JP2005243554A - 光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャンネル間のクロストークを抑えることにより入射光の検出精度を向上させること。
【解決手段】
この光電子増倍管１は、密封容器３内の入射窓１３の内側に固定されて、外部から入射した光を光電子に変換する光電陰極５と、光電陰極５に対向するように密封容器３内に設けられ、光電陰極５から放出した光電子を増倍させるマイクロチャンネルプレート７と、マイクロチャンネルプレート７の電子入射面７ｉ及び電子放出面７ｏに沿って設けられ、マイクロチャンネルプレート７に電圧を供給するための平板状の電極１９ｉ及び電極１９ｏと、密封容器３内の他側においてマイクロチャンネルプレート７に対向するように複数並設され、マイクロチャンネルプレート７から放出した電子を出力信号として取り出すための陽極９とを備え、電極１９ｏは、複数の陽極９に対応するように分割して設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロチャンネルプレートを内蔵する光電子増倍管に関するものである。

従来から、入射光から変換された光電子を、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）で増倍させて検出することが行われている。このような技術を光電子増倍管に応用したものとして、下記特許文献１記載の入射位置検出装置がある。この入射位置検出装置では、真空容器内の光電陰極から放出された光電子がマイクロチャンネルプレートにより増倍され、増倍された電子は、行及び列に配列された複数の導体群である陽極（アノード）に入射する。そして、これらの陽極から取り出された電流から光の入射位置が検出されるというものである。
特開平１−２０１１８５号公報

しかしながら、上述した従来のいわゆるマルチアノード型の光電子増倍管においては、各陽極に対応するチャンネル間でのクロストークによって１つのチャンネルから隣接するチャンネルに疑似信号が検出される場合がある。その結果、光入射位置に対応するチャンネルにおける出力信号に疑似信号が重畳され、検出される出力信号の時間特性の劣化が発生するという問題があった。この時間特性の劣化は、入射光の強度が大きくなるほどより顕著に現れ、入射光の検出精度に影響を与えるものである。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、チャンネル間のクロストークを抑えることにより入射光の検出精度を向上させる光電子増倍管を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の光電子増倍管は、密封容器内の一側の端面に固定されて、外部から入射した光を光電子に変換する光電陰極と、光電陰極に対向するように密封容器内に設けられ、光電陰極から放出した光電子を増倍させるマイクロチャンネルプレートと、マイクロチャンネルプレートの電子入射面及び電子放出面に沿って設けられ、マイクロチャンネルプレートに電圧を供給するための平板状の電極と、密封容器内の他側においてマイクロチャンネルプレートに対向するように複数並設され、マイクロチャンネルプレートから放出した電子を出力信号として取り出すための陽極とを備え、電極は、少なくとも陽極に対向する電子放出面において、複数の陽極に対応するように分割して設けられていることを特徴とする。

このような光電子増倍管では、密封容器の一側から内部に入射した光が光電陰極により光電子に変換され、変換された光電子がマイクロチャンネルプレート内を通過することにより増倍された後、入射位置に対応するチャンネルの陽極から出力信号として取り出される。その際、マイクロチャンネルプレートの電子放出面には陽極に対応する電極が分割して設けられ、その電極に独立して電圧が供給されるので、隣接するチャンネルにおける電子放出面の電位の乱れが低減される。これにより、誘導電流に起因する各チャンネルの出力信号における疑似信号の発生が抑えられる。

また、電極は、電子入射面及び電子放出面において、それぞれ、複数の陽極に対応するように分割して設けられていることが好ましい。この場合、各チャンネルにおけるマイクロチャンネルプレートの電位の乱れが低減され、出力信号に重畳される疑似信号がより一層抑えられる。

さらに、電極は、電子入射面における面積よりも電子放出面における面積が小さくなるように形成されていることが好ましい。電極の周辺部から取り出される信号には暗電流に起因するノイズが混入しやすいため、かかる電極を備えることにより、電極周辺部において生じたノイズの出力信号への影響を防止することができる。

またさらに、密封容器内にはマイクロチャンネルプレートが重ねて複数配置されており、電極は、隣接するマイクロチャンネルプレート間において、一側の電子放出面における面積よりも他側の電子放出面における面積が小さくなるように形成されていることも好ましい。このような構成とすれば、マイクロチャンネルプレートによる電子増倍効果が上昇するとともに、それぞれの電極周辺部において生じたノイズの出力信号への影響を防止することができる。

本発明の光電子増倍管によれば、チャンネル間のクロストークを抑えることにより入射光の検出精度を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光電子増倍管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

［第１実施形態］
図１は、本発明による光電子増倍管の第１実施形態を示す一部破断斜視図、図２は、図１の光電子増倍管の分解斜視図である。この光電子増倍管１は、外部から入射した光によって光電子を放出し、その光電子を増倍させて信号として出力させるための装置である。図１に示されるように、光電子増倍管１は、密封容器３と、密封容器３内の光入射側（一側）に固定された光電陰極５と、密封容器３内において光電陰極５に対向して設けられたマイクロチャンネルプレート７と、密封容器３内の他側においてマイクロチャンネルプレート７に対向して設けられた陽極９とを含んで構成されている。

図２に示されるように、密封容器３は、金属製の四角柱状の側管１１を有し、側管１１の一側開口端には入射窓１３が固定されている。入射窓１３は、例えば硼珪酸ガラス等のガラス材料からなり、密封容器３内部に入射光を透過させるためのものである。その入射窓１３の内面には、入射窓１３から入射した光を光電子に変換する光電陰極５が形成されている。光電陰極５は、入射窓１３から入射した光を効率良く光電子に変換するために、入射窓１３の内面全体を覆うように形成されている。

密封容器３内部の光電陰極５に対向する他側には、矩形板状のマイクロチャンネルプレート７が、入射窓１３と略平行に配置されている。マイクロチャンネルプレートは、内壁を抵抗体及び二次電子放出体とした極めて微細な管（チャンネルマルチプライヤ）を多数備え、電子入射面からチャンネルマルチプライヤに入射した光電子を増倍し、電子放出面から二次電子を放出するものである。このマイクロチャンネルプレート７は、光電陰極５に対向する面である電子入射面７ｉに入射した光電子を、内部において二次電子として増倍させた後、それらの二次電子を電子入射面７ｉと反対側の電子放出面７ｏから放出する。

また、密封容器３内部の他側においては、マイクロチャンネルプレート７の電子放出面７ｏに平行に近接して、４つの陽極９が並設されている。これらの陽極９の形状は、電子放出面７ｏに相当する面を側管１１に平行に４分割したような長方形の形状とされている。陽極９は、それぞれの位置に対応して、電子放出面７ｏの対向する部分から放出された二次電子を、出力信号として取り出すためのものである。つまり、このように陽極９を分割して設置することにより入射窓１３の光の入射位置を検出することが可能とされる。

さらに、側管１１の他側開口端は、外部に突出した端子１５を有するベース板１７によって封止されている。この端子１５は、後述する外部の電源回路に接続され、その電源回路により、光電陰極５、マイクロチャンネルプレート７、及び陽極９に所定電位の電圧を供給されるとともに、それぞれの陽極９から出力信号が取り出される。

以下、マイクロチャンネルプレート７の構成についてより詳細に説明する。

図３は、マイクロチャンネルプレート７の陽極９の配列方向に沿った断面図である。同図に示されるように、マイクロチャンネルプレート７の電子入射面７ｉ上には、マイクロチャンネルプレート７の電子入射面７ｉに対して電圧を供給するための４つの平板状電極１９ｉが形成されている。また、マイクロチャンネルプレート７の電子放出面７ｏ上には、マイクロチャンネルプレート７の電子放出面７ｏに対して電圧を供給するための４つ平板状電極１９ｏが形成されている。

この電極１９ｏは、対向する陽極９と略同一形状で分割して設けられるとともに、その配列方向は陽極９の配列方向と同一となるように並設される。これに対して、電極１９ｉは、マイクロチャンネルプレート７の反対側の面に形成された電極１９ｏと面対称となるように同一形状に形成される。また、電極１９ｉ及び電極１９ｏには、それぞれ、コンタクト用電極２１ｉ及びコンタクト用電極２１ｏが圧着され、電極１９ｉ，電極１９ｏは、これらのコンタクト用電極２１ｉ，２１ｏ及び図示しないリード線等を介して、端子１５に独立に接続されている。

そして、光電子増倍管１内で適切に入射光を検出させるために、陽極９、電極１９ｏ、電極１９ｉ、光電陰極５の順に電位が低くなるようにそれぞれ所定電圧が印可される。図４は、光電子増倍管１と外部の電源回路との接続関係を示す図である。同図に示されるように、電源回路２３と電極１９ｏ、１９ｉ及び光電陰極５とが接続され、陽極９、電極１９ｏ、電極１９ｉ、光電陰極５の順に電位が低くなるようにされている。また、電源回路２３は、側管１１に平行な方向に存在する１組の電極１９ｉ、電極１９ｏ毎に並列に接続され、これらの電極１９ｉ、電極１９ｏの電位を独立に制御可能とされている。

以上説明した光電子増倍管１によれば、入射窓１３から内部に入射した光が光電陰極５により光電子に変換され、変換された光電子がマイクロチャンネルプレート７を通過することにより二次電子として増倍された後、陽極９から出力信号として取り出される。

従来のように、マイクロチャンネルプレート上に一体的に電極が形成されている場合は、入射窓の特定箇所に光が入射した場合に対応する陽極から出力信号が取り出されるが、隣接する陽極にも疑似信号が現れる。この現象は、クロストークと呼ばれ、マイクロチャンネルプレートの電子放出面から二次電子が放出される際に一次的に電子放出面上の電極の電位分布が乱れて、電気容量を有する隣接陽極に誘導電流が生ずることによる。

これに対して光電子増倍管１において検出される出力信号は、入射窓１３における光の入射位置から側管１１に平行な方向に存在する１組の電極１９ｉ、電極１９ｏと、それらに挟まれたマイクロチャンネルプレート７と、この電極１９ｏに対向する陽極９とにより形成されるチャンネルから取り出される。その際、マイクロチャンネルプレート７の電子放出面７ｏには陽極９の形状に対応する電極１９ｏが分割して設けられ、その電極１９ｏにより独立して電圧が供給されるので、隣接するチャンネルにおける電子放出面７ｏの電位の乱れが低減される。これにより、電位の乱れによる誘導電流に起因する各チャンネルの出力信号における疑似信号の発生（クロストーク）が抑えられる。

さらに、チャンネル毎にマイクロチャンネルプレート７のゲインを独立に制御することができ、検出可能な光強度のダイナミックレンジがより広く確保される。

また、マイクロチャンネルプレート７の電子入射面７ｉにも併せて電極１９ｉが分割して設けられているので、電子入射面７ｉにおいても独立して電圧が供給可能となり、各チャンネルにおけるマイクロチャンネルプレート７内部の電位の乱れが低減され、出力信号に重畳される疑似信号がより一層抑えられる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態にかかる光電子増倍管の一部破断斜視図、図６は、図５の光電子増倍管の陽極の配列方向に沿った断面図である。本実施形態にかかる光電子増倍管１０１では、マイクロチャンネルプレートを重ねて２枚配置している点と、マイクロチャンネルプレート上の電極の形状が第１実施形態のものと異なる。

すなわち、図５に示されるように、密封容器３内部の光電陰極５に対向する他側には、２枚の矩形板状のマイクロチャンネルプレート１０７，１０８が、入射窓１３と略平行に互いに近接して配設されている。

図６に示されるように、マイクロチャンネルプレート１０７の光電陰極５に対向する電子入射面１０７ｉには、マイクロチャンネルプレート１０７の電子入射面１０７ｉに対して電圧を供給するための平板状電極１１９ｉが形成されている。また、マイクロチャンネルプレート１０８の陽極９に対向する電子放出面１０８ｏ上には、マイクロチャンネルプレート１０８の電子放出面１０８ｏに対して電圧を供給するための４つ平板状電極１２０ｏが形成されている。

この電極１２０ｏは、対向する陽極９と略同一形状で分割して設けられるとともに、その配列方向は陽極９の配列方向と同一となるように並設される。これに対して、電極１１９ｉは、矩形状の一体的な形状とされ、その縁部と側管１１との距離が、電極１２０ｏの縁部と側管１１との距離と同一となるように形成されている。

電極１１９ｉ及び電極１２０ｏには、それぞれ、コンタクト用電極１２１ｉ及びコンタクト用電極１２１ｏが圧着され、電極１１９ｉ，電極１２０ｏは、これらのコンタクト用電極１２１ｉ，１２１ｏ及び図示しないリード線等を介して端子１５に独立に接続されている。

さらに、マイクロチャンネルプレート１０７，１０８の互いに対向する電子放出面１０７ｏ及び電子入射面１０８ｉには、電極１１９ｉと略同一形状の平板状電極１１９ｏ及び１２０ｉが形成されている。これらの電極１１９ｏと１２０ｉとは、板状等の形状のコンタクト電極を介して互いに当接させることによって電気的に接続される。

そして、光電子増倍管１０１内で適切に入射光を検出させるために、陽極９、電極１２０ｏ、電極１１９ｉ、光電陰極５の順に電位が低くなるようにそれぞれ所定電圧が印可される。

以上説明した光電子増倍管１０１によれば、陽極９から取り出される出力信号は、入射窓１３における光の入射位置から側管１１に平行な方向に存在する１組の電極１１９ｉ，１１９ｏ，１２０ｉ，１２０ｏと、それらに挟まれたマイクロチャンネルプレート１０７，１０８と、この電極１２０ｏに対向する陽極９とにより形成されるチャンネルから取り出される。このように２枚のマイクロチャンネルプレートを配置することにより光電子増倍管１０１全体で得られる入射光の検出感度を向上させることができる。

また、マイクロチャンネルプレート１０８の電子放出面１０８ｏには陽極９の形状に対応する電極１２０ｏが分割して設けられ、その電極１２０ｏにより独立して電圧が供給されるので、隣接するチャンネルにおける電子放出面１０８ｏの電位の乱れが低減される。これにより、電位の乱れによる誘導電流に起因する各チャンネルの出力信号における疑似信号の発生（クロストーク）が抑えられる。

さらに、各電極１２０ｏに供給する電圧を変化させることにより、チャンネル毎にマイクロチャンネルプレート１０７，１０８のゲインを独立に制御することができ、検出可能な光強度のダイナミックレンジがより広く確保される。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態にかかる光電子増倍管の一部破断斜視図、図８は、図７の光電子増倍管の陽極の配列方向に沿った断面図である。本実施形態にかかる光電子増倍管２０１では、マイクロチャンネルプレートの陽極９に対向する面以外の面上の電極形状が第２実施形態のものと異なる。

つまり、図８に示されるように、マイクロチャンネルプレート１０７の光電陰極５に対向する電子入射面１０７ｉに電極２１９ｉが、マイクロチャンネルプレート１０７の電子入射面１０７ｉの反対側の電子放出面１０７ｏに電極２１９ｏが、電子放出面１０７ｏに対向するマイクロチャンネルプレート１０８の電子入射面１０８ｉに電極２２０ｉが形成されている。これら電極２１９ｉ，２１９ｏ，２２０ｉは、陽極９と略同一形状で４分割して設けられるとともに、その配列方向は陽極９の配列方向と同一となるように並設される。また、これらの電極２１９ｏと２２０ｉとは、板状等の形状のコンタクト電極を介して互いに当接させることによって電気的に接続される。

電極２１９ｉには、それぞれ、電極１２０ｏと同様にコンタクト用電極２２１ｉが圧着され、電極２１９ｉは、これらのコンタクト用電極２２１ｉ及び図示しないリード線等を介して端子１５に独立に接続されている。

以上説明した光電子増倍管２０１においても、電位の乱れによる誘導電流に起因する各チャンネルの出力信号における疑似信号の発生（クロストーク）が抑えられるとともに、電子放出面１０８ｏ近傍の電界強度の低下による出力信号の飽和が防止される。

また、チャンネル毎にマイクロチャンネルプレート１０７の電子入射面１０７ｉに独立して電圧が供給可能となり、各チャンネルにおけるマイクロチャンネルプレート１０７，１０８内部の電位の乱れが低減され、出力信号に重畳される疑似信号がより一層抑えられる。

図９には、光電子増倍管２０１における隣接チャンネルにおいて検出された出力信号の時間変化を示す。この場合、光電子増倍管２０１としては、電極２１９ｉ，２１９ｏ，２２０ｉ，１２０ｏとして１０μｍの膜厚でステンレスを蒸着したものを用い、光電陰極５と陽極９との間の電位差が３０００Ｖとなるように電圧を供給した。

併せて、図１０には、従来の光電子増倍管における隣接するチャンネルにおいて検出された出力信号の時間変化を示す。この場合の光電子増倍管としては、マイクロチャンネルプレート１０７，１０８の両面に設けられる電極が、それぞれ一体的に形成されたものである点以外は、光電子増倍管２０１と同一の構成のものを用いた。また、出力信号測定の際には、光電陰極５と陽極９との間の電位差が２８００Ｖとなるように電圧を供給した。

なお、図９及び図１０において、実線は、光電陰極５の光入射位置に対応するチャンネルの陽極９から取り出された出力信号の時間変化、点線は、光電陰極５の光入射位置に対応するチャンネルに隣接するチャンネルの陽極９から取り出された出力信号の時間変化を示す。なお、これらの測定は、１つのチャンネルにのみ光が入射されるようにして行った。

これらの結果より、従来の光電子増倍管及び光電子増倍管２０１の双方において、隣接チャンネルで検出される出力信号においては、光入射位置に対応するチャンネルで検出される出力信号の時間変化に応じて、疑似信号が重畳されている。この出力信号の最大値に対する疑似信号の相対出力電圧は、光電子増倍管２０１におけるものが従来の光電子増倍管におけるものに対して約１／３になっている。これにより、光電子増倍管２０１において疑似信号の発生が効果的に抑えられていることがわかる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１１は、第４実施形態にかかる光電子増倍管の一部破断斜視図、図１２は、図１１の光電子増倍管の陽極の配列方向に沿った断面図である。本実施形態にかかる光電子増倍管３０１では、マイクロチャンネルプレートの光電陰極５に対向する面以外の面上の電極形状が第３実施形態のものと異なる。

つまり、図１２に示されるように、光電子増倍管３０１においては、マイクロチャンネルプレート１０７の電子放出面１０７ｏに電極３１９ｏが、マイクロチャンネルプレート１０８の電子入射面１０８ｉに電極３２０ｉが、マイクロチャンネルプレート１０８の電子放出面１０８ｏに電極３２０ｏが、それぞれ４分割して形成されている。これらの電極３１９ｏ，３２０ｉ，３２０ｏは、陽極９の形状に対応して長方形状に形成され、それらの配列方向は陽極９の配列方向と同一とされる。

また、各陽極９に対応するチャンネルに沿って、マイクロチャンネルプレート１０７の電子入射面１０７ｉに形成された電極２１９ｉ、電極３１９ｏ，電極３２０ｉ，電極３２０ｏの順で、段階的に面積が小さくなるように形成される。より詳細には、それぞれの電極２１９ｉ，３１９ｏ，３２０ｉ，３２０ｏは、陽極９配列方向の辺の長さが、密封容器３内の他側に向けて段階的に小さくなるような形状とされている。

このような光電子増倍管３０１においても、電位の乱れによる誘導電流に起因する各チャンネルの出力信号における疑似信号の発生（クロストーク）が抑えられるとともに、電子放出面１０８ｏ近傍の電界強度の低下による出力信号の飽和が防止される。

また、マイクロチャンネルプレート上に形成された電極の縁部においてはキズにより暗電流が生じやすい傾向にある。そこで、陽極９に向けて段階的に電極を小さくすることにより、２１９ｉ，３１９ｏ，３２０ｉの縁部におけるマイクロチャンネルプレート１０７，１０８のゲインを小さくすることができる。その結果、出力信号における暗電流の発生を防止することができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、光電子増倍管１，１０１，２０１，３０１における陽極の形状及びマイクロチャンネルプレート上に形成される電極の形状は特定のものには限定されず、様々な形状、分割数のものが使用できる。例えば、図１３（ａ）〜（ｄ）に示されるように、矩形状で配列方向が異なるもの、分割数が異なるもの、同心円状のもの、多角形を分割した三角形状のもの等が挙げられる。

また、光電子増倍管１，１０１，２０１，３０１に内蔵するマイクロチャンネルプレートの枚数は特定数には限定されるものではなく、３枚以上のマイクロチャンネルプレートを内蔵していても良い。

本発明による光電子増倍管の第１実施形態を示す一部破断斜視図である。 図１の光電子増倍管の分解斜視図である。 図１のマイクロチャンネルプレートの陽極配列方向に沿った断面図である。 図１の光電子増倍管と外部の電源回路との接続関係を示す図である。 本発明による光電子増倍管の第２実施形態を示す一部破断斜視図である。 図５の光電子増倍管の陽極配列方向に沿った断面図である。 本発明による光電子増倍管の第３実施形態を示す一部破断斜視図である。 図７の光電子増倍管の陽極配列方向に沿った断面図である。 図７の光電子増倍管における隣接チャンネルにおいて検出された出力信号の時間変化である。 従来の光電子増倍管における隣接チャンネルにおいて検出された出力信号の時間変化である。 本発明による光電子増倍管の第４実施形態を示す一部破断斜視図である。 図１１の光電子増倍管の陽極配列方向に沿った断面図である。 陽極及びマイクロチャンネルプレート上に形成される電極の形状の変形例を示す図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１…光電子増倍管、３…密封容器、５…光電陰極、７，１０７，１０８…マイクロチャンネルプレート、７ｉ１０７ｉ，１０８ｉ…電子入射面、７ｏ，１０７ｏ，１０８ｏ…電子放出面、９…陽極、１９ｉ，１９ｏ，１１９ｉ，１１９ｏ，１２０ｉ，１２０ｏ，２１９ｉ，２１９ｏ，２２０ｉ，２２０ｏ，３１９ｏ，３２０ｉ，３２０ｏ…電極。

Claims (4)

1. 密封容器内の一側の端面に固定されて、外部から入射した光を光電子に変換する光電陰極と、
   前記光電陰極に対向するように前記密封容器内に設けられ、前記光電陰極から放出した光電子を増倍させるマイクロチャンネルプレートと、
   前記マイクロチャンネルプレートの電子入射面及び電子放出面に沿って設けられ、前記マイクロチャンネルプレートに電圧を供給するための平板状の電極と、
   前記密封容器内の他側において前記マイクロチャンネルプレートに対向するように複数並設され、前記マイクロチャンネルプレートから放出した電子を出力信号として取り出すための陽極とを備え、
   前記電極は、少なくとも前記陽極に対向する電子放出面において、前記複数の陽極に対応するように分割して設けられている、
   ことを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記電極は、電子入射面及び電子放出面において、それぞれ、前記複数の陽極に対応するように分割して設けられている、
   ことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
3. 前記電極は、電子入射面における面積よりも電子放出面における面積が小さくなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
4. 前記密封容器内には前記マイクロチャンネルプレートが重ねて複数配置されており、
   前記電極は、隣接するマイクロチャンネルプレート間において、一側の電子放出面における面積よりも他側の電子放出面における面積が小さくなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電子増倍管。

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