阅读说明：本技术 电子倍增体 (Electron multiplier ) 是由 增子太地 西村�一 浜名康全 渡边宏之 于 2018-04-10 设计创作，主要内容包括：本实施方式涉及具有用于在更广的温度范围抑制电阻值变动且使该电阻值变动稳定的构造的电子倍增体。该电子倍增体中,由在与该基板的通道形成面一致或实质上平行的层形成面上二维地形成的Pt层来构成被基板和二次电子放出层夹着的电阻层,由此该电阻层实现以下范围内的温度特性：相对于温度20℃的电阻值,-60℃的电阻值为10倍以下且+60℃的电阻值为0.25倍以上。(The present embodiment relates to an electron multiplier having a structure for suppressing resistance value variation in a wider temperature range and stabilizing the resistance value variation. In the electron multiplier, the resistive layer sandwiched between the substrate and the secondary electron emission layer is formed by a Pt layer two-dimensionally formed on a layer formation surface that coincides with or is substantially parallel to the channel formation surface of the substrate, whereby the resistive layer realizes temperature characteristics in the following range: a resistance value at-60 ℃ of 10 times or less and a resistance value at +60 ℃ of 0.25 times or more, respectively, with respect to a temperature of 20 ℃.)

电子倍增体

技术领域

本发明涉及响应带电粒子的入射而放出二次电子的电子倍增体。

背景技术

作为具有电子倍增功能的电子倍增体，已知具有通道的电子倍增体或微通道板(Micro-Channel Plate，以下记为“MCP”)等电子设备。它们在电子倍增管(ElectronMultiplier Tube)、质谱仪、影像增强器、光电子倍增管(Photo-Multiplier Tube，以下记为“PMT”)等中使用。以往使用铅玻璃作为上述的电子倍增体的基体，但近年来谋求不使用铅玻璃的电子倍增体，对设置于无铅的基体的通道精度良好地进行二次电子放出面等的成膜的必要性增加起来。

作为能够进行这样的精密的成膜控制的技术，已知例如原子层沉积法(AtomicLayer Deposition，以下记为“ALD”)，使用该成膜技术制造出的MCP(以下记为“ALD-MCP”)公开在例如以下的专利文献1中。专利文献1的MCP中，作为在二次电子放出面的正下方形成的能够进行电阻值调整的电阻层，采用具有通过ALD法隔着Al₂O₃绝缘层形成有多个CZO(锌掺杂氧化铜纳米合金)导电层的层叠构造的电阻层。此外，专利文献2中公开了通过ALD法生成能够进行电阻值调整的膜，因而具有绝缘层和由W(钨)、Mo(钼)构成的多个导电层交替配置的层叠构造的电阻膜的生成技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第8,237,129号说明书

专利文献2：美国专利第9,105,379号说明书

发明内容

发明要解决的技术问题

发明人们对通过ALD法进行二次电子放出层等的成膜的以往的ALD-MCP进行了研究，结果发现了以下这样的技术问题。即，尽管上述专利文献1和2都没有言及，但通过发明人们的研究判明使用通过ALD法成膜的电阻膜的ALD-MCP与历来的使用Pb(铅)玻璃的MCP相比较，电阻值的温度特性不优异。特别是，影像增强器、装有MCP的PMT的使用环境温度从低温到高温范围广，需求使工作环境温度的影响小的ALD-MCP的开发。

另外，MCP的受到工作环境温度的影响的主要原因之一是上述这样的温度特性(该MCP的电阻值变动)。这样的温度特性是表示MCP中流动的电流(带电流(Strip电流))以何种程度依赖于MCP使用时的外部气温而变动的指标，电阻值的温度特性越优异，改变工作环境温度时MCP中流动的带电流的变动越小，MCP的使用温度环境越广。

本发明是为了解决上述这样的技术问题而完成的，其目的在于，提供具有用于在更广的温度范围内抑制电阻值变动且使该电阻值变动稳定的构造的电子倍增体。

用于解决技术问题的手段

为了解决上述的技术问题，本实施方式涉及的电子倍增体可应用于构成电子倍增通道的二次电子放出层等的成膜使用ALD法进行的微通道板(MCP)、通道倍增器等的电子设备，至少包括基板、二次电子放出层和电阻层。基板具有层叠上述二次电子放出层、电阻层等的通道形成面。二次电子放出层具有面对通道形成面的底面和与该底面相对且响应带电粒子的入射而放出二次电子的二次电子放出面。电阻层是由基板和二次电子放出层夹着的层，包含其电阻值具有正的温度特性的多个Pt块在与通道形成面一致或实质上平行的层形成面上以彼此隔开间隔的状态二维地配置的Pt(铂)层。特别是，电阻层具有以下范围内的温度特性：相对于温度20℃的电阻值，-60℃的电阻值为10倍以下且+60℃的电阻值为0.25倍以上。

另外，本发明涉及的各实施方式由以下的详细说明和附图能够进一步充分地理解。这些实施例仅是为了示例而示出的，不应认为是限定本发明的内容。

此外，本发明的进一步的应用范围通过以下的详细说明变得明确。但是，详细的说明和特定的实例是示出该发明的优选实施方式的例子，仅为了进行示例而示出，显然根据该详细的说明，本发明的范围中的各种变形和改良对于本领域技术人员而言是不言而喻的。

发明效果

根据本实施方式，按照包含由其电阻值具有正的温度特性的材料例如Pt构成的多个金属块以彼此隔开间隔的状态二维地配置的Pt层的方式，构成在二次电子放出层的正下方形成的电阻层，由此能够有效地使该电阻层的电阻值的温度特性提高。

附图说明

图1是表示能够应用本实施方式涉及的电子倍增体的各种电子设备的构造的图。

图2是表示本实施方式和比较例各自涉及的电子倍增体的各种剖面构造的例子的图。

图3是用于定量地说明本实施方式涉及的电子倍增体、特别是电阻层的温度与电导率的关系的图。

图4是表示包含膜厚不同的单一Pt层作为电阻层的样品各自的电导率的温度依赖性的图表。

图5是表示应用本实施方式涉及的电子倍增体的MCP样品和应用比较例涉及的电子倍增体的MCP样品各自的标准化电阻的温度特性(800V工作时)的图表。

图6是相当于本实施方式涉及的电子倍增体的测定用样品、相当于比较例涉及的电子倍增体的测定样品和应用本实施方式涉及的电子倍增体的MCP样品各自的通过XRD(X射线衍射：X-Ray Diffraction)分析而得到的图谱。

附图标记说明

1…MCP(微通道板)、2…通道倍增器、12…通道、100…基板、101…通道形成面、110…二次电子放出层、111…二次电子放出面、120…电阻层、121…Pt块(金属块)、130…基底层、140…层形成面。

具体实施方式

[本申请发明的实施方式的说明]

首先，分别单独列举本申请发明的实施方式的内容进行说明。

(1)本实施方式涉及的电子倍增体，作为其一个方式，可应用于构成电子倍增通道的二次电子放出层等的成膜使用ALD法进行的微通道板(MCP)、通道倍增器等的电子设备，至少包括基板、二次电子放出层和电阻层。基板具有层叠上述二次电子放出层、电阻层等的通道形成面。二次电子放出层由第一绝缘材料构成，并且具有面对通道形成面的底面和与该底面相对且响应带电粒子的入射而放出二次电子的二次电子放出面。电阻层是由基板和二次电子放出层夹着的层，包含作为其电阻值具有正的温度特性的材料，多个Pt块在与通道形成面一致或实质上平行的层形成面上以彼此隔开间隔的状态二维地配置的Pt层。特别是，电阻层具有以下范围内的温度特性：相对于温度20℃的该电阻层的电阻值，在-60℃的该电阻层的电阻值为10倍以下且+60℃的该电阻层的电阻值为0.25倍以上的范围内。

另外，电阻层包含1个或1个以上的Pt层，该Pt层是作为由其电阻值具有正的温度特性的金属材料构成的金属块，多个Pt块隔着在该电阻层的上侧配置的二次电子放出层的一部分(绝缘材料)以彼此相邻的状态在与通道形成面一致或实质上平行的层形成面上二维地配置的Pt层。此外，本说明书中，“金属块”意味着从层形成面看二次电子放出层侧时，以被绝缘材料完全包围的状态配置且分别显示出明确的结晶性的金属片。

(2)作为本实施方式的一个方式，优选电阻层具有以下范围内的温度特性：相对于温度20℃的该电阻层的电阻值，-60℃的该电阻层的电阻值为2.7倍以下且+60℃的该电阻层的电阻值为0.3倍以上。

(3)作为本实施方式的一个方式，优选构成Pt层的各Pt块具有在通过XRD分析得到的图谱中分别出现半高宽为角度5°以下的(111)面的峰值和(200)面的峰值的程度的结晶性。进一步，作为本实施方式的一个方式，优选构成Pt层的各Pt块具有在通过XRD分析得到的图谱中还出现半高宽为角度5°以下的(220)面的峰值的程度的结晶性。

(4)作为本实施方式的一个方式，该电子倍增体也可以包括设置于基板与二次电子放出层之间的基底层。在此情况下，基底层由第二绝缘材料构成，并且在面对二次电子放出层的底面的位置具有二维地配置Pt层的层形成面。另外，第二绝缘材料可以与第一绝缘材料相同，也可以与第一绝缘材料不同。

以上，该[本申请发明的实施方式的说明]的栏中列举的各方式，能够对剩余的所有方式中的各个方式应用，或者对这些剩余的方式的所有组合应用。

[本申请发明的实施方式的详细]

以下参照附图详细地对本申请发明涉及的电子倍增体的具体例进行说明。另外，本发明不限定于这些示例，由权利要求书表示，并且意图包含与权利要求书均等的意思和范围内的所有变更。此外，附图的说明中，对同一部件标注同一标记，省略重复的说明。

图1是表示能够应用本实施方式涉及的电子倍增体的各种电子设备的构造的图。具体而言，图1的(a)是表示能够应用本实施方式涉及的电子倍增体的MCP的代表性构造的局部截断图，图1的(b)是能够应用本实施方式涉及的电子倍增体的通道倍增器的剖面图。

图1的(a)所示的MCP1包括：具有作为电子倍增用的通道12发挥作用的多个贯通孔的玻璃基板；保护该玻璃基板的侧面的绝缘性环11；在玻璃基板的一个端面上设置的输入侧电极13A；和在玻璃基板的另一个端面上设置的输出侧电极13B。另外，输入侧电极13A与输出侧电极13B之间由电压源15施加规定的电压。

此外，图1的(b)的通道倍增器2包括：具有作为电子倍增用的通道12发挥作用的贯通孔的玻璃管；设置在玻璃管的输入侧开口部分的输入侧电极14；和设置在该玻璃管的输出侧开口部分的输出侧电极17。另外，该通道倍增器2中，输入侧电极14与输出侧电极17之间也由电压源15施加规定的电压。在对输入侧电极14与输出侧电极17之间施加规定的电压的状态下，当带电粒子16从通道倍增器2的输入侧开口入射到通道12内时，在该通道12内，重复进行与带电粒子16的入射相应的二次电子的放出(二次电子的级联倍增)。由此，从通道倍增器2的出射侧开口部分放出在通道12中被级联倍增的二次电子。该二次电子的级联倍增也在图1的(a)所示的MCP的各个通道12中进行。

图2的(a)是图1所示的MCP1的一部分(用虚线表示的区域A)的放大图。图2的(b)是表示图2的(a)中所示的区域B2的剖面构造的图，是表示本实施方式涉及的电子倍增体的剖面构造的一例的图。此外，图2的(c)与图2的(b)同样，是表示图2的(a)中所示的区域B2的剖面构造的图，是表示本实施方式涉及的电子倍增体的剖面构造的另一个例子的图。另外，图2的(b)和图2的(c)所示的剖面构造与图1的(b)所示的通道倍增器2的区域B1的剖面构造实质上一致(不过，图1的(b)中所示的坐标轴与图2的(b)和图2的(c)各自的坐标轴不一致)。

如图2的(b)所示，本实施方式涉及的电子倍增体的一例由以下构成：由玻璃或陶瓷构成的基板100；在该基板100的通道形成面101上设置的基底层130；在该基底层130的层形成面140上设置的电阻层120；和具有二次电子放出面111，并且以与基底层130一起夹着电阻层120的方式配置的二次电子放出层110。在此，二次电子放出层110由Al₂O₃、MgO等的第一绝缘材料构成。为了提高电子倍增体的增益，优选使用二次电子放出能力高的MgO。基底层130由Al₂O₃、SiO₂等的第二绝缘材料构成。由基底层130和二次电子放出层110夹着的电阻层120在基底层130的层形成面140上包含金属层，该金属层由以下构成：其电阻值具有正的温度特性且具有表现出明确的结晶性的程度的尺寸的金属块，和填充在这些金属块之间的绝缘材料(二次电子放出层110的一部分)。

另外，电阻层120也可以包含多个金属层。即，电阻层120也可以具有在基板100与二次电子放出层110之间隔着绝缘材料(作为具有层形成面的基底层发挥作用)设置有多个金属层的多层构造。不过，以下为了使说明简单化，作为一例，对存在于基板100的通道形成面101与二次电子放出面111之间的电阻层120的层数被限制为1的单层构造的电阻层进行说明。

构成电阻层120的材料优选Pt等其电阻值具有正的温度特性的材料。在此，金属块的结晶性能够用通过XRD分析得到的图谱来确认。例如在金属块为Pt的情况下，本实施方式中，如图6的(a)所示，得到至少在(111)面和(200)面具有半高宽成为角度5°以下的峰值的图谱。图6的(a)和图6的(b)中，Pt的(111)面用Pt(111)表示，Pt的(200)面用Pt(200)表示。

另外，图2的(b)所示的基底层130的存在不会影响该电子倍增体整体的电阻值的温度依赖性。因此，本实施方式涉及的电子倍增体的构造不限定于图2的(b)的例子，也可以具有图2的(c)所示那样的剖面构造。图2的(c)所示的剖面构造在基板100与二次电子放出层110之间没有设置基底层，这一点与图2的(b)所示的剖面构造不同，基板100的通道形成面101作为形成电阻层120的层形成面140发挥作用。图2的(c)中的其他构造与图2的(b)所示的剖面构造相同。

在以下的说明中，言及作为构成电阻层120的、电阻值具有正的温度特性的材料应用Pt的结构(单一的Pt层的例子)。

图3的(a)～图3的(c)是用于定量地说明本实施方式涉及的电子倍增体、特别是电阻层的温度与电导率的关系的图。特别是，图3的(a)是用于说明在基底层130的层形成面140上形成的单一的Pt层(电阻层120)的电子传导模型的模式图。此外，图3的(b)示出本实施方式涉及的电子倍增体的剖面模型的例子，图3的(c)示出本实施方式涉及的电子倍增体的剖面模型的另一个例子。

图3的(a)所示的电子传导模型中，在基底层130的层形成面140上，作为可存在自由电子的非定域化(delocalized)区域，构成单一的Pt层(包含于电阻层120)的Pt块121隔着不存在自由电子的定域化(localized)区域(例如与基底层130的层形成面140接触的二次电子放出层110的一部分)相距距离L_I。此外，作为本实施方式涉及的电子倍增体设想的模型的剖面构造如图3的(b)所示，由以下构成：基板100；在该基板100的通道形成面101上设置的基底层130；在该基底层130的层形成面140上设置的电阻层120；和具有二次电子放出面111，并且以与基底层130一起夹着电阻层120的方式配置的二次电子放出层(绝缘材料)110。图3的(c)示出作为本实施方式涉及的电子倍增体设想的模型的剖面构造的另一个例子。该图3的(c)的例子具有与图3的(b)所示的剖面构造相同的剖面构造，但在构成电阻层120的Pt块121的尺寸小，相邻的Pt块121间的间隔窄这一点与图3的(b)的例子不同。

基板100上形成的各Pt层中，在具有离散地存在的多个能级中的任一个能级的Pt块间填充有绝缘材料(例如Al₂O₃)，某Pt块121(非定域化区域)内的自由电子由于隧道效应移动到隔着绝缘材料(定域化区域)相邻的Pt块121(跳跃)。这样的二维的电子传导模型中，对于温度T的电导率(电阻率的倒数)σ由以下的式子给出。另外，由于对在层形成面140上二维地配置有多个Pt块121的层形成面140内的跳跃进行研究，所以以下限定于二维的电子传导模型进行考虑。

【数学式1】

σ：电导率(1/Ω)

σ₀：T＝∞的电导率

T：温度(K)

T₀：温度常数

k_B：玻尔兹曼系数

N(E_F)：状态密度

L_I：非定域化区域间的距离(m)

图4是基于上述的式子得到的拟合函数的图表(G410、G420)，并且是描绘实际测定到的多个样品的实测值而得到的图表。另外，图4中，图表G410表示在由Al₂O₃构成的基底层130的层形成面140上通过ALD形成厚度被调整为7“周期(cycle)”的量的Pt层，进一步通过ALD形成调整为20“周期”的量的厚度的Al₂O₃(二次电子放出层110)的样品的电导率σ，符号“○”是其实测值。其中，单位“周期”是意味着基于ALD的原子注入次数的“ALD周期”。通过调整该“ALD周期”能够控制所形成的原子层的层厚。此外，图表G420表示在由Al₂O₃构成的基底层130的层形成面140上通过ALD形成厚度被调整为6“周期”的量的Pt层，进一步通过ALD形成调整为20“周期”的量的厚度的Al₂O₃(二次电子放出层110)的样品的电导率σ，符号“△”是其实测值。由图4的图表G410和G420可知，即使在构成电阻层120的Pt块121平面地配置的结构中，将该电阻层120的厚度(由沿着层叠方向的Pt块121的平均厚度规定)设定得更厚可改善电阻层120的电阻值的温度特性。另外，本说明书中，Pt块的“平均厚度”意味着使在层形成面上二维地配置的多个金属块平整成平坦的膜状的情况下的该膜的厚度。

定性而言，在图3的(b)所示的模型的情况下，在基板100的通道形成面101与二次电子放出面111之间仅形成有单一的Pt层。即，本实施方式中，具有在通过XRD分析得到的图谱中至少在(111)面和(200)面可确认到半高宽为角度5°以下的峰值的程度的结晶性的Pt块121形成在层形成面140上。像这样，本实施方式中，导电区域限制在层形成面140内，并且由于隧道效应而在Pt块121间移动的自由电子的跳跃次数少。

另一方面，在图3的(c)所示的模型的情况下，与图3的(b)的例子比较，电阻层120具有各自具有小的尺寸并且相邻的Pt块121的间隔也窄的多个Pt块121二维地配置而成的构造。特别是，在小且间隔窄的多个Pt块121二维地配置而成的构造中，自由电子在相邻的Pt块121间移动的跳跃的次数变多。其结果是，与图3的(b)的例子比较，图3的(c)的例子中，电阻值的温度特性有变差的趋势。

接着，用图5和图6对应用本实施方式涉及的电子倍增体的MCP样品和应用比较例涉及的电子倍增体的MCP样品的比较结果进行说明。

准备的第一样品～第三样品中，第一样品具有在基板上依次设置有由Al₂O₃构成的基底层、单一的Pt层和由Al₂O₃构成的二次电子放出层的层叠构造。第一样品的基底层的厚度通过ALD被调整为100[周期]的量，Pt层的厚度通过ALD被调整为14[周期]的量，二次电子放出层的厚度通过ALD被调整为68[周期]的量。单一的Pt层(电阻层120)具有在Pt块121之间填充有绝缘材料(二次电子放出层的一部分)的构造。第二样品具有在基板上分别依次层叠有由Al₂O₃构成的基底层、由Pt层构成的10组的层叠构造(电阻层120)和由Al₂O₃构成的二次电子放出层的构造。在构成第二样品的层叠构造的各组中，由Al₂O₃构成的基底层的厚度通过ALD被调整为20[周期]的量，Pt层的厚度通过ALD被调整为5[周期]的量。此外，二次电子放出层的厚度通过ALD被调整为68[周期]的量。各Pt层具有在Pt块121之间填充有绝缘材料的构造。作为比较例的第三样品具有在基板上分别依次层叠有由Al₂O₃构成的基底层、由TiO₂层构成的48组的层叠构造(电阻层120)和由Al₂O₃构成的二次电子放出层的构造。在构成第三样品的层叠构造的各组中，由Al₂O₃构成的基底层的厚度通过ALD调整为3[周期]的量，TiO₂层的厚度通过ALD调整为2[周期]的量。此外，二次电子放出层的厚度通过ALD调整为38[周期]的量。

图5是表示具有上述这样的构造的本实施方式的第一样品和第二样品和比较例的第三样品各自的标准化电阻的温度特性(800V工作时)的图表。具体而言，图5中，图表G510表示第一样品的电阻值的温度依赖性，图表G520表示第二样品的电阻值的温度依赖性，图表G530表示第三样品的电阻值的温度依赖性。由图5可知，相对于图表G530的倾斜度，图表G520的倾斜度小，图表G510的倾斜度更小。即，电阻层120为单一的Pt层或具有由多个Pt层构成的多层构造的情况下，与包含由其他金属材料构成的金属层的电阻层相比较，电阻值的温度依赖性提高。进一步，即使在电阻层120包含Pt层的结构中，仅由单一的Pt层构成的电阻层的情况，与具有由多个Pt层构成的多层构造的电阻层相比较，电阻值的温度依赖性进一步提高(图表的倾斜度变小)。这样，根据本实施方式，温度特性在比比较例广的温度范围稳定。具体而言，当考虑将本实施方式涉及的电子倍增体向质量分析等技术领域应用时，例如可允许的温度依赖性是以温度20℃的电阻值为基准，-60℃的电阻值为10倍以下且+60℃的电阻值为0.25倍以上的范围(图5中所示的区域R1)。当考虑将本实施方式涉及的电子倍增体向影像增强器等技术领域应用时，可允许的温度依赖性更优选是以温度20℃的电阻值为基准，-60℃的电阻值为2.7倍以下且+60℃的电阻值为0.3倍以上的范围(图5中所示的斜线区域R2)。

图6的(a)是作为相当于本实施方式涉及的电子倍增体的测定用样品，在玻璃基板上形成有与MCP用的成膜同等的膜(使用Pt层的图3的(b)的模型)的样品，和作为相当于比较例涉及的电子倍增体的测定样品，在玻璃基板上形成有与MCP用的成膜同等的膜(使用Pt层的图3的(c)的模型)的样品各自的通过XRD分析得到的图谱。另一方面，图6的(b)是具有上述这样的构造的本实施方式的MCP样品的通过XRD分析得到的图谱。具体而言，在图6的(a)中，图谱G810表示本实施方式的测定样品的XRD图谱，图谱G820表示比较例的测定样品的XRD图谱。另一方面，图6的(b)是在去除本实施方式的MCP样品的Ni-Cr类合金(铬镍铁合金：注册商标“Inconel”)的电极后的XRD图谱。另外，图6的(a)和图6的(b)所示的图谱的测定条件设定为，X射线源管电压为45kV，管电流为200mA，X射线入射角为0.3°，X射线照射间隔为0.1°，X射线扫描速度为5°/min，X射线照射狭缝的长边方向的长度为5mm。

图6的(a)中，本实施方式的测定样品的图谱G810中，分别在(111)面、(200)面、(220)面出现半高宽为角度5°以下的峰值。另一方面，比较例的测定样品的图谱G820中，仅在(111)面出现峰值，该峰值的半高宽远大于角度5°(峰值形状钝化)。这样，与比较例相比，本实施方式中，构成电阻层120的Pt层中包含的各Pt块的结晶性大幅提高。

由以上的本发明的说明明确，可将本发明进行各种变形。不能认为这样的变形是脱离本发明的思想和范围的，所有对本领域技术人员而言显而易见的改良都包含在以下的权利要求书中。