JP4567404B2

JP4567404B2 - マイクロチャンネルプレート及びその製造方法

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Publication number: JP4567404B2
Application number: JP2004267542A
Authority: JP
Inventors: 利幸内山
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: WO2006030820A1; EP1804096A1; EP1804096A4; JP2006084596A; US8402791B2; EP1804096B1; US20080265450A1; US20130193830A1; US9064675B2

Description

本発明は、光電子増倍管等に用いられるマイクロチャンネルプレート及びその製造方法に関する。

マイクロチャンネルプレートは板状の構造を有し、複数のチャンネルが規則正しく配列されている。近年、使用分野の拡大により開口比の拡大化、チャンネルの微細化が要求されている。開口比の拡大化、微細化に伴い、製造する際の六角形マルチファイバ同士の整列ズレ（図６参照）等により、隣接するマルチファイバ同士の角部で、チャンネル同士が輪状につながる不具合（これはミッシングウォール現象と呼ばれる。）や、チャンネル壁が破損する不具合（これはローゼッタ現象と呼ばれる。）が発生しやすくなっている。

上記の問題を解決するための従来技術として、特許文献１には、多数本のスタンダードファイバを整列してマルチファイバを作成する際に、スタンダードファイバよりクラッドガラス管壁が厚いスペシャルファイバを少数本用意し、これを六角形マルチファイバの角部に配置する方法が開示されている。
米国特許第４４３１６９４号明細書

しかし、この方法では、チャンネルを微細化させようとすると、加熱および加圧によってファイバ同士を融着させる工程中に、ミッシングウォール現象やローゼッタ現象の発生確率が高くなる。このため、歩留まり良くマイクロチャンネルプレートを製造することが困難である。また、特許文献１に記載の構造では、高精度かつ高密度のマイクロチャンネルプレートが実現できない。

本発明の目的は、このような課題を解決したマイクロチャンネルプレートの製造方法と、微細なチャンネルを高精度かつ高密度に配列することを可能にしたマイクロチャンネルプレートを提供することにある。

本発明に係るマイクロチャンネルプレートの製造方法は、複数本のファイバを束ねて細径化することにより、多角形断面のマルチファイバを作製する第１工程と、複数のマルチファイバを用いて、マイクロチャンネルプレート母材を作製する第２工程と、このマイクロチャンネルプレート母材をスライスすることにより平板化し、スライスされた平板を所定成分の溶剤に晒し、マイクロチャンネルプレートを作製する第３工程とを備え、第１工程で束ねられる複数本のファイバは、芯を含む中心部分を囲む所定厚さの外周部分が、所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料で形成された第１ファイバと、芯を含む中心部分と、これを囲む所定厚さの外周部分との双方が、所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料で形成された第２ファイバとを含み、第１ファイバの中心部分は、所定成分の溶剤に対して可溶性を有するガラス材料により形成されている、第２ファイバは、マルチファイバの多角形断面の少なくとも一つの角部に配置されることを特徴とする。

この発明によれば、多角形断面のマルチファイバは、外周部分が所定成分のガラス材料で形成された第１ファイバと、中心部分と外周部分の双方が所定成分のガラス材料で形成された第２ファイバとを束ねて構成され、この第２ファイバは多角形断面の少なくとも一つの角部に配置されているので、この角部にはチャンネル自体が形成されない。このため、第２ファイバは角部における所定成分のガラス材料を増量させるダミーとして働き、角部の第１ファイバによるチャンネル壁を厚くする作用をもたらし、ミッシングウォール現象やローゼッタ現象などの不具合が発生する確率を減少させることができる。そして、多角形断面の角部に第２ファイバを配置したことによる当該角部でのチャンネル数の減少は、僅かな輝度の低下をもたらすものの、ミッシングウォール現象やローゼッタ現象による輝点や画像欠陥等の問題を解決できることを考慮すると、実用上は無視できる。また、このようにすれば、チャンネルとなるべき第１ファイバの中心部分の太さは、スライスされた平板の全体において同等となるので、この中心部分を形成する可溶性のガラス材料は、所定成分の溶剤に晒すことによって均一かつ歩留まり良く取り除かれる。このため、マルチファイバの角部に可溶性のガラス材料が細く残ってしまう特許文献１の方法に比べて、はるかに微細化したマイクロチャンネルプレートを作製することが可能となる。

本発明に係るマイクロチャンネルプレートの製造方法において、第２ファイバの中心部分と外周部分との双方を形成する所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料は、第１ファイバの外周部分の所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料のみを利用することが好適である。

本発明に係るマイクロチャンネルプレートの製造方法において、所定成分の溶剤に対して不溶性を有する第２ファイバのガラス材料は、中心部分と外周部分とで異なることが好適である。

また、本発明に係るマイクロチャンネルプレートの製造方法において、第１工程は六角形断面のマルチファイバを作製する工程であることが好適である。このようにすれば、マイクロチャンネルプレートのチャンネルは最密整列することができ、チャンネルの占める面積が大きく、マイクロチャンネルプレートの感度を高めることができる。

さらに、本発明に係るマイクロチャンネルプレートの製造方法における第１工程において、第２ファイバはマルチファイバの六角形断面の隣り合う２つの角部、または隣抜きの２つの角部、または対称に位置する２つの角部、または対称に位置する角部抜きの４つの角部、または隣り合う角部抜きの４つの角部、または全ての角部に配置されることが好ましい。このようにすれば、複数のマルチファイバが整列された後に、隣り合うマルチファイバ同士の角部領域における第２ファイバの本数が均一化するので、全ての角部領域において均しく不具合が発生する確率を減少させる。

本発明に係るマイクロチャンネルプレートは、複数のチャンネルが各々ファイバのコア部を溶出することにより形成されたガラス製の有効部と、この有効部を取り囲むガラス製の縁部とを備えて平板形状に成形され、有効部は複数のチャンネルが多角形状に束ねて形成されるマルチファイバ部を、その角部同士が隣り合うように隙間なく配置することにより構成されており、角部同士が隣り合う角部領域での単位面積当りのチャンネルの数は、角部領域の周辺領域での単位面積当りのチャンネルの数よりも少ないことを特徴とする。

本発明によれば、角部領域での単位面積当りのチャンネルの数を、角部領域の周辺領域での単位面積当りのチャンネルの数よりも少なくしているので、チャネル壁は相対的に厚くなっている。このため、角部領域においてチャンネル同士が繋がったりする不具合が少なくなり、輝点や画像欠陥等の不具合を引き起こすことが少ない。また、チャネル壁が相対的に厚くなっていることによる当該角部領域での輝度の低下は、マイクロチャンネルプレート使用時における全体の画質には大きな影響を及ぼさない。

本発明に係るマイクロチャンネルプレートにおいて、マルチファイバの隣り合う角部領域でのチャンネルの内径は、角部領域の周辺領域でのチャンネルの内径と同等であることが望ましい。このようなマイクロチャンネルプレートであれば、マルチファイバの隣り合う角部領域のチャンネルと、その周辺領域のチャンネルとで、チャンネル内径が同等なので、真空管の部品等として使用する際にチャンネル内に溜まっている残留ガス濃度が、角部領域とその周辺領域で同程度になる。このため、放電やイオンフィードバック等による輝点等の発生が角部領域に集中して現れる問題が生じない。また、真空管の部品等として使用される前のガス抜きも、各チャンネルについて同等になされる。このため、残留ガスの発生が角部領域のチャンネルで特に多くなる、という不具合はないので、放電やイオンフィードバック等による角部領域での輝点等の発生が少ない。

本発明によれば、ミッシングウォール現象及びローゼッタ現象の発生を防止することが可能なマイクロチャンネルプレート及びその製造方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一又は同等の構成要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、実施形態の説明においては、マイクロチャンネルプレートは「ＭＣＰ」と、マルチファイバは「ＭＦ」と、それぞれ略語で表す。

まず、本実施形態に係るＭＣＰの構造を図１〜図２を用いて説明する。ここでは、円形断面のＭＣＰ１を用いた場合を例とする。

図１は本実施形態に係るＭＣＰの構造を示す斜視図であり、一部を破断して模式的に描いている。ＭＣＰ１は円板状に成形されており、電子増倍機能を有するガラス製の有効部２と、この有効部２を取り囲むガラス製の縁部４とから構成されている。有効部２には複数のチャンネル６が２次元的に規則正しく配列されており、これらチャンネル６は同孔径であって板厚方向に貫通している。

図２は図１のＭＣＰ１を正面から観察した構成を示し、同図（ａ）は複数のチャンネル６を六角形に束ねたＭＦ１０を、蜂の巣状に密接に整列することにより構成した正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）における領域Aの拡大図である。同図（ｂ）に示すように、３つのＭＦ１０の角部の同士が隣り合う角部領域では、３つのＭＦ１０のうち一つのＭＦ１０の角部にチャンネルが存在しないため、角部領域の単位面積当りのチャンネル６の数は、角部領域の周辺領域での単位面積当りのチャンネル６の数より少なくなっている。このため、チャンネル６が角部領域で環状に繋がったり、チャンネル壁が破損してしまう不具合が生じ難くなっている。この場合、角部領域の単位面積当りのチャンネル６が周辺に比べて少なくなるところから、使用時に角部領域での輝度が低下することがあり得る。しかし、ＭＣＰ１の全体から見ると、ミッシングウォール現象やローゼッタ現象による輝点や画像欠陥等の問題に比べると、輝度が低下する問題はほとんど無視できる程度である。

また、同図（ｂ）に示すように、角部領域に位置するチャンネル６の内径は、その角部領域の周辺領域に位置するチャンネル６の内径と同等である。このため、真空管の部品等として使用する際にチャンネル壁からチャンネル内に残留ガスが放出されても、チャンネル内に溜まっている残留ガス濃度が、角部領域とその周辺領域で同程度になるので、放電やイオンフィードバック等による輝点等の発生が角部領域に集中して現れる問題が生じない。また、真空管の部品等として使用される前のＭＣＰの製造工程の最終段階におけるガス抜きも、角部領域とその周辺領域の各チャンネルの内径は同等なので、同様の程度になされる。このため、残留ガスの発生が角部領域のチャンネルで特に多くなる、という特許文献１のＭＣＰに生じる不具合はないので、放電やイオンフィードバック等による角部領域での輝点等の発生が少ない。

次に、図３に基づいて、本実施形態に係るＭＣＰ１の製造方法について説明する。ここでは、円形断面のＭＣＰ１、正六角形断面を有するＭＦ１０、酸の溶剤（例えば、ＨＮＯ_３或いはＨＣｌ）を用いた場合を例とする。

まず、ＭＦ１０の製造方法を説明する。図３（ａ）は、芯抜処理によりチャンネル６ができるチャンネルファイバ（第１のファイバ）１２の形成方法を示す図である。同図によると、チャンネルファイバ１２は、酸に対する可溶性を有する第１のガラス材料より形成されたコア部（中心部分）１４を、同一の酸に対する不可溶性を有する第２のガラス材料により形成されたクラッド部（外周部分）１６の中に挿入し、これらを加熱しながら管引し得られたものである。ダミーファイバ（第２のファイバ）１８（図示せず）は不溶性を有する第２のガラス材料のみを利用し、チャンネルファイバ１２と同様に加熱しながら管引し得られた円柱状のものである。即ち、ダミーファイバ１８は、芯を含む中心部分もこれを囲む所定厚さの外周部分も、いずれも酸に対して溶けないガラス材料（所定成分のガラス材料）製であるが、中心部分と外周部分が共に同一の溶剤によって溶けないものであれば、これらが異なる構成元素からなる別種のガラス材料製であっても良い。なお、管引する際に、チャンネルファイバ１２及びダミーファイバ１８の断面が円形になるように行う。

次に、図３（ｂ）に示すように正六角形の中空断面を有する型枠２０の中に、チャンネルファイバ１２とダミーファイバ１８を所定のパターンで平行密接に積み重ね、整列する。整列する際に、図４に示すように型枠２０における内壁のうち、対称に位置する２つの角部にはダミーファイバ１８をそれぞれ１本ずつ配置し、その他のところには全てチャンネルファイバ１２を配置する。その後、型枠２０の中に整列されたチャンネルファイバ１２及びダミーファイバ１８を加熱融着し、冷却した後に型枠２０を取外し、正六角形の断面を有するＭＦ母材２２が得られる。次に、図３（ｃ）に示すようにＭＦ母材２２を加熱しながら、再度管引してＭＦ１０を作る。その際に、ＭＦ１０の断面が正六角形になるように管引する。なお、さらにこの工程で得られたＭＦを型枠の中に積み重ね、整列させ、これを管引したものをＭＦ１０としても良い。また、所望のチャンネル径が得られるまでこの工程を繰り返しても良い。

次に、複数のＭＦ１０を用いたＭＣＰ１の作製方法について説明する。

まず、図３（ｄ）に示すように、ガラス管２４の内部に、複数の得られたＭＦ１０を整列する。このとき、全てのＭＦ１０に対して、図５（ａ）に示すようにダミーファイバ１８を有する２つの角部を結ぶ対称線が、互いに平行となるようにＭＦ１０を密接に整列する。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には１本のダミーファイバ１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバ１２が配置される状態となり、ＭＣＰ１の不感部分の面積の増加を最小限に抑制することができる。

次に、ガラス管２４の内部に整列された複数のＭＦ１０を加圧しながら、加熱融着し、ＭＣＰ母材２６が得られる（図３（ｅ）参照）。その後、図３（ｆ）と（ｇ）に示すようにＭＣＰ母材２６を所定の厚さ及び所定の角度でスライスし表面研磨を行い、ＭＣＰ板材２８となる。

次に、図３（ｈ）に示すように、ＭＣＰ板材２８を酸溶液中に浸漬し、芯抜処理を行う。このとき、チャンネルファイバ１２のコア部１４は、酸に対する可溶性を有する第１のガラス材料により形成されたため溶出される。一方、クラッド部１６及びダミーファイバ１８は酸に対する不溶性を有する第２のガラス材料により形成されたため溶出はしない。このため、コア部１４の溶出によりチャンネル６が形成される。ここで、コア部１４の径は角部領域とその周辺領域で同等であるため、第１のガラス材料は同等に溶出され、いわゆる「溶出むら」が生じない点で、特許文献１に比べて優れている。

芯抜処理をしたＭＣＰ板材２８を水素雰囲気の電気炉中に入れて加熱し、還元処理を行う（図３（ｉ）参照）。これにより、ＭＣＰ板材２８のチャンネル６の表面のＰｂＯはＰｂに還元され、所望の導電性薄膜が形成される。この際にも、チャンネルの内径は角部領域とその周辺領域で同等であるため、均質の導電性薄膜が形成される。最後にＭＣＰ板材２８の両面に、電極用金属が蒸着され（図示せず）、ＭＣＰ１が得られる。

本実施形態によれば、ＭＦ１０を整列、融着する際に、ＭＦ１０同士の整列ズレが発生しても、ＭＦ１０の正六角形断面の角部のうち、対称に位置する２つの角部にはそれぞれ１本ずつダミーファイバ１８が配置されたため、チャンネル６同士が輪状のようにつながる状態になることはなく、ミッシングウォール現象またはローゼッタ現象の発生を防止することが可能となる。また、隣り合う３つの角部領域には、ダミーファイバ１８が１本のみ配置されているため、チャンネル６の減少は最小限となり、ＭＣＰ１の不感部分の面積の増加に伴う画像等への悪影響を最小限に抑制することができる。さらに、隣り合う角部領域でのチャンネル６は角部領域の周辺領域におけるチャンネル６と同孔径であるため、ガス抜きの際にチャンネル６内の残留ガスの発生が起きることはなく、輝点や放電やイオンフィードバック等特性不良の発生を防止することができる。

また、ＭＦにおけるダミーファイバの配置及びＭＦの整列パターンについては、図５（ｂ）〜（ｆ）に示すようなパターンがある。これらのパターンで上記の実施形態と同様な製造方法で作製されるＭＣＰ１は、上記の実施形態（図５（ａ））と同様な効果が得られる。

以下に、図５（ｂ）〜（ｆ）に示すパターンにおけるダミーファイバの配置及びＭＦの整列について説明する。なお、製造方法については、上記の実施形態と同一のため説明を省略する。

図５（ｂ）に示すように、正六角形の断面を有するＭＦ１１０における６つの角部のうち、任意隣り合う２つの角部にはダミーファイバ１１８がそれぞれ１本ずつ配置され、残り４つの角部にはダミーファイバ１１８は配置されない。ＭＦ１１０を整列する際に、図５（ｂ）に示すように全てのＭＦ１１０を、ダミーファイバ１１８が配置されていない２つの角部を結ぶ対称線が、互いに平行となり、且つこの対称線に対し、ダミーファイバ１１８を有する隣り合う側が同側に配置されるように整列する。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には１本のダミーファイバ１１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバが配置される状態となる。

図５（ｃ）に示すように、正六角形の断面を有するＭＦ２１０における６つの角部のうち、隣抜きの２つの角部にはダミーファイバ２１８がそれぞれ１本ずつ配置され、その他の角部にはダミーファイバ２１８は配置されない。ＭＦ２１０を整列する際に、図５（ｃ）に示すように、層Ｓ１に位置するＭＦ２１０を、ダミーファイバ２１８を有しない２つの角部を結ぶ対称線が、互いに平行となり、且つダミーファイバ２１８を有する側が同側に配置されるように整列する。層Ｓ２に位置するＭＦ２１０を、層Ｓ１に位置するＭＦ２１０より１８０°回転させ、整列する。層Ｓ１と層Ｓ２は交互に積み重ねる。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には１本のダミーファイバ２１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバが配置される状態となる。

図５（ｄ）に示すように、正六角形の断面を有するＭＦ３１０における６つの角部のうち、対称する２つの角部抜きの４つの角部にはダミーファイバ３１８が１本ずつ配置される。ＭＦ３１０を整列する際に、図５（ｄ）に示すように全てのＭＦ３１０を、ダミーファイバ３１８が配置されていない２つの角部を結ぶ対称線が、互いに平行となるように整列する。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には２本のダミーファイバ３１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバが配置される状態となる。

図５（ｅ）に示すように、正六角形の断面を有するＭＦ４１０における６つの角部のうち、隣り合う２つの角部抜きの４つの角部にはダミーファイバ４１８が１本ずつ配置される。ＭＦ４１０を整列する際に、図５（ｅ）に示すように全てのＭＦ４１０を、ダミーファイバ４１８が配置されている２つの角部を結ぶ対称線が、互いに平行となるように整列する。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には２本のダミーファイバ４１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバが配置される状態となる。

図５（ｆ）に示すように、正六角形の断面を有するＭＦ５１０における６つの全ての角部にはダミーファイバ５１８が１本ずつ配置される。ＭＦ５１０を整列する際に、図５（ｆ）に示すようにそれらを密接に積み重ねて整列する。このようにすれば、全ての隣り合う角部領域には３本のダミーファイバ５１８が配置され、その周辺領域には全てチャンネルファイバが配置される状態となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、ＭＣＰ１の断面が円形としたが、四角形等でも良い。本実施形態では、酸の溶剤を用いたが、これに限らず、第１のガラス材料を溶解し、且つ第２のガラス材料を溶解しない溶剤であれば、酸以外の溶剤を用いても良い。

また、上記の実施形態では、ＭＦ１０を整列する際に、正六角形の中空断面を有する型枠２０を用いたが、対向する二辺を長尺とした六角形や、三角形、四角形の中空断面を有するものを用いても良い。ただし、細密かつ密接させてＭＦを配列するという点では、正六角形が特に望ましい。

また、ダミーファイバの配置及びＭＦの整列は必ずしも図５（ａ）〜（ｆ）に示すようなパターンである必要はないが、隣り合う角部領域には、１本または２本または３本のダミーファイバが配置されることが好ましい。

実施形態に係るＭＣＰの構造の一部を示す斜視図である。図１のＭＣＰを正面から観察した図である。実施形態に係るＭＣＰの製造方法を説明する工程図である。ＭＦ形成におけるファイバの配置状態を示す平面図である。ダミーファイバの配置及びＭＦの整列パターンの他の例を示す平面図である。正六角形のＭＦ同士の整列ズレ状態を示す平面図である。

符号の説明

１…マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、２…有効部、４…縁部、６…チャンネル、１０…マルチファイバ（ＭＦ）、１２…チャンネルファイバ（第１のファイバ）、１４…コア部（中心部分）、１６…クラッド部（外周部分）、１８…ダミーファイバ（第２のファイバ）、２６…マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）母材。

Claims

複数本のファイバを束ねて細径化することにより、多角形断面のマルチファイバを作製する第１工程と、
複数の前記マルチファイバを用いて、マイクロチャンネルプレート母材を作製する第２工程と、
このマイクロチャンネルプレート母材をスライスすることにより平板化し、スライスされた平板を所定成分の溶剤に晒し、マイクロチャンネルプレートを作製する第３工程と、
を備え、
前記第１工程で束ねられる複数本の前記ファイバは、
芯を含む中心部分を囲む所定厚さの外周部分が、前記所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料で形成された第１ファイバと、
芯を含む中心部分と、これを囲む所定厚さの外周部分との双方が、前記所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料で形成された第２ファイバと、
を含み、
前記第１ファイバの前記中心部分は、前記所定成分の溶剤に対して可溶性を有するガラス材料により形成され、
前記第２ファイバは、前記マルチファイバの多角形断面の少なくとも一つの角部に配置される、
ことを特徴とするマイクロチャンネルプレートの製造方法。
前記第２ファイバの前記中心部分と前記外周部分との双方を形成する前記所定成分の溶剤に対して不溶性を有する前記ガラス材料は、前記第１ファイバの前記外周部分の前記所定成分の溶剤に対して不溶性を有するガラス材料のみを利用することを特徴とする請求項１記載のマイクロチャンネルプレートの製造方法。
前記所定成分の溶剤に対して不溶性を有する前記第２ファイバのガラス材料は、前記中心部分と前記外周部分とで異なることを特徴とする請求項１記載のマイクロチャンネルプレートの製造方法。
前記第１工程は、六角形断面のマルチファイバを作製する工程である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のマイクロチャンネルプレートの製造方法。
前記第１工程において、前記第２ファイバは前記マルチファイバの六角形断面の隣り合う２つの角部、または隣抜きの２つの角部、または対称に位置する２つの角部、または対称に位置する角部抜きの４つの角部、または隣り合う角部抜きの４つの角部、または全ての角部に配置される、
ことを特徴とする請求項４記載のマイクロチャンネルプレートの製造方法。
複数のチャンネルが各々ファイバのコア部を溶出することにより形成されたガラス製の有効部と、
この有効部を取り囲むガラス製の縁部と、
を備えて平板形状に成形され、
前記有効部は、複数のチャンネルが多角形状に束ねて形成されるマルチファイバ部を、その角部同士が隣り合うように隙間なく配置することにより構成されており、
前記角部同士が隣り合う角部領域での単位面積当りの前記チャンネルの数は、前記角部領域の周辺領域での単位面積当りの前記チャンネルの数よりも少ない、
ことを特徴とするマイクロチャンネルプレート。
前記角部領域での前記チャンネルの内径は、前記角部領域の周辺領域での前記チャンネルの内径と同等である、
ことを特徴とする請求項６記載のマイクロチャンネルプレート。