JP4410027B2 - 光電陰極及び電子管 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を吸収して光電子を励起し、光電子を放出する光電陰極、及び光電陰極を備えた電子管に関するものである。

従来より、所定波長の光を検知するために用いられる光電陰極及びそれを備えた電子管が知られている。光電陰極は、所定波長の光を吸収して光電子を放出する光吸収層を有しており、光吸収層に光が入射されてこの光が光電子に変換されることによって、光を検知することができる。

従来の光電陰極としては、Ｃｓといったアルカリ金属を含む光吸収層を備えるもののほか、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰによるｐｎ接合を用いたもの（特許文献１参照）が実用化されている。図５は、特許文献１に開示された光電陰極１００の構成を示す断面図である。光電陰極１００は、ｐ型ＩｎＰからなる半導体基板１０１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなり半導体基板１０１の表面上に形成された光吸収層１０２と、ｐ型ＩｎＰからなり光吸収層１０２上に形成された電子放出層１０３と、ｎ型ＩｎＰからなり電子放出層１０３上に所定のパターンで形成されたコンタクト層１０４と、コンタクト層１０４上に形成された電極１０５と、半導体基板１０１の裏面上に形成された電極１０６とを備える。そして、電極１０５と電極１０６との間に電源１０７によって電圧が印加されることにより、光電陰極１００内部に電界が形成される。光吸収層１０２に光が入射すると、光吸収層１０２内部において光電子が励起される。光電子は電界によって加速され、電子放出層１０３を介して光電陰極１００の外部へ放出される。

なお、本発明に関連する技術としては、特許文献１の他にも例えば特許文献２〜４に開示されたものが挙げられる。
特許第２９２３４６２号公報 特開２００１−１７６３７８号公報 特開２００１−２０２８７３号公報 特開２００２−２７０８６１号公報

例えば特許文献１に開示された光電陰極では、光吸収層１０２において励起された光電子が、電子放出層１０３とコンタクト層１０４との間のｐ／ｎ接合によって生じる電界により光電陰極１００外部へ放出される。このとき、光電子の放出効率が高いほど、光電陰極における光電変換効率を高めることができる。本発明者らは、鋭意研究の末、効率よく光電子を放出可能な構造を見出した。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、入射光により励起された光電子を効率よく放出できる光電陰極及び電子管を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光電陰極は、入射光に応じて光電子を放出する光電陰極であって、入射光によって励起されて光電子を生成する光吸収層と、光吸収層の表面上に形成され、光吸収層から光電子を受け取って該光電子を放出する電子放出層とを備え、電子放出層がカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブの先端における電界の集中を利用して光電子を放出することを特徴とする。

上記した光電陰極では、光吸収層に光を入射させることにより生じた光電子が電子放出層に移動する。光電子は、電子放出層の内部に電界が印加されると、電子放出層に含まれるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：Carbon NanoTube）内部を移動する。電子放出層の表面すなわちＣＮＴの先端部分には電界が集中するので、光電子は、ＣＮＴの先端部分から光電陰極外部へ向けて容易に放出される。従って、上記した光電陰極によれば、入射光により励起された光電子を効率よく放出することができる。

なお、本発明において、ＣＮＴは主に単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ：Single Wall Carbon NanoTube）または多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ：Multi Wall Carbon NanoTube）のいずれを含んでもよい。また、ＣＮＴとして、直径が長手方向に変化するもの、先端が閉じているもの或いは開いているもの、中心に空洞が有るもの或いは無いもの等、様々な形状のものを用いてもよい。また、ＣＮＴの長手方向が揃っていても（いわゆる配向性ＣＮＴ）、或いは揃っていなくてもよいが、少なくとも一部のＣＮＴの長手方向が互いに揃っていれば、ＣＮＴの先端部分に電界を効果的に集中できるので、より好ましい。

また、光電陰極は、電子放出層の表面に設けられ、電子放出層表面の仕事関数を低下させる活性層をさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、光電子をさらに効率よく放出できるので、光電陰極の光電変換効率を高めることができる。

また、光電陰極は、電子放出層に電界を印加する電界印加手段をさらに備えることを特徴としてもよい。これによって、電子放出層の内部に電界を好適に印加することができる。

また、本発明による電子管は、上記したいずれかの光電陰極と、光電陰極から放出された光電子を直接または間接に収集するための陽極と、光電子の経路を真空状態に保持する真空容器とを備えることを特徴とする。この電子管によれば、入射光により励起された光電子を光電陰極から真空容器内に効率よく放出することができる。

本発明によれば、入射光により励起された光電子を効率よく放出できる光電陰極及び電子管を提供できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光電陰極及び電子管の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による光電陰極の第１実施形態の構成を示す断面図である。この光電陰極は、所定波長の入射光Ｌ１に応じて光電子ｅ１を放出する装置であり、入射光Ｌ１を受ける面と光電子ｅ１を放出する面とが同じ面である、いわゆる反射型の光電陰極である。図１を参照すると、本実施形態の光電陰極１は、光吸収層２、電子放出層３、活性層４、及びゲート電極（引出し電極）５を備えている。

光吸収層２は、入射光Ｌ１によって励起されて光電子ｅ１を生成するための光電面である。光吸収層２は、例えばｐ型の半導体によって構成される。半導体はその材料により固有のエネルギーギャップを有しているので、入射光Ｌ１の波長に合うエネルギーギャップを有する半導体材料を適宜選択するとよい。また、半導体では、入射光Ｌ１により励起された光電子ｅ１の拡散長が比較的長いので、光電子ｅ１を効率よく電子放出層３へ移動させることができる。光吸収層２の半導体材料としては、例えばＳｉ，Ｇｅなどが好適である。また、光吸収層２の半導体材料としては化合物半導体を用いることもできる。特に、Ｇａ，Ａｌ，ＩｎなどのIII族元素とＮ，Ａｓ，Ｐ，ＳｂなどのＶ族元素の組み合わせによるいわゆるIII−Ｖ族化合物半導体またはこれらの混晶半導体、或いはそれらのヘテロ構造を用いると、所望の波長に感度を有する光吸収層２を容易に得られるので好適である。光吸収層２は、光電陰極１の外部に設けられる電源６のマイナス側端子に電気的に接続されており、この電源６から光吸収層２へ電子が供給される。

電子放出層３は、光吸収層２から光電子ｅ１を受け取り、この光電子ｅ１を光電陰極１の外部へ向けて放出するための層である。電子放出層３は、光吸収層２の表面上に形成されており、主にＣＮＴを含んで構成される。ＣＮＴは、主として炭素からなり、直径の平均が１μｍ未満のチューブ状の物質である。なお、光電陰極１は、光吸収層２と電子放出層３との間に、光吸収層２と電子放出層３との電気的接続を補助するコンタクト層（図示せず）をさらに備えてもよい。

電子放出層３のＣＮＴは、光吸収層２上に炭素が化学気相堆積（ＣＶＤ）法などにより成長されることによって形成される。なお、ＣＮＴの形成方法はＣＶＤに限らず、例えばアーク放電、レーザアブレーション法、またはレーザ蒸着法などを用いても良い。また、ＣＮＴを光吸収層２上に成長させる以外にも、ＣＮＴを含む溶媒を光吸収層２に塗布したり、或いはバインダー（接着剤）によってＣＮＴを光吸収層２に固定してもよい。

活性層４は、電子放出層３の表面の仕事関数を低下させるための層である。活性層４は、電子放出層３の表面に形成されるので、電子放出層３に含まれるＣＮＴの先端部分に形成されることとなる。活性層４は、例えばアルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物、またはアルカリハライド化合物を含む。本実施形態では、活性層４はアルカリ金属であるＣｓまたはその酸化物が電子放出層３の表面に薄く塗布されることにより形成されている。活性層４の材料としては、ＣｓやＣｓ酸化物以外にも、例えばＫ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｌｉ、或いはこれらの酸化物を好適に用いることができる。活性層４は、これらのような材料を含むことによって、電子放出層３表面付近のバンド構造を湾曲させ、電子放出層３表面の仕事関数を低下させる。

ゲート電極５は、電子放出層３に電界を印加するための電界印加手段である。ゲート電極５は、例えばメッシュ状といった所定パターンに形成されており、活性層４から離れた位置に光吸収層２の表面に対向して設けられている。また、ゲート電極５は、電源６のプラス側端子に電気的に接続されている。従って、ゲート電極５と光吸収層２との間には電源６による電界が形成されており、この電界が電子放出層３の内部に印加される。なお、ゲート電極５の形状は、光吸収層２に入射する入射光Ｌ１及び電子放出層３から放出された光電子ｅ１がそれぞれ通過するための開口を有していれば、メッシュ状以外にも様々な形状とすることができる。また、ゲート電極５は、電子放出層３（本実施形態では活性層４）に近接して配置されることが好ましい。

以上の構成を有する光電陰極１は、次のように動作する。入射光Ｌ１が、ゲート電極５、活性層４、及び電子放出層３を通過或いは透過して光吸収層２に入射すると、入射光Ｌ１は光吸収層２の光電子ｅ１を励起し、光吸収層２の内部に入射光Ｌ１の光量に応じた数の光電子ｅ１が発生する。光電子ｅ１は、光吸収層２とゲート電極５との間に形成された電界によって加速され、光吸収層２から電子放出層３へ移動するとともに、電子放出層３のＣＮＴ内部をＣＮＴ先端へ向けて移動する。電子放出層３におけるＣＮＴの先端は活性層４によって仕事関数が低下されており、また光吸収層２とゲート電極５との間に形成された電界がＣＮＴの先端に集中するので、ＣＮＴの先端に達した光電子ｅ１は光電陰極１の外部に容易に放出される。光電子ｅ１は、例えば図示しない陽極に収集され、入射光Ｌ１の光量を示す信号電流として観測される。

本実施形態の光電陰極１による効果を説明する。光電陰極１では、電子放出層３がＣＮＴを含んでいる。この電子放出層３に電界が印加されると、上述したように電子放出層３の表面すなわちＣＮＴの先端部分に電界が集中する。これにより、光電子ｅ１は、ＣＮＴの先端部分から光電陰極１の外部へ向けて容易に放出される。従って、本実施形態の光電陰極１によれば、入射光Ｌ１により励起された光電子ｅ１を光電陰極１の外部へ効率よく放出することができる。

また、本実施形態の光電陰極１によれば、特許文献１の光電陰極（図５参照）のような半導体の微細加工を必要としないので、製造工程が簡易になり、低コストで且つ大面積化も容易な光電陰極を提供できる。また、ＣＮＴは炭素からなるため、電子放出層３の大気安定性が良好になるとともに、自然環境への影響を低く抑えることができる。

なお、上記特許文献２には、ＣＮＴを用いた電界放出電子源が開示されている。この電界放出電子源は、ＣＮＴに電界を印加することにより電子を放出させるものである。また、特許文献３には、ＣＮＴを用いた光電子又は二次電子放射用陰極が開示されている。この光電子又は二次電子放射用陰極では、ＣＮＴは光電子を放出するための材料ではなく、アルカリアンチモン化合物からなる光電面の結晶性を良くするための下地層として用いられている。また、特許文献４には、ＣＮＴを用いた光機能膜が開示されている。この光機能膜では、ＳＷＣＮＴの内部光電効果を利用してＳＷＣＮＴを光電子放出粒子としている。しかしながら、これら特許文献２〜４に開示された技術は、ＣＮＴを用いて光電子を光電陰極外部へ放出させる本発明とは構成・作用効果共に全く異なるものである。

また、電子放出層３の表面（すなわちＣＮＴの先端部分）には、本実施形態のように電子放出層３表面の仕事関数を低下させる活性層４が形成されていることが好ましい。これによって、光電子ｅ１が電子放出層３から光電陰極１外へさらに効率よく放出されるので、光電陰極１の光電変換効率をより高めることができる。なお、このような材料としては、上述したようにアルカリ金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のフッ化物、またはアルカリハライド化合物が好適である。また、本実施形態の光電陰極１は、活性層４を備えなくても電子放出層３から外部へ光電子ｅ１を放出することが可能である。このように、光電陰極１が活性層４を備えない場合には、アルカリ金属を含まない光電面（いわゆるアルカリフリー光電面）を実現できる。

また、本実施形態のように、光電陰極１は、電子放出層３に電界を印加するゲート電極５を備えることが好ましい。これによって、電子放出層３の内部に電界を好適に印加することができる。

また、本実施形態のように、光吸収層２はｐ型の半導体からなることが好ましい。これによって、入射光Ｌ１を受けて光電子ｅ１を発生する光吸収層２を好適に構成することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る電子管の構成を示す断面図である。この電子管は、所定波長の入射光Ｌ２の光量に応じた光電子ｅ２を生成することによって入射光Ｌ２を検出する装置である。図２を参照すると、本実施形態の電子管１０は、光電陰極１７、陽極１５、及び真空容器１８を備えている。光電陰極１７は、入射光Ｌ２を受ける面と光電子ｅ２を放出する面とが異なる、いわゆる透過型の光電陰極である。光電陰極１７は、基板１１、光吸収層１２、電子放出層１３、活性層１４、及び導電層１９を有している。なお、本実施形態の光吸収層１２、電子放出層１３、及び活性層１４の構成については、上記第１実施形態の光吸収層２、電子放出層３、及び活性層４の構成と同様なので詳細な説明を省略する。

基板１１は、光吸収層１２、電子放出層１３、及び活性層１４を機械的に支持するとともに、入射光Ｌ２を受けるための入射窓となる部材である。基板１１の材料は、所定波長の入射光Ｌ２を透過する材料であれば、特に限定されるものではない。基板１１の材料としては、例えばサファイア、ガラス、石英などが好適である。基板１１は光出射面１１ａ及び光入射面１１ｂを有している。入射光Ｌ２は、光入射面１１ｂに入射し、基板１１を透過して光出射面１１ａから出射する。

導電層１９は、後述する光吸収層１２に電気的に接続されて該光吸収層１２に電子を供給するための手段である。導電層１９は、電子管１０の外部に設けられる電源１６のマイナス側端子と電気的に接続されており、陽極１５と協働して電子放出層１３に電界を加えるための電界印加手段を構成する。導電層１９は、例えば金属といった導電性材料が基板１１上に蒸着されることにより形成される。また、導電層１９は例えばメッシュ状やストライプ状といった所定パターンで基板１１の光出射面１１ａ上に形成されている。なお、導電層１９は、これら以外にも様々なパターンで形成されてもよく、また、光吸収層１２の周囲に形成されてもよい。また、導電層１９は、基板１１の光出射面１１ａ上の全面に膜状に形成されてもよい。このとき、導電層１９は、入射光Ｌ２が導電層１９を透過できる程度に薄く形成されることが望ましい。

光吸収層１２、電子放出層１３、及び活性層１４は、基板１１の光出射面１１ａ上に導電層１９を挟んで形成される。

陽極１５は、光電陰極１７から放出された光電子ｅ２を直接収集するとともに、導電層１９と協働して電子放出層１３に電界を印加するための手段である。陽極１５は、光電陰極１７から離れた位置に、基板１１の光出射面１１ａに対向して設けられている。なお、陽極１５は、光電陰極１７に近接した位置に配置されることが好ましい。そして、陽極１５を高電位側として陽極１５と導電層１９との間に電源１６が接続されることにより、光吸収層１２及び電子放出層１３それぞれの内部、並びに光電陰極１７と陽極１５との間に電界が形成される。光電陰極１７の光吸収層１２において発生した光電子ｅ２は、この電界によって電子放出層１３から活性層１４を介して放出され、陽極１５に収集される。

真空容器１８は、光電子ｅ２の経路を真空に保持するための容器である。真空容器１８は、略筒状を呈しており、例えばガラス管によって構成される。真空容器１８の一端は開口しており、この開口は光電陰極１７によって閉じられている。光電陰極１７と真空容器１８との隙間は、例えばＩｎによってシールされる。また、真空容器１８の他端には、陽極１５が固定されている。

以上の構成を有する電子管１０は、次のように動作する。入射光Ｌ２が基板１１の光入射面１１ｂから入射すると、入射光Ｌ２は基板１１を透過し、導電層１９の開口部分を通過して光吸収層１２に達する。そして、入射光Ｌ２は光吸収層１２内の光電子ｅ２を励起し、入射光Ｌ２の光量に応じた数の光電子ｅ２が発生する。光電子ｅ２は、導電層１９と陽極１５との間に形成された電界によって加速され、光吸収層１２から電子放出層１３へ移動するとともに、電子放出層１３のＣＮＴ内部をＣＮＴ先端へ向けて移動する。電子放出層１３におけるＣＮＴの先端は活性層１４によって仕事関数が低下されており、また導電層１９と陽極１５との間に形成された電界がＣＮＴの先端に集中するので、ＣＮＴの先端に達した光電子ｅ２は真空中に容易に放出される。光電子ｅ２は、陽極１５に収集され、入射光Ｌ２の光量を示す信号電流として観測される。

本実施形態による電子管１０及び光電陰極１７によれば、光電陰極１７の電子放出層１３がＣＮＴを含むことによって、上記第１実施形態と同様に、入射光Ｌ２により励起された光電子ｅ２を真空中へ効率よく放出することができる。

また、光電陰極１７は、本実施形態のように入射光Ｌ２を透過する基板１１を有してもよい。基板１１が入射光Ｌ２を透過することによって、透過型の光電陰極１７を好適に実現することができる。

また、光電陰極１７は、本実施形態のように光吸収層１２と電気的に接続された導電層１９を基板１１と光吸収層１２との間に備えることが好ましい。これによって、光吸収層１２に対して電子を好適に供給できる。また、電子放出層１３に電界を印加するための電界印加手段を陽極１５とともに好適に実現することができる。

（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る電子管の構成を示す断面図である。この電子管は、所定波長の入射光Ｌ３の光量に応じた光電子ｅ３を生成することによって入射光Ｌ３を検出する装置である。図３を参照すると、本実施形態の電子管２０は、透過型の光電陰極２７、陽極２８、及び真空容器２９を備えている。また、光電陰極２７は、基板２１、光吸収層２２、電子放出層２３、活性層２４、絶縁層２５、ゲート電極２６、及び導電層３２を有している。なお、本実施形態の基板２１、光吸収層２２、電子放出層２３、活性層２４、陽極２８、真空容器２９、及び導電層３２の構成については、それぞれ上記第２実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。

絶縁層２５は、光吸収層２２及び電子放出層２３とゲート電極２６とを隔離するための層である。絶縁層２５は、基板２１の光出射面２１ａ上（本実施形態では光吸収層２２の表面上）に例えばメッシュ状やストライプ状といった所定パターンで形成されており、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの絶縁性材料からなる。

ゲート電極２６は、導電層３２とともに、電子放出層２３に電界を印加するための電界印加手段を構成する。ゲート電極２６は、絶縁層２５の所定パターンに応じた形状で絶縁層２５上に形成されている。すなわち、ゲート電極２６は、導電層３２との間に電子放出層２３を挟む位置に形成されている。ゲート電極２６及び導電層３２には、ゲート電極２６を高電位側、導電層３２を低電位側として電源３１ａが電気的に接続されており、これによって光吸収層２２及び電子放出層２３に電界が印加される。また、ゲート電極２６及び陽極２８には、陽極２８を高電位側、ゲート電極２６を低電位側として電源３１ｂが電気的に接続されており、これによってゲート電極２６と陽極２８との間の真空中に電界が形成される。なお、ゲート電極２６と陽極２８とは、互いに近接して配置されることが好ましい。

以上の構成を有する電子管２０は、次のように動作する。入射光Ｌ３が基板２１の光入射面２１ｂから入射すると、入射光Ｌ２は基板２１を透過し、導電層３２の開口部分を通過して光吸収層２２に達する。そして、入射光Ｌ３は光吸収層２２内の光電子ｅ３を励起し、入射光Ｌ３の光量に応じた数の光電子ｅ３が発生する。光電子ｅ３は、導電層３２とゲート電極２６との間に形成された電界によって加速され、光吸収層２２から電子放出層２３へ移動するとともに、電子放出層２３のＣＮＴ内部をＣＮＴ先端へ向けて移動する。電子放出層２３におけるＣＮＴの先端は活性層２４によって仕事関数が低下されており、また導電層３２とゲート電極２６との間に形成された電界がＣＮＴの先端に集中するので、ＣＮＴの先端に達した光電子ｅ３は真空中に容易に放出される。光電子ｅ３は、ゲート電極２６と陽極２８との間に形成された電界によって加速され、陽極２８に収集される。そして、光電子ｅ３は、入射光Ｌ３の光量を示す信号電流として観測される。

本実施形態による電子管２０及び光電陰極２７によれば、光電陰極２７の電子放出層２３がＣＮＴを含むことによって、上記各実施形態と同様に、入射光Ｌ３により励起された光電子ｅ３を真空中へ効率よく放出することができる。

（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４実施形態に係る電子管として、画像増強管（イメージインテンシファイア）の構成を示す断面図である。この画像増強管は、入射光である光像Ｌ４の２次元情報を保持しつつ光像Ｌ４を増強するための装置である。図４を参照すると、本実施形態の画像増強管４０は、光電陰極４５、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ：Micro Channel Plate）４８、蛍光体４９、ファイバオプティックプレート（ＦＯＰ：Fiber Optic Plate）５１、及び側管部５３を備えている。

光電陰極４５は、透過型の光電陰極である。光電陰極４５は、基板４１、光吸収層４２、電子放出層４３、活性層４４、電極４６ａ、及び導電層４７を有している。本実施形態の基板４１は、例えば硼珪酸ガラスといった光像Ｌ４を透過する材料からなる。光吸収層４２は、III−Ｖ族化合物半導体からなるヘテロ構造を有している。電子放出層４３では、少なくとも一部のＣＮＴの長手方向が互いに揃っており、且つ該長手方向が電子放出層４３の厚さ方向に沿っている。このようなＣＮＴは、配向性ＣＮＴと呼ばれる。光電陰極４５は、基板４１の光入射面４１ｂに入射した光像Ｌ４を光吸収層４２において光電子ｅ４に変換し、電子放出層４３及び活性層４４を介して真空中に放出する。電極４６ａは、基板４１と光吸収層４２との間に設けられる導電層４７を電源５４ａに電気的に接続するための電極であり、導電層４７の周囲に設けられている。なお、本実施形態の光電陰極４５に関する上記以外の構成については、上記第２実施形態の光電陰極１７の構成と同様なので詳細な説明を省略する。

ＭＣＰ４８は、光電陰極４５から放出された光電子ｅ４を２次電子増倍するための電子増倍手段である。ＭＣＰ４８は、光電子ｅ４を入力する入力端４８ａが基板４１の光出射面４１ａと対向するように配置されている。ＭＣＰ４８は、内壁が２次電子放出体である筒状のチャンネルを多数束ねた構成を有している。ＭＣＰ４８の、光電子ｅ４が入射する入力端４８ａの周囲には電極４６ｂが設けられている。電極４６ｂと光電陰極４５の電極４６ａとの間には、電極４６ｂが高電位側となるように電源５４ａによって所定電圧が印加されており、導電層４７とＭＣＰ４８の入力端４８ａとの間に電界が形成されている。また、２次電子ｅ５が放出される出力端４８ｂの周囲には電極４６ｃが設けられている。電極４６ｂと電極４６ｃとの間には電源５４ｂによって所定の電圧が印加されており、ＭＣＰ４８の入力端４８ａと出力端４８ｂとの間に電界が形成されている。そして、入力端４８ａ側から各チャンネルに入射した光電子ｅ４が２次電子放出体への衝突を繰り返しながら増倍され、２次電子ｅ５として出力端４８ｂ側から放出される。なお、ＭＣＰ４８の入力端４８ａ上に、イオンフィードバック防止用の保護膜が形成されていてもよい。

蛍光体４９は、ＭＣＰ４８から放出された２次電子ｅ５が入射することによって蛍光を発する材料からなる。蛍光体４９は、後述するＦＯＰ５１の光入射面５１ａ上に蛍光材料が塗布されて成り、ＭＣＰ４８の出力端４８ｂに対向するように設けられている。また、蛍光体４９は、蛍光体４９の周囲に設けられた電極４６ｄとともに陽極（アノード）を構成しており、電極４６ｄとＭＣＰ４８の出力端４８ｂ側の電極４６ｃとの間には電源５４ｃによって所定電圧が印加されている。従って、ＭＣＰ４８の出力端４８ｂと蛍光体４９との間に電界が形成される。ＭＣＰ４８から放出された２次電子ｅ５は、この電界によって加速され、蛍光体４９に入射する。蛍光体４９は２次電子ｅ５によって励起され、蛍光による光像Ｌ５を生成する。すなわち、蛍光体４９は、光電子ｅ４をＭＣＰ４８を介して間接的に収集する。なお、蛍光体４９の表面上に、例えばＡｌ等からなる薄い導電膜が、蛍光体４９のチャージアップ防止のために形成されていてもよい。

ＦＯＰ５１は、蛍光体４９において生じた光像Ｌ５を画像増強管４０の外部へ出射させるための部材である。ＦＯＰ５１は、光入射面５１ａ及び光出射面５１ｂを有しており、光入射面５１ａがＭＣＰ４８の出力端４８ｂに対向するように配置されている。ＦＯＰ５１は、その厚さ方向と交差する方向にガラスファイバが多数束ねられて成り、光入射面５１ａに入射した光像Ｌ５をその２次元情報を保ったまま光出射面５１ｂから出射することができる。

側管部５３は、光電子ｅ４及び２次電子ｅ５の経路を真空に保持するための真空容器である。側管部５３は絶縁性の材料からなり、筒状を呈している。側管部５３の一端は光電陰極４５によって閉じられており、側管部５３の他端はＦＯＰ５１によって閉じられている。側管部５３と光電陰極４５との隙間、及び側管部５３とＦＯＰ５１との隙間は、例えばＩｎなどによってシールされている。こうして、光電陰極４５、ＦＯＰ５１、及び側管部５３によって囲まれる領域は、真空状態に保持される。また、光電陰極４５、ＭＣＰ４８、及び蛍光体４９は、側管部５３によって互いに絶縁される。

以上の構成を有する画像増強管４０は、次のように動作する。基板４１の光入射面４１ｂから光像Ｌ４が光電陰極４５に入射すると、光像Ｌ４は基板４１を透過し、導電層４７の開口部分を通過して光吸収層４２に達する。そして、光像Ｌ４は光吸収層４２内の光電子ｅ４を励起し、光像Ｌ４の光量に応じた数の光電子ｅ４が発生する。光電子ｅ４は、導電層４７とＭＣＰ４８との間に形成された電界によって加速され、光吸収層４２から電子放出層４３へ移動するとともに、電子放出層４３のＣＮＴ内部をＣＮＴ先端へ向けて移動する。電子放出層４３におけるＣＮＴの先端は活性層４４によって仕事関数が低下されており、また導電層４７とＭＣＰ４８との間に形成された電界がＣＮＴの先端に集中するので、ＣＮＴの先端に達した光電子ｅ４は真空中に容易に放出される。

放出された光電子ｅ４は、ＭＣＰ４８に入射する。このとき、光電子ｅ４は、光電陰極４５の導電層４７とＭＣＰ４８の入力端４８ａとの間に形成される電界と平行に進むので、光像Ｌ４が画像増強管４０に入射したときの２次元情報を保ちながらＭＣＰ４８に入射する。ＭＣＰ４８に入射した光電子ｅ４は各チャンネル内で約１万倍〜１００万倍程度に増倍されて２次電子ｅ５として放出され、蛍光体４９に入射する。このとき、ＭＣＰ４８の出力端４８ｂには入力端４８ａに対して正の電圧が印加され、かつ電極４６ｄ及び蛍光体４９にはＭＣＰ４８の出力端４８ｂに対して正の電圧が印加されている。これらにより電界が形成され、光電子ｅ４が有していた２次元情報を保ちながら２次電子ｅ５が蛍光体４９に入射して、蛍光体４９が光像Ｌ５を発光する。こうして生成された光像Ｌ５は、ＦＯＰ５１を通過して画像増強管４０の外部へ出射される。以上の動作によって、画像増強管４０に入射した画像（光像Ｌ４）が増強される。

本実施形態による画像増強管４０及び光電陰極４５によれば、光電陰極４５の電子放出層４３がＣＮＴ（配向性ＣＮＴ）を含むことによって、上記各実施形態と同様に、光像Ｌ４により励起された光電子ｅ４を真空中へ効率よく放出することができる光電陰極及び電子管（画像増強管）を提供できる。また、ＣＮＴの長手方向が互いに揃っていることによって、ＣＮＴを伝って放出される光電子ｅ４が光像Ｌ４の２次元情報を精度よく保持できる。

また、画像増強管４０は、本実施形態のように光電陰極４５から放出された光電子ｅ４を２次電子増倍する電子増倍手段（例えばＭＣＰ４８）を備えることが好ましい。これによって、高い増倍率で光電子ｅ４を増倍することができるので、高いＳ／Ｎ比で精度よく画像（光像Ｌ４）を増強することができる。なお、画像増強管４０において、さらに高輝度な光像Ｌ５を得る必要があるときには、２次電子増倍率をさらに得るためにＭＣＰ４８を複数備えても良い。このようにすれば、入射した光像Ｌ４をさらに増強し、高輝度とすることができる。

また、画像増強管４０は、本実施形態のように２次電子ｅ５（或いは光電子でもよい）が入射することにより発光する蛍光体４９を備えることが好ましい。これにより、２次電子ｅ５または光電子を光像へ好適に変換できる。なお、上記した画像増強管４０においては、２次電子ｅ５によって発光する手段として蛍光体４９が用いられているが、この手段は２次電子または光電子を画像に変換できるものであればよい。例えば、蛍光体のかわりに電荷結合素子（ＣＣＤ）などの撮像素子を備え、光電子あるいは２次電子を直接撮像素子に打ち込み、画像化することによっても同様の効果を得ることができる。

本発明による光電陰極及び電子管は、上記した各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第２実施形態及び第３実施形態において、光電陰極と陽極との間に電子増倍手段（例えば第４実施形態に示したＭＣＰ４８）を備える構成とすれば、いわゆる光電子増倍管を実現できる。また、このような光電子増倍管においては、電子増倍手段はＭＣＰに限られるものではなく、アルカリアンチモナイド、ＣｕＢｅなどを用いた２次電子面をカスケードに構成してもよい。また、第２実施形態及び第３実施形態の電子管或いは上述したような光電子増倍管においては、加速された光電子（または２次電子）をフォトダイオードに打ち込む、いわゆる電子打ち込み型の構成としてもよい。また、第４実施形態に示した画像増強管を２次元のアレイ状に配置し、それぞれ個別に動作させることによって大画面の画像表示装置とすることもできる。また、このような画像表示装置において、蛍光体を赤、青、緑の三原色とすることによってカラー表示させることも可能である。

図１は、本発明による光電陰極の第１実施形態の構成を示す断面図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る電子管の構成を示す断面図である。 図３は、本発明の第３実施形態に係る電子管の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の第４実施形態に係る電子管として、画像増強管（イメージインテンシファイア）の構成を示す断面図である。 図５は、特許文献１に開示された光電陰極の構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１７，２７，４５…光電陰極、２，１２，２２，４２…光吸収層、３，１３，２３，４３…電子放出層、４，１４，２４，４４…活性層、５，２６…ゲート電極、１０，２０…電子管、１１，２１，４１…基板、１５，２８…陽極、１８，２９…真空容器、１９，３２，４７…導電層、２５…絶縁層、４０…画像増強管、４８…ＭＣＰ、４９…蛍光体、５１…ＦＯＰ、５３…側管部。

Claims (5)

1. 入射光に応じて光電子を放出する光電陰極であって、
   前記入射光によって励起されて前記光電子を生成する光吸収層と、
   前記光吸収層の表面上に形成され、前記光吸収層から前記光電子を受け取って該光電子を放出する電子放出層と
   を備え、
   前記電子放出層がカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブの先端における電界の集中を利用して前記光電子を放出することを特徴とする、光電陰極。
   
2. 少なくとも一部の前記カーボンナノチューブの長手方向が互いに揃っていることを特徴とする、請求項１に記載の光電陰極。
3. 前記電子放出層の表面に設けられ、前記電子放出層表面の仕事関数を低下させる活性層をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光電陰極。
4. 前記電子放出層に電界を印加する電界印加手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電陰極。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電陰極と、
   前記光電陰極から放出された前記光電子を直接または間接に収集するための陽極と、
   前記光電子の経路を真空状態に保持する真空容器と
   を備えることを特徴とする、電子管。

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