在入射面板上，同時(shí)能適用于由該入射面板支持的透射型光電陰極。作為入射面板的材料，為了與太陽盲光電陰極組合，最好是至少對(duì)波長在200nm以下的紫外光具有透射性的氟化鎂(MgF2)。
另一方面，在以上結(jié)構(gòu)中，該光電陰極設(shè)在對(duì)入射光具有遮光構(gòu)件(至少遮住200nm以下的紫外光的材料)的與入射面板相對(duì)的面上，同時(shí)還能適用于由該光電陰極支持的反射型光電陰極。另外，有關(guān)的遮光構(gòu)件的材料可以使用硅(Si)或金屬材料等。
本發(fā)明的電子管還可以備有被收容在上述容器內(nèi)的電子放大部，用來對(duì)從光電陰極發(fā)射的光電子進(jìn)行聯(lián)級(jí)放大，并將放大后的2次電子導(dǎo)向上述陰極。
在本發(fā)明的電子管中，上述陽極還可以是熒光膜，它通過收容對(duì)應(yīng)于入射光而從光電陰極發(fā)射的光電子而發(fā)光，形成與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的2維電子像。利用這樣的結(jié)構(gòu)能直接觀察被檢測的2維光學(xué)像。另外，上述陽極還可以是固體攝象器件，它收容對(duì)應(yīng)于入射光而從光電陰極發(fā)射的光電子，輸出與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。理的光電陰極即使曝露在大氣之中也能維持足夠的量子效率，所以化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
本發(fā)明的光電陰極設(shè)在上述第一層(多晶金剛石層)的一個(gè)層上，還可以備有由堿金屬或其化合物構(gòu)成的第2層。另外，該第二層會(huì)使該光電陰極的量子效率得以提高，特別是在用氫或氧對(duì)其表面進(jìn)行過最終處理的第一層上形成該第二層，其量子效率有顯著的提高。
另外，該光電陰極中的第一層、即多晶金剛石薄膜的導(dǎo)電型式最好是P型。與本征半導(dǎo)體相比較，電阻值低，容易發(fā)射光電子(量子效率變高)。
備有以上結(jié)構(gòu)的光電陰極能適用于光電倍增管等各種電子管。即，本發(fā)明涉及的電子管至少備有對(duì)規(guī)定波長的入射光具有透光性的入射面板、具有上述結(jié)構(gòu)的光電陰極、收容該光電陰極且支持入射面板的容器(真空容器)、以及被收容在該容器內(nèi)直接或間接收集從光電陰極發(fā)射的光電子用的陽極。
在以上結(jié)構(gòu)中，該光電陰極設(shè)在入射面板上，同時(shí)能適用于由該入射面板支持的透射型光電陰極。作為入射面板的材料，為了與太陽盲光電陰極組合，最好是至少對(duì)波長在200nm以下的紫外光具有透射性的氟化鎂(MgF2)。
另一方面，在以上結(jié)構(gòu)中，該光電陰極設(shè)在對(duì)入射光具有遮光構(gòu)件(至少遮住200nm以下的紫外光的材料)的與入射面板相對(duì)的面上，同時(shí)還能適用于由該光電陰極支持的反射型光電陰極。另外，有關(guān)的遮光構(gòu)件的材料可以使用硅(Si)或金屬材料等。
本發(fā)明的電子管還可以備有被收容在上述容器內(nèi)的電子放大部，用來對(duì)從光電陰極發(fā)射的光電子進(jìn)行聯(lián)級(jí)放大，并將放大后的2次電子導(dǎo)向上述陰極。
在本發(fā)明的電子管中，上述陽極還可以是熒光膜，它通過收容對(duì)應(yīng)于入射光而從光電陰極發(fā)射的光電子而發(fā)光，形成與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的2維電子像。利用這樣的結(jié)構(gòu)能直接觀察被檢測的2維光學(xué)像。另外，上述陽極還可以是固體攝象器件，它收容對(duì)應(yīng)于入射光而從光電陰極發(fā)射的光電子，輸出與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
另外，在有以上結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的電子管中，封入了其分壓在1×10-6～1×10-3乇范圍內(nèi)的氫。通過在該壓力范圍將氫封入容器內(nèi)，該光電陰極的表面呈化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，使該電子管能更穩(wěn)定地工作。即，當(dāng)氫的分壓比1×10-3乇高時(shí)，電子管內(nèi)產(chǎn)生放電的可能性變大。另一方面，當(dāng)氫的分壓比1×10-6乇低時(shí)，氫從多晶金剛石薄膜表面脫離后，再吸收時(shí)則需要很長的時(shí)間，所以電子管 內(nèi)的其它殘留分子被吸附在多晶金剛石薄膜表面上，失去封入的氫產(chǎn)生的效果的可能性變大。
圖1是說明來自CsI光電陰極光電子發(fā)射過程用的能帶圖。
圖2是說明來自NEA光電陰極光電子發(fā)射過程用的能帶圖。
圖3是表示摻入p型雜質(zhì)的天然金剛石(111)基極上的單晶金剛石薄膜(111)的分光光學(xué)特性曲線圖。
圖4是說明場發(fā)射極的電子發(fā)射過程用的能帶圖。
圖5是說明單晶金剛石薄膜中發(fā)生的光電子在該層內(nèi)振動(dòng)用的示意圖。
圖6是說明多晶金剛石層中發(fā)生的光電子在該層內(nèi)振動(dòng)用的示意圖。
圖8是圖7所示的本發(fā)明的透射型光電陰極的剖面圖及與其對(duì)應(yīng)的能帶圖。
圖9是表示備有本發(fā)明的透射型光電陰極的第一實(shí)施例(H/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線(之一)。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示測定的量子效率Q.E.(％)。
圖10是表示備有本發(fā)明的透射型光電陰極的第一實(shí)施例(H/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線(之二)。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示根據(jù)入射面板對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)。
圖11是表示本發(fā)明的反射型光電陰極的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖12是表示備有圖11所示的本發(fā)明的反射型光電陰極的電子管結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖13是表示備有本發(fā)明的反射型光電陰極的第一實(shí)施例(CsO，KO，RbO/H/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示根據(jù)入射面板對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)，是將CsO、KO、RbO分別作為活化層時(shí)繪制的曲線。
圖14是表示備有本發(fā)明的透射型光電陰極的第二實(shí)施例的電子管結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖15是表示備有本發(fā)明的透射型光電陰極的第二實(shí)施例(Cs/H/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示測定的量子效率Q.E.(％)。
圖16是表示備有本發(fā)明的透射型光電陰極的第三實(shí)施例(Cs/O/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示測定的量子效率Q.E.(％)。
圖17是表示備有本發(fā)明的反射型光電陰極的第二實(shí)施例(CsO/H/Diamond，p-Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示根據(jù)入射面板對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)，是在摻入p型雜質(zhì)的多晶金剛石層和不摻入p型雜質(zhì)的多晶金剛石層的情況下繪制的曲線。
圖18是圖17所示的實(shí)施例中根據(jù)對(duì)摻入p型雜質(zhì)的多晶金剛石層測定的量子效率Q.E.(％)和根據(jù)入射面板對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)繪制的曲線。
圖19是說明來自摻入p型雜質(zhì)的多晶金剛石層的光電子發(fā)射過程用的能帶圖。
圖20是說明來自未摻入p型雜質(zhì)的多晶金剛石層的光電子發(fā)射過程用的能帶圖。
圖21是表示為了確認(rèn)其穩(wěn)定性而對(duì)圖17所示的備有本發(fā)明的反射型光電陰極的第二實(shí)施例(CsO/H/p-Diamond)的一部分測定的備有第二實(shí)施例的反射型光電陰極的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示測定的量子效率Q.E.(％)，是在焙燒前和焙燒后的情況下繪制的曲線。
圖22是表示備有本發(fā)明的反射型光電陰極的第三實(shí)施例(CsO/O/p-Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線(之一)。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示測定的量子效率Q.E.(％)，是在焙燒前和焙燒后的情況下繪制的曲線。
圖23是表示備有本發(fā)明的反射型光電陰極的第三實(shí)施例(CsO/O/p-Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線(之二)。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示根據(jù)入射面板對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)，是在焙燒前和焙燒后的情況下繪制的曲線。
圖24是表示適用本發(fā)明的透射型光電陰極的端窗式光電倍增管(電子管)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖25是表示適用本發(fā)明的反射型光電陰極的側(cè)窗式光電倍增管(電子管)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖26是表示適用熒光膜的圖象增強(qiáng)管(電子管)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖27是表示適用固體攝象器件的攝象管(電子管)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
以下說明本發(fā)明的實(shí)施例。另外，圖中同一部分標(biāo)以同樣的符號(hào)，重復(fù)的說明從略。
首先，本發(fā)明的光電陰極的特征在于備有多晶金剛石薄膜(多晶金剛石層)。另外，本發(fā)明的光電陰極是發(fā)射由規(guī)定波長的入射光(被檢測光)從價(jià)電子帶激發(fā)到導(dǎo)帶上的光電子的電極，能適用于檢測規(guī)定波長的光等用的光電倍增管、圖象增強(qiáng)管等各種電子管。另外，該光電陰極包含在對(duì)被檢測光具有透射性的基片上形成的從與該被檢測光入射的面相對(duì)的面發(fā)射光電子的透射型光電陰極；以及設(shè)在遮住被檢測光的基片上、從被檢測光入射的面發(fā)射光電子的反射型光電陰極。
在該光電陰極中，通過利用多晶金剛石構(gòu)成主要層，能獲得比現(xiàn)有技術(shù)(單晶金剛石薄膜)高的量子效率。即，在一般的光電陰極中，由入射的被檢測光激發(fā)的光電子向所有的方向擴(kuò)散。而且，在該光電陰極內(nèi)部只有那些經(jīng)過反復(fù)散射、最后到達(dá)該光電陰極的表面上的光電子才被發(fā)射到真空中(設(shè)置光電陰極的真空容器的內(nèi)部)。
如圖5所示，在單晶金剛石的光電陰極中，從受激位置發(fā)射后到達(dá)表面位置的光電子運(yùn)行的距離一般變長。這是因?yàn)樵谑芗さ墓怆娮又?，相?duì)于表面來說，向水平方向或相反一側(cè)擴(kuò)散的光電子到達(dá)表面的運(yùn)行距離顯著變長，結(jié)果是從該光電陰極的表面發(fā)射的光電子的數(shù)變少，量子效率變低。
另一方面，如圖6所示，在多晶金剛石的光電陰極的情況下，成為受激的光電子的發(fā)射面的各晶粒界面存在于光電子的各擴(kuò)散方向，所以與單晶金剛石的情況相比，光電子從受激位置到晶體界面(光電子發(fā)射的面)的運(yùn)行距離變短。因此，比從該單晶金剛石的光電陰極發(fā)射的光電子數(shù)多，能獲得更高的量子效率。
其次，說明本發(fā)明的透射型光電陰極的第1實(shí)施例。圖7是表示應(yīng)用本發(fā)明的透射型光電陰極的第1實(shí)施例(表面是用氫進(jìn)行過最終處理的多晶金剛石薄膜，H/Diamond)的電子管10的結(jié)構(gòu)剖面圖。
該電子管檢測波長在200nm以下的紫外光、即被檢測光。另外，在該電子管10中，設(shè)置該透射型光電陰極30的入射面板31固定在框體的一端，框體的另一端用玻璃進(jìn)行氣密密封，構(gòu)成真空容器20。對(duì)透射型光電陰極30施加正電壓的陽極40與透射型光電陰極30相對(duì)設(shè)置在真空容器20內(nèi)部，從真空容器20的下面延伸出一端連接在陽極40上的引線插腳50a、50b。
在該實(shí)施例中，作為被檢測光，以波長在200nm以下的紫外光為對(duì)象，所以在電子管10中所用的入射面板31不能使用迄今廣泛使用的硼硅玻璃。因?yàn)榕鸸璨Ａ?duì)于波長在300nm以下的光不透明。因此，作為這樣的被檢測光的入射面板31，例如有氟化鎂(MgF2)或氟化鋰(LiF)?？墒?，由于LiF有潮解性，在化學(xué)穩(wěn)定性方面有問題(容易引起特性變壞)，在目前情況下可以使用MgF2。
該透射型光電陰極30與現(xiàn)有的單晶金剛石薄膜不同，它是厚約5μm的多晶金剛石薄膜。而且，透射型光電陰極30的多晶金剛石薄膜與現(xiàn)有的CsI光電陰極不同，它是真空能帶(VL)對(duì)導(dǎo)帶(CS)的底部能量的能量差、即電子親和力為負(fù)的NEA光電陰極。另外，多晶金剛石薄膜的導(dǎo)電類型最好是摻雜硼(B)等雜質(zhì)的P型。如果使多晶金剛石薄膜的導(dǎo)電類型為p型，則由于多晶金剛石薄膜的導(dǎo)帶彎曲，所以光電子到其發(fā)射表面的運(yùn)行變得容易。更好的方法是利用氫32使多晶金剛石薄膜表面(光電子發(fā)射面)上未結(jié)合的碳成進(jìn)行最終處理，降低該多晶金剛石薄膜的功函數(shù)。
如圖7及圖8所示，當(dāng)被檢測光(hν)入射到備有這樣的透射型光電陰極30(H/Diamond)的電子管10中的入射面板31上時(shí)，凡是在特定波長以下的光成分(入射面板31的吸收帶的光成分)被入射面板31吸收。另外，透過入射面板31的被檢測光到達(dá)透射型光電陰極30被吸收，在形成電子-正孔對(duì)后，發(fā)生光電子(e*-)。由于受到擴(kuò)散或多晶金剛石薄膜內(nèi)形成的內(nèi)部電場的作用，所發(fā)生的光電子到達(dá)具有負(fù)電子親和力的金剛石薄膜表面上。因此，光電子容易從金剛石薄膜表面發(fā)射。另外，多晶金剛石薄膜表面經(jīng)過用氫32進(jìn)行最終處理時(shí)，與未進(jìn)行過氫最終處理時(shí)相比，其功函數(shù)下降，所以光電子更容易在真空中(光電陰極30的外部、真空容器20內(nèi))發(fā)射。發(fā)射的光電子被收集到對(duì)透射型光電陰極30施加正電壓的陽極40上，并作為電信號(hào)從引線插腳50a、50b取出到真空容器20的外部。
本發(fā)明者們測定了備有這樣的透射型光電陰極30的電子管10的分光靈敏度特性。圖9示出了備有本發(fā)明的透射型光電陰極(第1實(shí)施形態(tài))的第1實(shí)施例(表面經(jīng)過用氫進(jìn)行最終處理金剛石薄膜，以下用H/Diamond表示)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在該曲線圖中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示實(shí)際測定的量子效率Q.E.(％)。
如該曲線所示，在表面為氫終端的多晶金剛石薄膜(H/Diamond)中，能獲得量子效率Q.E.在12％以上的較高的值，再現(xiàn)性好。另外，圖10是表示在圖9所示的第1實(shí)施例的多晶金剛石薄膜(H/Diamond)的曲線圖中，用縱軸表示根據(jù)入射面板31對(duì)被檢測光的吸收率修正過的該光電陰極本身的量子效率Q.E.(％)。由圖10可知，該H/Diamond光電陰極(用氫進(jìn)行過最終處理的多晶金剛石薄膜)本身的量子效率Q.E.為24％左右。另外，本發(fā)明者們將其與非摻雜的多晶金剛石薄膜的情況進(jìn)行了比較，已確認(rèn)p型多晶金剛石薄膜(H/Diamond)的量子效率約提高2倍。另外，即使將透射型光電陰極30作成被檢測光入射的面和光電子發(fā)射的面相同的所謂反射型光電陰極，其分光靈敏度特性在本質(zhì)上與透射型光電陰極相同。另外，多晶金剛石薄膜的表面不用氫進(jìn)行最終處理的量子效率與用氫進(jìn)行最終處理的多晶金剛石薄膜相比較，前者低。
這樣，多晶金剛石的透射型光電陰極30之所以能獲得較高的量子效率，是因?yàn)槎嗑Ы饎偸∧さ牧竭_(dá)數(shù)μm，所以其表面上的凹凸變大，可以認(rèn)為這就是其原因所在。即，如上所述，被檢測光受該凹凸的作用而被折射、散射，其光路變長，實(shí)際上增加了光吸收效率，所以產(chǎn)生的光電子增多。另外，由于該薄膜由粒狀物構(gòu)成，所以從各粒狀物發(fā)射的光電子的行進(jìn)距離變短，故光電子到達(dá)發(fā)射表面的效率也增加，這一點(diǎn)是清楚的。因此，到達(dá)電子親和力大致為零或負(fù)的多晶金剛石薄膜表面的光電子基本上能逸出到真空中(真空容器20內(nèi))。因此，受被檢測光的吸收率及光電子到達(dá)表面的效率支配的透射型光電陰極30具有高的量子效率。
另外，應(yīng)注意，本發(fā)明的光電陰極與場致發(fā)射元件(場發(fā)射極)本質(zhì)上不同。
一般來說，稱之為場發(fā)射極的器件是通過將強(qiáng)電場(＞106V/cm)加在金屬或半導(dǎo)體表面上，如圖4所示，利用隧道效應(yīng)將費(fèi)米能帶的電子發(fā)射到真空中(設(shè)有場發(fā)射極的真空空間)。即，由圖4可知，發(fā)射的電子是費(fèi)米能帶的電子，不是由光從價(jià)電子帶激發(fā)到導(dǎo)帶的電子、即不是所謂的光電子。另外，圖4是說明場發(fā)射極的電子發(fā)射過程用的能帶圖。
另一方面，如圖8或圖1及圖2所示，本發(fā)明的光電陰極是將由入射光從價(jià)電子帶激發(fā)到導(dǎo)帶的光電子發(fā)射到真空中的電極，它與利用隧道效應(yīng)將費(fèi)未能帶的電子發(fā)射到真空中的場發(fā)射極有本質(zhì)的不同。另外，以其說在表面上存在強(qiáng)電場不一定是絕對(duì)的條件，倒不如說是由于強(qiáng)電場產(chǎn)生的場致發(fā)射電子受光電陰極作用形成暗電流，從而使性能下降。
因此，具有金剛石半導(dǎo)體層的場發(fā)射極和本發(fā)明的光電陰極屬于完全不同的技術(shù)范圍，兩者無關(guān)。
其次，說明這樣的透射型光電陰極30的形成及備有它的電子管10的制造方法。首先，將陽極40預(yù)先用玻璃設(shè)置在成為真空容器20的本體的框體內(nèi)部。這時(shí)，設(shè)有開口部21，以便對(duì)真空容器20內(nèi)部進(jìn)行真空抽氣。其次，為了形成透射型光電陰極30，例如采用備有由微波進(jìn)行激勵(lì)的等離子體放電室(圖中未示出)的微波等離子體CVD(Chemical Vapour Deposition化學(xué)氣相淀積)法，在入射面板31上形成多晶金剛石薄膜。即，將入射面板31配置在等離子體放電室內(nèi)，并將例如含有CO及H2的原料氣體導(dǎo)入該等離子體放電室內(nèi)。然后，利用微波使該等離子體放電室內(nèi)的原料氣體放電分解，于是在入射面板31上淀積出多晶金剛石薄膜。另外，為了使多晶金剛石薄膜成為p型半導(dǎo)體層，淀積時(shí)按規(guī)定的比例導(dǎo)入乙硼烷(B2H6)。特別是為了進(jìn)行合適的摻雜，淀積時(shí)最好取碳和硼的供給比為10∶1。
另外，在多晶金剛石半導(dǎo)體中進(jìn)行硼摻雜形成p型半導(dǎo)體未必是必要的，但為了獲得更高的量子效率，這樣做是好的。另外，在形成多晶金剛石薄膜時(shí)，在本實(shí)施例中采用了微波等離子體CVD，但形成方法不限于此，例如也可以用熱燈絲法等形成。
接著，將作為所獲得的透射型光電陰極30的多晶金剛石薄膜放置在氫氣氛中持續(xù)數(shù)分鐘，用氫將該薄膜表面處理成終端。
此后，將一端用氫進(jìn)行最終處理的多晶金剛石薄膜(H/Diamond)的透射型光電陰極30取出到大氣中后，將入射面板31安裝到框體的一端。再從開口部21進(jìn)行真空抽氣，使真空容器20內(nèi)部達(dá)到約1×10-8乇左右、最好在1×10-10乇以下，在這種超高真空的狀態(tài)下，用約200℃進(jìn)行數(shù)小時(shí)的脫氣處理。由于該透射型光電陰極30的表面很容易受殘留氣體等的影響，所以作為維持具有有關(guān)性能的NEA透射型光電陰極30的條件，是要求其表面的達(dá)到原子能帶的純凈度。此后，通過對(duì)真空容器20進(jìn)行的切修處理(在不破壞真空容器20內(nèi)的真空狀態(tài)的條件下，將插進(jìn)真空抽氣裝置內(nèi)安裝真空容器20的開口部21從該真空抽氣裝置上切下來)，封住開口部21，獲得所希望的電子管10。
另外，在用氫對(duì)多晶金剛石薄膜表面進(jìn)行最終處理時(shí)，不受上述限定。即，將形成了多晶金剛石薄膜的入射面板31安裝在真空容器20上之后，將真空容器20內(nèi)部抽成約1×10-8乇的真空狀態(tài)，在約200℃的溫度下進(jìn)行數(shù)小時(shí)的脫氣處理。此后，將約1×10-3乇的氫導(dǎo)入真空容器20內(nèi)，另外，通過將透射型光電陰極30加熱到約300℃，用氫對(duì)表面進(jìn)行最終處理。被封入了構(gòu)成電子管10的真空容器20內(nèi)的氫能使多晶金剛石薄膜表面呈化學(xué)穩(wěn)定。此后，對(duì)真空容器20進(jìn)行切修處理，能獲得工作非常穩(wěn)定的電子管10。這樣獲得的電子管10也與上述的電子管10一樣，能獲得量子效率達(dá)12％以上(根據(jù)入射面板31的吸收率修正過的光電陰極本身的量子效率在24％以上)的高靈敏度，其再現(xiàn)性也好。
但是，重要的是被封入的氫的分壓至少要比1×10-3乇低，且比1×10-6乇高。這是因?yàn)楫?dāng)氫的分壓比1×10-3乇高時(shí)，電子管10內(nèi)產(chǎn)生放電的可能性變大。另一方面，當(dāng)比1×10-6乇低時(shí)，氫從多晶金剛石薄膜表面脫離后，再吸附則需要很長的時(shí)間。因此，真空容器20內(nèi)的其它殘留分子便被吸附在多晶金剛石薄膜表面上，就會(huì)使失掉封入氫的效果的可能性增大。
本發(fā)明的透射型光電陰極30不限于上述實(shí)施例。在上述的透射型光電陰極30(H/Diamond)的情況下，為了降低其功函數(shù)，用氫將多晶金剛石薄膜表面進(jìn)行最終處理。另外，為了進(jìn)一步降低該透射型光電陰極30的表面的功函數(shù)，還可以在用氫進(jìn)行過最終處理的多晶金剛石薄膜表面上設(shè)置Cs等堿金屬或其化合物的活性層(例如Cs/H/Diamond)。但是，雖然舉出了Cs作為堿金屬的一個(gè)示例，但該活性層不受此限，也可以是其它堿金屬，例如K、Rb、Na等。另外，該活性層即使是堿金屬的氧化物或氟化物等化合物層，也能獲得同樣的作用和效果。再者，也可以將由上述堿金屬或這些氧化物或氟化物組合而成的多組有源層用于該透射型光電陰極30上。
以下涉及到本發(fā)明的反射型光電陰極，首先說明多晶金剛石薄膜的合成方法及該反射型光電陰極的制造方法。
如圖11所示，準(zhǔn)備好市售的厚為0.5mm左右的廉價(jià)的Si(100)基片600，利用低壓微波等離子體CVD，在該Si基片600上合成厚度為5μm的硼(B)摻雜的多晶金剛石薄膜610(p-Diamond)。具體地說，用CH4作為原料氣體，用B2H6作為摻雜劑氣體，將這些氣體與H2混合后供給。合成溫度為850℃，反應(yīng)壓力為50乇，微波輸出功率為1.5W，成膜速度為0.5μm/h。成膜結(jié)束后，在只停止供給原料氣體CH4和摻雜劑氣體B2H6的狀態(tài)下，保持約5分鐘，獲得表面進(jìn)行過氫最終處理的p型多晶金剛石薄膜610(H/p-Diamond)。
接著，將合成后的試樣從低壓微波CVD裝置中取出，裝入圖12所示的電子管11(光電管)。該電子管11由以下各部分構(gòu)成Si(100)基片600和構(gòu)成在其上面合成的反射型光電陰極650的一部分的多晶金剛石薄膜610、在多晶金剛石薄膜610的表面上形成的活性層620、收集放出的光電子用的環(huán)狀氧極112、由成為入射光(被檢測光)的窗的對(duì)紫外光透明的材料即MgF2構(gòu)成的入射窗113、由玻璃管構(gòu)成的真空容器110、光電陰極650、分別與陽極112導(dǎo)通用的埋置在真空容器110的一部分中的引線插腳114a、114b及Cs空心管111管和與該Cs空心管111作導(dǎo)電連接的引線插腳114c。而且，該電子管11通過開口部21安裝在真空抽氣裝置上，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行抽氣，使其達(dá)到約10.8torr的真空度，然后在約200℃進(jìn)行脫氣烘焙。
另外，為了降低進(jìn)行過氫最終處理的p型金剛石薄膜610(H/p-Diamond)的表面的功函數(shù)，通過交替供給Cs和O2，在該p型金剛石薄膜610(H/p-Diamond)形成單原子層的程度CsO活性層620，獲得該光電陰極650(CsO/H/p-Diamond)。另外，通過通電加熱市售的Cs空心管111供給Cs，通過泄流閥向電子管110內(nèi)泄放高純度的O2，就能簡單地形成CsO活性層620。這時(shí)，一邊照射紫外光，一邊監(jiān)視來自陽極112的光電子發(fā)射電流，就能將CsO活性層620控制在再現(xiàn)性好的最佳厚度。然后，封閉電子管11的開口部21。
圖13所示是采用這樣的方法獲得的電子管11的紫外區(qū)分光靈敏度特性。入射光通過設(shè)在真空容器110的一部分上的由MgF2構(gòu)成的窗113(入射面板)到達(dá)反射型光電陰極650，被該反射型光電陰極650的多晶金剛石薄膜610吸收，激發(fā)光電子。被激發(fā)的光電子通過擴(kuò)散到達(dá)多晶金剛石薄膜610的表面。這時(shí)，多晶金剛石薄膜610的表面由于活性層620的作用，使表面功函數(shù)下降，所以光電子能容易逸出到真空中。實(shí)際上如圖13所示，本發(fā)明者們確認(rèn)了在活性層620為CsO的光電陰極(CsO/H/p-Diamond)的情況下，量子效率最高為90％，在活性層620為RbO的光電陰極(RbO/H/p-Diamond)的情況下，最高為80％，而且，在活性層620為KO的光電陰極(KO/H/p-Diamond)的情況下，最高為70％，能得到非常高的量子效率。另外，圖13中的縱軸表示的量子效率是根據(jù)MgF2入射面板113在紫外區(qū)的透射率修正過的純多晶金剛石薄膜610的量子效率Q.E.(％)。該值獲得了遠(yuǎn)比在Himpsel文獻(xiàn)中報(bào)告的天然單晶金剛石對(duì)同樣的入射光子能量(eV)的量子效率20％高得多的量子效率，突出表現(xiàn)出本發(fā)明的有效性。可以認(rèn)為，這是由于將本發(fā)明的光電陰極制成了表面積大的多晶金剛石薄膜，與表面平坦的單晶金剛石薄膜相比較，是由于入射光激發(fā)的光電子到達(dá)發(fā)射表面的幾率增大的原因所致。進(jìn)一步說，也可以認(rèn)為入射光在薄膜中的各晶粒界面上散射，吸收率增加，但可以認(rèn)為是由于由堿金屬及其氧化物構(gòu)成的活性層的作用使功函數(shù)進(jìn)一步下降產(chǎn)生的效果很大。
這樣，在本發(fā)明的光電陰極650中，由于該光電陰極650備有多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料，同時(shí)在該多晶金剛石薄膜610上還備有由使其表面的功函數(shù)下降的堿金屬或其氧化物構(gòu)成的活性層620，所以與采用現(xiàn)有的單晶金剛石的光電陰極相比，價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，而且能實(shí)現(xiàn)性能更高的光電陰極。
另外，在上述反射型的光電陰極650中，適合使用B摻雜的P型多晶金剛石薄膜610。作為該反射型的光電陰極650，為了提高量子效率，使用了P型的多晶金剛石薄膜，但不一定只限于p型。另外，將在后文說明，如果采用本發(fā)明者們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，則未摻雜的多晶金剛石薄膜與B摻雜的P型多晶金剛石薄膜相比較，只能獲得約1/2左右的量子效率。
另外，上述的反射型光電陰極650，其多晶金剛石薄膜610的表面用氫進(jìn)行過最終處理。為了確保化學(xué)穩(wěn)定性，最好是用氫進(jìn)行最終處理的光電陰極，但從光電子發(fā)射效率的觀點(diǎn)來看，不受此限，即使特意不進(jìn)行表面最終處理，也能獲得同樣的效果。
另外，在上述的光電陰極650中，Si基片600上的多晶金剛石薄膜610是用微波等離子體CVD合成的，但基片不限于Si，也可以是其它半導(dǎo)體、金屬等。可是，為了獲得再現(xiàn)性好的、所希望的特性的光電陰極，最好采用晶質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定且便宜的Si。另外，本發(fā)明的光電陰極最好全部由多晶金剛石構(gòu)成，但即使一部分不是多晶的，例如含有石墨或金剛石類石墨成分，也能獲得某種程度的效果。因此，本發(fā)明的光電陰極并非只限定于完全由多晶金剛石薄膜構(gòu)成。
另外，除了基片以外，以上的應(yīng)用例也能適用于本發(fā)明的透射型光電陰極(在透射型光電陰極的情況下，MgF2入射面板即為基片)。及在表面上設(shè)有不摻雜的多晶金剛石薄膜的Si基片。然后，將準(zhǔn)備好的這些Si基片裝入具有與圖12所示的電子管同樣的MgF2入射面的電子管中，同時(shí)經(jīng)過200℃烘焙后，在H2分壓為5×10-3乇、溫度為350℃的條件下，用熱燈絲法使多晶金剛石薄膜表面為經(jīng)過氫處理的終端。此后，在室溫下，以低壓Hg燈為光源，用Cs和O使真空容器內(nèi)設(shè)置的多晶金剛石薄膜表面活化(在多晶金剛石薄膜上形成CsO活性層)，獲得反射型光電陰極的第2實(shí)施例的試樣(CsO/H/p-Diamond和CsO/H/Diamond)。另外，活化方法與GaAs的情況完全相同，是將Cs和O2交替地供給真空容器內(nèi)的Yo-Yo法。然后，將這些電子管從真空抽氣裝置上焊開后，測定了各電子管的分光靈敏度。
圖17是本發(fā)明的反射型光電陰極的第3實(shí)施例，分別表示裝入了具有B摻雜的p型多晶金剛石薄膜的試樣(CsO/H/p-Diamond)的電子管和裝入了具有不摻雜的多晶金剛石薄膜的試樣(CsO/H/Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。在圖17中，橫軸表示光子能量(eV)，縱軸表示實(shí)際測定的各試樣量子效率Q.E.(％)。另外，圖18是將具有p型多晶金剛石薄膜的試樣的實(shí)際測定的量子效率Q.E.(光子/電子)和根據(jù)MgF2入射面板的吸收率修正過的量子效率Q.E.(光子/電子)一并繪制的曲線圖。由圖17可知，作為最大靈敏度，B摻雜的試樣的量子效率Q.E.為49％，不摻雜的試樣的量子效率Q.E.為30％，獲得了非常高的值。兩者的量子效率Q.E.的不同之處，將在后文詳細(xì)說明，但不是由于表面狀態(tài)不同、而是由于金剛石內(nèi)的能帶彎曲的方向不同引起的。另外，達(dá)到49％的量子效率Q.E.即使是修正前的值，也相當(dāng)于CsI光電陰極的靈敏度的2倍左右。
其次，如果從實(shí)際的B摻雜的試樣的量子效率(圖18是根據(jù)窗口材料為MgF2入射面板的透射率修正的分光靈敏度特性曲線)，由于MgF2入射面板的透射率特別是在短波一側(cè)急劇下降，所以在波長為110～135nm附近修正后的最大靈敏度非常高，量子效率Q.E.為80～96％(參照?qǐng)D18)。它比在Himpsel等人在單晶金剛石的(111)面方面的報(bào)告中的在該波長區(qū)域內(nèi)的20％的值高得多。因此，可以認(rèn)為能實(shí)現(xiàn)理想的NEA光電陰極。
另外，如果估計(jì)多晶金剛石薄膜表面的電子親和力估計(jì)，閾值能量約為5.2eV，金剛石的Eg為5.5eV的至少為0.3eV的負(fù)親和力(NEA)。估計(jì)現(xiàn)有的只是經(jīng)過氫最終處理的表面稍微呈正值的電子親和力，可能隨場所的不同而成為NEA。在該實(shí)施例中，可以認(rèn)為再通過活化CsO(將CsO活性層設(shè)在多晶金剛石薄膜上)，則多晶金剛石薄膜表面幾乎全部為NEA，能獲得具有高量子效率Q.E.的試樣(光電陰極)。另外，經(jīng)過氫最終處理，該多晶金剛石薄膜表面等級(jí)變得非常低，所以可以認(rèn)為對(duì)于CsO/GaAs光電陰極上預(yù)計(jì)的真空等級(jí)之間沒有間隔的理想的NEA表面。
預(yù)計(jì)的多晶金剛石薄膜表面的能帶圖示于圖19及圖20。B摻雜的p型多晶金剛石薄膜和不摻雜的多晶金剛石薄膜的不同，在于由多晶金剛石薄膜內(nèi)的能帶彎曲的方向不同引起的光電子到達(dá)表面的幾率不同。因此，可以認(rèn)為與表面狀態(tài)無關(guān)，通常不摻雜的多晶金剛石薄膜與B摻雜的p型多晶金剛石薄膜相比較，變成1/2左右的QE。
以上的分光靈敏度測定結(jié)果是，B摻雜的試樣為49％(未經(jīng)修正)，不摻雜的試樣為30％(未經(jīng)修正)，可以認(rèn)為能獲得高的量子效率Q.E.。再者，根據(jù)MgF2入射面板的透射率修正的B摻雜的試樣的量子效率表現(xiàn)出80～95％的非常高的靈敏度，可知能實(shí)現(xiàn)理想的NEA光電陰極。
其次，為了確認(rèn)本發(fā)明的光電陰極的化學(xué)穩(wěn)定性，以下說明本發(fā)明者們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在以下的實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)備的試樣也是在Si基片上形成的反射型光電陰極。
所準(zhǔn)備的試樣是在上述Si基片上設(shè)置CsO/H/p-Diamond光電陰極，對(duì)裝入了該試樣的電子管進(jìn)行大氣泄流充氣。此后，再安裝到真空抽氣裝置上，在200℃進(jìn)行4小時(shí)的烘焙，不進(jìn)行任何處理就從真空抽氣裝置上進(jìn)行切修處理切開。然后，再次測定所獲得的電子管的分光靈敏度。
為了比較，圖21分別示出了烘焙前和烘焙后的CsO/H/p-Diamond光電陰極的實(shí)際測定的量子效率Q.E.(％)的曲線。由該曲線可知，烘焙后的CsO/H/p-Diamond光電陰極(本發(fā)明的反射型光電陰極的第3實(shí)施例)即使在大氣進(jìn)行泄流充氣后，在200℃進(jìn)行烘焙后，仍然具有最大靈敏度達(dá)30％的相當(dāng)高的量子效率Q.E。與大氣泄流充氣之前相比較，它相當(dāng)于大氣泄流充氣之前的6成的靈敏度。這一事實(shí)啟示我們，例如可以利用大型的真空裝置成批地進(jìn)行CsO的活化(在多晶金剛石薄膜上形成CsO活性層)，即使將其再次置于大氣中，進(jìn)行與光電倍增管等電子管的連接，僅只用在200℃進(jìn)行烘焙，作為光電陰極能獲得量子效率為30％的電子管，有使現(xiàn)有光電陰極的制造方法為之一新的、可期待的大量生產(chǎn)的可能性。當(dāng)然，不僅以光電陰極作為倍增極的2次電子面的制造方法也完全相同。即本發(fā)明的光電陰極與現(xiàn)有的GaAs等的NEA光電陰極完全不同，所以將以往對(duì)大氣和水非常敏感的光電陰極的常識(shí)完全否定了。
另外，任何一個(gè)試樣的估計(jì)的閾值能量都約為5.2eV，有很大的不同，電子親和力(NEA)呈負(fù)值。這一事實(shí)啟示我們，在這些光電陰極的表面上不存在烘焙產(chǎn)生的影響，兩者(烘焙前的試樣和烘焙后的試樣)的不同還在于這是由于吸附在它上面的水或有機(jī)物等的分子產(chǎn)生的光電子的撲獲造成的。就是說，這一事實(shí)啟示我們，存在這樣的可能性如果通過烘焙溫度的最優(yōu)化，將這些附著物再次除去，就能再次增大靈敏度，獲得原來的高量子效率Q.E.。
如上所述，所獲得的CsO/H/p-Diamond光電陰極，即使將其再次置于大氣中，此后在200℃進(jìn)行4小時(shí)的烘焙，能將靈敏度維持在烘焙前的靈敏度的60％左右，最高具有30％(相當(dāng)于根據(jù)MgF2入射面板的吸收率修正的量子效率的60％)的高量子效率Q.E.。因此，CsO被活化的多晶金剛石光電陰極在化學(xué)上相當(dāng)穩(wěn)定，可以充分確立全新的光電陰極或倍增極的2次電子面的批量生產(chǎn)技術(shù)。
再者，本發(fā)明者們還進(jìn)行了確認(rèn)經(jīng)過氧最終處理的試樣(具有多晶金剛石薄膜的光電陰極)的化學(xué)穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)。
所準(zhǔn)備的試樣是象上述那樣在Si基片上形成的表面經(jīng)過氫最終處理的多晶金剛石薄膜。一邊通過Ag管導(dǎo)入分壓為5×10-3乇的O2，一邊加熱該試樣，用O對(duì)其表面進(jìn)行最終處理后，交替導(dǎo)入Cs和O，進(jìn)行表面活化(形成CsO活性層)。此后，將所獲得的電子管從真空抽氣裝置上經(jīng)過切修處理切開，并進(jìn)行了分光靈敏度的測定。另一方面，對(duì)該光電管進(jìn)行大氣泄流棄氣之后，再安裝到真空抽氣裝置上，在200℃進(jìn)行4小時(shí)的烘焙，不進(jìn)行任何處理就從真空抽氣裝置上經(jīng)過切修處理切開，并對(duì)該切開后的電子管也進(jìn)行了分光靈敏度的測定。
為了比較，圖22示出了切開前后的安裝了本發(fā)明的反射型光電陰極的第4實(shí)施例(CsO/O/p-Diamond)的電子管的分光靈敏度特性曲線。另外，在該曲線圖中，縱軸表示實(shí)際測定的量子效率Q.E.(％)。另外，圖23是用根據(jù)MgF2入射面板的吸收率修正圖22中所示測定的量子效率Q.E.后的值(量子效率Q.E.)繪制的曲線圖。
由這些曲線可知，通過在進(jìn)行過氧最終處理的多晶金剛石薄膜上也用Cs進(jìn)行活化(形成CsO活性層)，能獲得最大為26％的相當(dāng)高的靈敏度。當(dāng)然這比用氫進(jìn)行最終處理時(shí)的量子效率49％低，但如果用MgF2入射面板的透射率修正的話，則變成接近40％的值，可以說是相當(dāng)高的值(量子效率Q.E.)。
此外，上述CsO/O/p-Diamond光電陰極即使在進(jìn)行大氣泄流充氣后，在200℃進(jìn)行烘焙的情況下，具有幾乎與大氣泄流充氣前相同的量子效率Q.E。這比經(jīng)過氫最終處理的試樣的得到的值的約6成左右的恢復(fù)率還高。結(jié)果是，不管是經(jīng)過氫最終處理的光電陰極，還是經(jīng)過氧最終處理的光電陰極，如果將它們?nèi)〕龅酱髿庵泻笤?00℃進(jìn)行的烘焙，則能獲得大致相同的量子效率25～30％(由圖23可知，相當(dāng)于修正后的量子效率60％左右)。
另外，為了更詳細(xì)地評(píng)價(jià)穩(wěn)定性，有必要進(jìn)行處理?xiàng)l件的研究，以曝露在大氣中時(shí)間為參數(shù)，詳細(xì)地評(píng)價(jià)光電陰極的特性變動(dòng)等，但本發(fā)明的多晶金剛石光電陰極不管怎樣都與現(xiàn)有的堿性光電陰極或GaAs等的NEA光電陰極的性質(zhì)有很大的不同，已確認(rèn)其在化學(xué)上是穩(wěn)定的。以往，以光電陰極為代表的具有外部光電效應(yīng)的器件，其表面狀態(tài)非常敏感，所以受到微量氣體或離子的影響，其特性就會(huì)發(fā)生變化，這是一種本質(zhì)性的缺點(diǎn)?？墒?，可以認(rèn)為金剛石材料隨條件的不同，對(duì)表面狀態(tài)的敏感性非常遲鈍。因此，本發(fā)明與以往的內(nèi)部光電效應(yīng)器件相比，有可能成為涉及到外部光電效應(yīng)器件的缺點(diǎn)的化學(xué)穩(wěn)定性方面的重大成就。
如上所述?？梢源_認(rèn)CsO/O/p-Diamond光電陰極即使暫時(shí)曝露在大氣中，然后在200℃進(jìn)行4小時(shí)的烘焙，幾乎能100％地獲得烘焙前的靈敏度。這表示CsO/O/p-Diamond光電陰極是非常穩(wěn)定的，表明有可能成為涉及到以往的外部光電效應(yīng)器件的缺點(diǎn)的科學(xué)的穩(wěn)定性方面的重大成就。
另外，上述的實(shí)驗(yàn)雖然是對(duì)反射型光電陰極進(jìn)行的，但對(duì)于透射型光電陰極也能獲得同樣的靈敏度。
其次，說明備有本發(fā)明的透射型光電陰極的所謂行聚焦型光電倍增管(端窗式光電倍增管)。圖24是備有本發(fā)明的透射型光電陰極的電子管的結(jié)構(gòu)剖面圖。在該圖所示的光電倍增管13中，內(nèi)表面上設(shè)有透射型光電陰極30(經(jīng)過氫最終處理的多晶金剛石薄膜)的入射面板31被支持在構(gòu)成真空容器20的本體的框體的一個(gè)端部上，被檢測光(hν)沿圖中的箭頭所示的方向入射。該框體的另一端部用玻璃氣密封閉。另外，在真空容器20內(nèi)部封入了上述的規(guī)定壓力的氫。
陽極40設(shè)置在真空容器20內(nèi)的另一端部，在透射型光電陰極30和陽極40之間，靠近透射型光電陰極30設(shè)有使光電子匯聚的匯聚電極50，而且，在陽極40附近設(shè)有使從透射型光電陰極30發(fā)射出來的光電子依次倍增用的由多級(jí)倍增極60a～60h構(gòu)成的電子倍增部60。另外，雖然未進(jìn)行圖示，但通過分壓電路及引線，將相對(duì)于透射型光電陰極30為正的分壓施加在透射型光電陰極30、匯聚電極50、電子倍增部60及陽極40上，并且逐級(jí)分配電壓的大小，越靠近陽極40越增加電壓。例如，在第1級(jí)倍增極60a上施加相對(duì)于透射型光電陰極30約達(dá)數(shù)100V的正電壓，另外，加在電子倍增部60上的電壓也是越靠近陽極40越增加，各倍增極60a～60h上的正電壓逐級(jí)增加約100V。
當(dāng)波長為200nm以下的紫外光的被檢測光入射到這樣構(gòu)成的光電倍增管13上時(shí)，從透射型光電陰極30發(fā)射的光電子(e-)比現(xiàn)有的透射型光電陰極30發(fā)射的多。發(fā)射的光電子由匯聚電極50進(jìn)行匯聚，一邊加速一邊入射到第1級(jí)倍增極60a上。在第1級(jí)倍增極60a上發(fā)射出相當(dāng)于入射的光電子數(shù)的數(shù)倍的2次電子，接著一邊加速一邊入射到第2級(jí)倍增極60b上。第2級(jí)倍增極60b也與第1級(jí)倍增極60a一樣，發(fā)射2次電子。在電子倍增部60中，反復(fù)10次左右使2次電子倍增，于是從透射型光電陰極30發(fā)射的光電子最后成為增加到約1×106的2次電子束。從最后一級(jí)倍增極60h發(fā)射的2次電子束被陽極40收集，作為輸出信號(hào)電流被取出到外部。
一般來說，光電倍增管備有電子倍增部作為電子倍增裝置，但即使與量子效率Q.E.低的透射型光電陰極組合使用，也不能獲得很好的效果。即，在這樣的光電倍增管中，從接收了微弱光的透射型光電陰極幾乎不發(fā)射光電子，所以最初產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的光電信號(hào)不能被電子倍增部倍增，因此檢測效率降低。
另一方面，在備有本發(fā)明透射型光電陰極的光電倍增管13中，透射型光電陰極30即使接收了同樣的微弱光時(shí)，也能發(fā)射較多的光電子。因此，在光子計(jì)數(shù)方式中，即使產(chǎn)生光電信號(hào)的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，利用倍增極好的倍增功能，幾乎能消除不計(jì)數(shù)的光電子信號(hào)的影響。
另外，在上述電子管中，示出了使用倍增極作為電子倍增裝置的光電倍增管，但電子倍增裝置不限于此。例如，能使多束2維電子通過直徑為10μm左右的玻璃孔而使2次電子倍增的微通道板(以下稱MCP)及電子射入式二極管等也能獲得同樣的效果。另外，光電倍增管不限于上述的行聚焦式(端窗式)，例如也可以是使用反射型光電陰極的圓盒式(側(cè)窗式)等。
例如，圖25是備有本發(fā)明的反射型光電陰極的側(cè)窗式光電倍增管的結(jié)構(gòu)剖面圖。該側(cè)窗式光電倍增管14的基本結(jié)構(gòu)與圖24所示的端窗式光電倍增管13相同。因此，在該側(cè)窗式光電倍增管14中，反射型光電陰極650相對(duì)于被檢測光的入射方向傾斜設(shè)置，從該被檢測光的入射面上發(fā)射光電子。該發(fā)射的光電子被沿真空容器20的側(cè)壁按順序配置的各級(jí)倍增極60a～60i進(jìn)行倍增，由陽極40收集所得到的2次電子束。
另外，應(yīng)用本發(fā)明的光電陰極(包括透射型和反射型的任意類型)的電子管不限于只檢測微弱光的器件。例如，圖26所示的電子管是能檢測微弱的2維光學(xué)象的所謂圖象增強(qiáng)管。
在該圖象增強(qiáng)管15中，與上述光電倍增管13、14不同，透射型光電陰極30通過In金屬支持在構(gòu)成真空容器20的本體的框體的上端部分。另外，MCP61代替倍增極設(shè)置在真空容器20的框體的中央部分。另外，將相對(duì)于透射型光電陰極30達(dá)數(shù)100V的正電壓施加在MCP61上。再者，引線50a、50b的一端從MCP61的上面一側(cè)(以下稱″入射側(cè)″)及下面一側(cè)(以下稱″出射側(cè)″)穿過框體的側(cè)壁延伸。而且，倍增用的電壓通過引線50a、50b加在MCP61的入射側(cè)和MCP61的出射側(cè)之間。另外，光纖板41支持在真空容器20的框體的下端部上，在其內(nèi)表面上設(shè)有可對(duì)MCP61施加數(shù)kV左右的正電壓的熒光體42(熒光膜)。
制造這樣的圖象增強(qiáng)管15時(shí)，將安裝了透射型光電陰極30、MCP61的真空容器20的框體及支持熒光體42的光纖板41配置在超高真空室(圖中未示出)內(nèi)，進(jìn)行真空抽氣，直至1×10-10乇左右。然后，將壓力約達(dá)1×10- 3torr的氫導(dǎo)入該室中，并將透射型光電陰極30加熱到約300℃。于是用氫對(duì)該表面進(jìn)行最終處理。另外，將氫從小室內(nèi)排出，用上述的制造方法還可以在該經(jīng)過氫最終處理的透射型光電陰極30(多晶金剛石薄膜)上形成Cs活性層。其次，將光纖板41安裝在框體20的一端后，將壓力約達(dá)1×10-5乇的氫導(dǎo)入真空容器20內(nèi)部。然后，通過In金屬將透射型光電陰極30支持在框體的另一端，此后通過使透射型光電陰極30產(chǎn)生壓力變形進(jìn)行安裝，能獲得氣密封閉的圖象增強(qiáng)管15。
如圖26所示，當(dāng)作為被檢測光的2維光學(xué)象入射到該圖象增強(qiáng)管15中時(shí)，與該入射光對(duì)應(yīng)的光電子(e-)便從透射型光電陰極30發(fā)射到真空容器20的內(nèi)部空間(真空中)。此后，被發(fā)射出來的光電子加速入射到MCP61上，由MCP61將2次電子增加到約1×106倍。這樣將2次電子倍增后得到的2維電子圖像從與輸入側(cè)的入射位置對(duì)應(yīng)的輸出側(cè)的位置發(fā)射出去。構(gòu)成該2維電子圖像的各2次電子加速地入射到熒光體42上后，便在熒光體42上增強(qiáng)發(fā)光，顯示出與2維電子像相對(duì)應(yīng)的2維圖像。再通過支持熒光體42的光纖板41取出到外部進(jìn)行觀測。
在該實(shí)施例中，由于采用本發(fā)明的光電陰極，所以不僅對(duì)微弱光的檢測有效，而且對(duì)微弱光的位置檢測非常有效。
另外，在圖26所示的圖象增強(qiáng)管15中，雖然使用了MCP61作為倍增裝置，但不受此限，例如也可以使用電子射入型的二極管。另外，為了檢測2維光學(xué)像，也可以用具有CCD(固體攝象器件)的攝象管等代替使用熒光體42的圖象增強(qiáng)管。
圖27是備有將熒光體42代之以CCD(固體攝象器件)700的攝象管16的結(jié)構(gòu)剖面圖。在該攝象管16中，通過引線插腳701，將來自CCD700的電信號(hào)取出到外部。這樣，通過利用CCD700，由入射到光電陰極上的被檢測光形成的2維光學(xué)像，由于形成與該2維光學(xué)圖像相對(duì)應(yīng)的2維電子像的光電子被收容在CCD700的各像素中，所以通過引線插腳701，按時(shí)間序列輸出與上述2維光學(xué)象對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
另外，作為可應(yīng)用本發(fā)明的光電陰極的電子管，除了上述光電倍增管、圖象增強(qiáng)管及攝像管以外，還能應(yīng)用于條紋管等其它光檢測裝置。
如上所述，如果采用本發(fā)明，由于用多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成透射型光電陰極或反射型光電陰極，所以能更廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)具有比現(xiàn)有的光電陰極的量子效率高的光電陰極。另外，本發(fā)明的光電陰極經(jīng)過利用氫或氧對(duì)其表面進(jìn)行最終處理后，再設(shè)置由堿性金屬或其化合物構(gòu)成的活性層，進(jìn)一步降低表面適當(dāng)處理過的金剛石薄膜的功函數(shù)，所以能獲得更高的量子效率。
此外，通過將這樣的透射型及反射型光電陰極應(yīng)用于光電倍增管、圖象增強(qiáng)管、攝象管等電子管中，能實(shí)現(xiàn)微弱光的測量極其有效的器件。
權(quán)利要求
1.一種光電陰極，該光電陰極用于發(fā)射由規(guī)定波長的入射光從價(jià)電子帶激發(fā)到導(dǎo)帶上的光電子，其特征在于備有由多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成的第1層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電陰極，其特征在于上述第1層中的至少一側(cè)表面用氫進(jìn)行最終處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電陰極，其特征在于上述第1層中的至少一側(cè)表面用氧進(jìn)行最終處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中的任意一項(xiàng)所述的光電陰極，其特征在于在上述第1層上設(shè)置的層還備有由堿金屬或其化合物構(gòu)成的第2層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中的任意一項(xiàng)所述的光電陰極，其特征在于上述第1層的導(dǎo)電類型是p型。
6.一種電子管，其特征在于包括對(duì)規(guī)定波長的入射光具有透光性的入射面板；權(quán)利要求1～5中的任意一項(xiàng)所述的光電陰極；收容上述光電陰極，同時(shí)支持上述入射面板的容器；以及被收容在上述容器內(nèi)，直接或間接地收集從上述光電陰極發(fā)射的光電子用的陽極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子管，其特征在于上述光電陰極設(shè)在上述入射面板上，同時(shí)由該入射面板支持。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子管，其特征在于上述入射面板由至少對(duì)波長在200nm以下的紫外光有透光性的氟化鎂(MgF2)構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子管，其特征在于上述光電陰極設(shè)在對(duì)上述入射光具有遮光性的遮光構(gòu)件的與上述入射面板相對(duì)的面上，同時(shí)利用該遮光構(gòu)件支持。
10.根據(jù)權(quán)利要求6～9中的任意一項(xiàng)所述的電子管，其特征在于備有被收容在上述容器內(nèi)的電子倍增部，用來使從上述光電陰極發(fā)射的光電子聯(lián)級(jí)倍增，同時(shí)將所得到的2次電子導(dǎo)向上述陽極。
11.根據(jù)權(quán)利要求6～9中的任意一項(xiàng)所述的電子管，其特征在于上述陽極是熒光膜，它通過接收從上述光電陰極發(fā)射的與上述入射光對(duì)應(yīng)的光電子而發(fā)光，形成與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的2維電子像。
12.根據(jù)權(quán)利要求6～9中的任意一項(xiàng)所述的電子管，其特征在于上述陽極是固體攝象器件，它接收從上述光電陰極發(fā)射的與上述入射光對(duì)應(yīng)的光電子，輸出與該入射光的2維光學(xué)像相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求6～12中的任意一項(xiàng)所述的電子管，其特征在于上述容器內(nèi)封入了分壓在1×10-6～1×10-3乇范圍內(nèi)的氫。
全文摘要
本發(fā)明涉及能用于反射型及透射型的、且能獲得比單晶金剛石薄膜的量子效率高的光電陰極及裝備有它的電子管。本發(fā)明的光電陰極至少備有由多晶金剛石或以多晶金剛石為主要成分的材料構(gòu)成的第1層。在該光電陰極的應(yīng)用例中,上述第1層的表面用氫或氧進(jìn)行最終處理。在表面經(jīng)過用氫或氧最終處理的多晶金剛石薄膜上還可備有由堿性金屬或其化合物構(gòu)成的第2層。
文檔編號(hào)H01J43/08GK1177199SQ9711848
公開日1998年3月25日 申請(qǐng)日期1997年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月17日
發(fā)明者新垣實(shí), 廣畑徹, 菅博文, 山田正美 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社