JP2012526340A - 光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

【解決手段】光電陰極と電子増倍器は真空透光容器内に設置され、電子収集極と電力供給極は真空透光容器を通過して外部回路と接続され、光電陰極は真空透光容器の内面全体を被覆し、電子増倍器は真空透光容器の内部中心に設置されて、光電陰極からの各方向の光電子を受けて増倍電子を生成する。光電陰極の面積を有効的に拡大し、単位受光面積あたりの光検出効率を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光検出デバイスに関し、特に透過型光電陰極と反射型光電陰極とを結合した光電子増倍管に関する。

光電子増倍管は、極めて高い感度を有し、且つ極めて速い時間内で応答できる光検出デバイスであり、光子計数、極微弱光の検出、化学発光、生物発光の研究などに用いられる装置に広く応用されている。従来の集束型光電子増倍管は、真空デバイスとして、主に光電子発射陰極（光電陰極とも称される）、集束電極、電子増倍器、及び電子収集極（陽極）などからなり、そのうち、光電陰極は、特別な光反応性材料により特定の基板に沈積した非常に薄い薄膜であり、光電変換方式によって、透過型と反射型との２種類に分かれる。

従来、集束型光電子増倍管は、光電陰極として透過型を採用する。透過型光電陰極は、一般的に光電子増倍管のガラスハウジングの天井部に設けられる入光窓の内面に沈積されており、検出される光が入光窓から入射する。図１に示すように、この集束型光電子増倍管の作動過程は次の通りである。即ち、入射光子は透光性の真空容器１の前窓を透過して、光電陰極２に入射すると、一部の光子は光電子に変換され、残りの光子は光電陰極２を透過して真空容器１に入る。光電陰極２の中で変換された一部の光電子は光電陰極２に吸収され、他の光電子（一般的に、全入射光子数の３０％以下）は光電陰極２を透過して真空に入り、集束電界に沿って飛行しながら加速され、一組の複数の表面に特別な材料を塗っている電子増倍器に進入する。その中で、電界によって加速された電子は電子増倍電極３の表面に衝突し、２次の電子発射を発生することにより、増倍効果が得られる。増倍された電子流は陽極４によって収集され、信号として出力される。

欧州特許出願公開第１６７００３１号明細書

上記の集束型光電子増倍管は、光電子集束用の電界を採用し、その特徴として、光電陰極の面積が光電子を受ける電子増倍器の表面の面積より大きい、または、かなり大きいので、特に面積が比較的大きい光電子増倍管の製造に適している。しかし、従来の集束型光電子増倍管は円柱形または回転楕円形であり、上記の透過型光電陰極を採用すると、前方から入射する光だけが受けられ、光線を効率よく受ける空間角度が２立体角以下であるので、光電変換の量子効率が低下する。

また、面積が大きい光電陰極を有する光電子増倍管では、その電子増倍器が一般的には図１に示すような収束のダイノード構造であり、表面に２次電子発生係数が高い材料を塗布した複数の金属片によって構成され、このような構造のサイズが大きいので、一般的に密閉容器の下半部の瓢箪状の口部分に設けられる。大型の光電子増倍管では、このような設計によって、光電子は光電陰極の表面から放出されてから、電子増倍器に到達する経路が大きく異なり、経過した電界の分布も異なる。従って、光電子の到達時間がばらばらになって、大型光電子増倍管の時間応答性が理想的な要求を満たせない。

反射型光電陰極を採用する光電子増倍管では、真空容器の透光窓の内部に光電陰極を載置するための基板を設置しなければならない。反射型光電陰極は該基板上に沈積される。また、この反射型光電陰極と整合するために、リング状の集束型電子増倍器を利用して増倍する必要がある。従って、このような光電子増倍管の有効受光面積には限界がある。

光電子増倍管は電子増倍器としてマイクロチャンネルプレートを使うこともある。しかし、このような光電子増倍管は非集束型である。そして、従来技術のマイクロチャンネルプレートが平板状の構造であり、面積を大きくして光電陰極に近接して設置することができない。光電陰極の面積をマイクロチャンネルプレートの面積に合わせる必要があるので、実用的なマイクロチャンネルプレートによって光電陰極の面積が制限される。

本発明の目的は、光電陰極の面積が大きく、光量子効率が高く、構造が簡単な光電子増倍管を提供することにある。

本発明の目的及びその解決しようとする課題が下記の技術手法を採用して達成される。即ち、本発明により提供される光電子増倍管は、光の照射を受けて光電子を生成する光電陰極と、前記光電陰極から出射された光電子を受けて増倍電子を生成する電子増倍器と、前記電子増倍器により生成された増倍電子を収集する電子収集極と、前記光電陰極及び電子増倍器へ電力を供給する電力供給極とを備え、前記光電陰極及び電子増倍器は真空透光容器内に設置され、前記電子収集極及び電力供給極は前記真空透光容器を通過して外部回路と接続され、前記光電陰極は、前記真空透光容器の内面全体を被覆し、前記電子増倍器は、前記真空透光容器の内部中心に設置されて、前記光電陰極からの各方向の光電子を受けて増倍電子を生成するように構成されている。

光電子増倍管で検出する光が各方向から入射する場合、前記光電陰極は均一厚さで前記真空透光容器のすべての内面に塗布されている。

また、光電子増倍管で検出する光が光電子増倍管の前方またはある方向から入射する場合、前記光電陰極は、第一の厚さで入射光方向が対応する前記真空透光容器の半分の内面に塗布されるとともに、第二の厚さで前記真空透光容器の残りの半分の内面を被覆し、前記第一の厚さは前記第二の厚さより小さいかまたは等しい。

また、反射部の量子効率を向上するため、第二の厚さで前記真空透光容器の残りの半分の内面に前記光電陰極材料を被覆する前に、予め光反射率が高い金属薄膜を被覆する。

また、前記光電陰極により生成された光電子を受けて増倍電子を生成するために設置される前記電子増倍器の面積を光電陰極の面積より遥かに小さくする。前記電子増倍器は、マイクロチャンネルプレート、小型ダイノード、半導体ダイオード及びアバランシェシリコン光電子検出器のいずれか一つであり、また、前記電子増倍器は、上下二組、左右二組または各方向の複数組で前記真空透光容器の内部中心に設置され、前記光電陰極と電子増倍器との間に中心対称的な集束電界が形成される。

また、前記光電陰極からの光電子を効率よく収集するために、前記光電子増倍管は、前記電子増倍器の周りを取り囲む集束電極を更に備える。

また、前記真空透光容器は、球形、回転楕円形または円柱形のガラス容器を使うことが好ましい。

また、前記電子増倍器が、前記各組のマイクロチャンネルプレートは、前記光電陰極に面して設置されている陰極、及び前記電子収集極に面して設置されている陽極を備えることが好ましい。

また、ゲインのため、前記各組のマイクロチャンネルプレートは、一枚のマイクロチャンネルプレートであるか、または、複数枚が直列的に接続されてなるマイクロチャンネルプレートである。

また、前記各組の電子増倍器に対応して、前記電子収集極は、前記各組の電子増倍器により生成される増倍電子を同時に受ける共通収集極であり、または、前記各組の電子増倍器のそれぞれに対し増倍電子を受ける複数の収集極であってもよい。

また、前記電子増倍器は、絶縁ロッドを介して前記真空透光容器の内部中心に設置されている。

従来技術の透過型光電陰極の光電子増倍管の構造概略図である。 本発明の光電子増倍管の一実施例の構造概略図である。 本発明の光電子増倍管の他の実施例の構造概略図である。 本発明の光電子増倍管において使用されるマイクロチャネルプレートの構造概略図である。

以下、本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。なお、ここで説明した実施例は、例示であり、本発明を制限するものではない。

図２は、本発明の光電子増倍管の一実施例の構造概略図である。

図２に示すように、本発明の光電子増倍管は、主に光電陰極１４、電子増倍器１０、電子収集極１１、及び電力の供給と信号の引き出しとのための線１２を備える。本発明の光電子増倍管の前記部品は大型の透光性の真空容器８内に設置される。真空容器８は、球形、略球形または柱形のガラス容器を使うことができる。ここで、略球形の真空容器８を利用して本発明を詳しく説明するが、本発明の保護範囲は制限されない。光電陰極１４は、真空容器８の内面を沈積により被覆する。被覆範囲については、電力の供給と信号の引き出しとのための線１２用の僅かな内面以外に、真空容器８中の他の内面がすべて光電陰極１４の材料で被覆されている。また、光電陰極１４からのすべての入射光子を受けるために、電子増倍器１０は、真空容器８の内部中心に設置され、各方向からの光電子を受けて増倍電子を生成する。その後、電子収集極１１によって増倍電子が収集され、増幅された電流信号が出力される。ここで、電力の供給と信号の引き出しとのための線１２は電源線と信号引き出し線とを含む（概略的に示すために、図２では１本の線で示す）。前記電源線は、光電陰極１４、電子増倍器１０及び電子収集極１１の電源線として、これらの部品の間に電位差を順に生成する。前記信号引き出し線は、電子収集極１１の信号引き出し線として、増幅された電流信号を出力することに用いられる。

光電陰極を真空容器のほぼ内面全体に沈積する設計方法によれば、入射光子が真空容器の壁を通る際に、一部の光子は入射箇所の光電陰極において光電子に変換されるが、光電陰極を通過して光電陰極と反応しない残りの光子は、真空容器の対向した表面に入射するとき、反射型光電陰極の原理により、二回目の機会を得て光電陰極と光電反応して光電子に変換される。従って、最大限で入射光子を検出し、光電子増倍管の光子検出の量子効率を大幅に向上させる。

上述した光電陰極の設計方法は、光電子増倍管の周りの各方向からの入射光を受ける場合及び前方だけからの入射光を受ける場合に適する。

入射光が各方向から入る場合、即ち、入射光子が真空容器の周りから入射する場合、光電陰極は、適切な光電陰極材料を均一厚さで真空容器の内面全体に塗布することによって作られる。そして、光電陰極材料はダブルアルカリまたはマルチアルカリの金属材であり、塗布の過程において、その厚さ及び構造が実際の状況に応じて決められる。

入射光が同一方向だけから入る場合、例えば、光電子増倍管の前方に由来する場合、真空容器８の内面のうち、入射光に面する半分に一定の厚さで光電陰極材料を塗布し、真空容器８の残りの半分に、他の厚さで光電陰極材料を塗布する。ここで、前記残りの半分の内面へ塗布する光電陰極材料の厚さを、入射光に面する半分の内面へ塗布する光電陰極材料の厚さより厚くすることができる。球形または略球形の真空容器を例とすると、この球形または略球形の真空容器の前半球の表面に一定の厚さで光電陰極材料を塗布して透過型光電陰極を作成し、その後半球の表面に他の厚さで光電陰極材料を塗布して反射型光電陰極を作成する。図３に示すように、前半球の点線部１５は透過型光電陰極であり、後半球の実線部１６は反射型光電陰極である。更に、反射型光電陰極の光検出の効率をよく向上するために、後半球に光電陰極材料を塗布する前に、予め高反射率を有するアルミ金属薄膜または他の材料の薄膜をめっきした後、この金属薄膜上に、前半球に沈積される透過型光電陰極の厚さに等しいまたはそれより厚い反射型光電陰極を沈積する。従って、透過型及び反射型の光電陰極により被覆される総面積が真空容器の表面全体の面積に近い。この設計方式により、光電子増倍管の前方またはある一つの方向から入射光が入射する場合、光電変換の量子効率は、上述した均一厚さと同様な構造を有し、金属反射層がない光電陰極により得られる数値より高い。

上述した光電子増倍管の電子増倍器は、マイクロチャンネルプレート、大面積の半導体ダイオード、大面積の半導体アバランシェダイオード、または体積及び厚さが小さい他のタイプの電子増倍器を採用してもよい。電子増倍器は、真空容器の中心に近い位置に設置され、上下二組、左右二組または各方向の複数組で設置される。ここで、各方向の複数組とは、真空容器の中心に沿って三角形で三組以上の電子増倍器を設置することであり、設計またはプロセスの必要に応じて決められる。図２及び図３に示すように、図２の電子増倍器は左右二組で設置され、図３の電子増倍器は上下二組で設置される。そして、各組の電子増倍器の電子放出面は電子収集極に面する。電子増倍器の電位が光電陰極より高く、高効率ですべての光電陰極から出射された各方向の光電子が受けられる。また、電子増倍器の面積が光電陰極の面積より遥かに小さい。従って、光電陰極と電子増倍器の間において、球心から球面への略中心対称の電界分布が得られる。このような略球面対称性の電界は干渉が小さく、光電子収集の時間的一致性が改善されることに寄与する。また、光電陰極を透過して真空容器に入る光子が電子増倍器及び付属設備によって遮断され吸収される比率を小さくするので、光電子変換効率と光電子収集効率とを向上できることに有効である。

集束電極も電源線と接続するので、更に電子増倍器の周りに設置した集束電極２により、光電陰極と集束電極との間に集束電界が形成されることができ、光電子の収集において、光電陰極から出射する光電子を１００％に近い高効率で収集することができるため、好ましい。

マイクロチャンネルプレートを採用して電子増倍器とする場合、各組のマイクロチャンネルプレートの陰極１７がすべて光電陰極に面して光電陰極から出射する光電子を受け、その中の中空ガラス繊維１９によって電子を増倍させ、更に陽極１８によって電子収集極１１へ増倍した電子を出力する。各組のマイクロチャンネルプレートの電子増倍器は、一枚または直列的に接続された二枚もしくは三枚のマイクロチャンネルプレートである。マイクロチャンネルプレートの陰極１７と陽極１８との間に適切な電圧を印加することにより、微弱光検出または単一の光子計測計数の際に、十分な光電子の増幅倍数が得られる。マイクロチャンネルプレートの電子増倍器は、従来の集束型光電子増倍管における電子増倍器であるダイノードの組み合わせと比べて、時間応答特性及びノズル特性が優れており、これによって、光電子増倍管に速い時間応答と低ノズルとを持たせる。

ここで、電子収集極１１は、同時に各組の電子増倍器により生成される電子流を受ける共通収集極であったり、または、それぞれ複数の組の電子増倍器により生成される電子流を受ける複数の電子収集極であり、そして複数の電子収集極で受ける複数の電子流を合わせて一つにして出力してもよい。電子収集極は従来の光電子増倍管と同様に、銅または他の金属材料を使用することができる。本発明では、マイクロチャンネルプレートを電子増倍器とする場合、マイクロチャンネルプレートからの電子流をよりよく収集するように、電子収集極の面積をマイクロチャンネルプレートの陽極の面積より大きく、または、それに等しくする必要がある。

半導体ダイオード、アバランシェダイオードまたは他のタイプの半導体電子増倍器を使う場合、これらのデバイスに高電圧を印加する必要がある。これによって、光電子を加速して十分な運動エネルギーを持たせ、半導体電子増倍器の表面の保護層を貫通し、半導体電子増倍器中で十分な増幅倍数を生成することができる。半導体電子増倍器を利用することによって、高い集束電圧を印加し、光電子増倍管の時間応答性をさらに改善することができる。

マイクロチャンネルプレートまたは半導体電子増倍電極及び集束電極の組み合わせは、通常にガラス管である絶縁ブラケット（ロッド）１３によって支持される。電子増倍器に必要な電力の供給と信号の引き出しとのための線１２が絶縁ブラケット中に設置され、金属製の線１２と絶縁ブラケット１３との間は溶融溶接プロセスで密閉の真空に保持される。

以上の構成によって、光電陰極、電子増倍器及び電子収集極に作動電圧をかけると、光電陰極と電子増倍器との間に集束電界が形成され、電子増倍器と電子収集極との間に収集電界が形成される。入射光の一部は密閉容器のハウジングから透過型光電陰極に入射し、光電子が生成される。入射光の他の部分は透過して反射型光電陰極を介してより多い光電子が生成される。光電陰極に生成されるすべての光電子が集束電界により加速され、電子増倍器と衝突し、電子増倍器で増倍した電子流が収集電界の加速により電子収集極に入る。収集した電流信号が信号として出力される。

以上は、複数の典型的な実施例を参照して本発明を説明したが、専門用語は、説明または例示のためのものであり、制限のためのものではないと理解されるべきである。本発明は、発明の精神または本質から逸脱せずに多種の方式で具体的に実施することができるので、上記実施例が上述した何れの細かい点に制限されずに、添付の特許請求の範囲に限定される精神及び範囲内において広く解釈できると理解されるべき。したがって、特許請求の範囲及びその均等範囲内に含まれる全ての変更または変化は、添付の特許請求の範囲に含まれるべきである。

本発明は、光電陰極を真空容器のすべての内面に被覆する方法を利用することで、入射光子が真空容器に入り、入射箇所の光電陰極において光電子に変換され、また、光電陰極と反応せず光電陰極を通過した光子が、真空容器の対向した表面に入射でき、反射型光電陰極の原理を利用して、二回目の機会を得て光電陰極と光電反応して光電効果を発生して光電子に変換される。従って、光電子増倍管の量子効率を大幅に向上し、光電陰極の面積を効率よく利用して、光量子の変換効率を向上することができる。

Claims (10)

1. 光の照射を受けて光電子を生成する光電陰極と、前記光電陰極から出射された光電子を受けて増倍電子を生成する電子増倍器と、前記電子増倍器により生成された増倍電子を収集する電子収集極と、前記光電陰極及び電子増倍器へ電力を供給する電力供給極とを備え、前記光電陰極及び電子増倍器は真空透光容器内に設置され、前記電子収集極及び電力供給極は前記真空透光容器を通過して外部回路と接続される光電子増倍管において、
   前記光電陰極は、前記真空透光容器の内面全体を被覆し、
   前記電子増倍器は、前記真空透光容器の内部中心に設置されて、前記光電陰極からの各方向の光電子を受けて増倍電子を生成するように構成されていることを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記光電陰極は、第一の厚さで前記真空透光容器の半分の内面を被覆するとともに、第二の厚さで前記真空透光容器の残りの半分の内面を被覆し、前記第一の厚さが前記第二の厚さより小さいかまたは等しいことを特徴とする請求項１に記載の光電子増倍管。
3. 前記真空透光容器の残りの半分の内面の光電陰極と前記真空透光容器の壁との間に、更に光反射用の金属薄膜を設けてあることを特徴とする請求項２に記載の光電子増倍管。
4. 前記真空透光容器は、球形、回転楕円形及び柱形のいずれか一つの形状であることを特徴とする請求項１に記載の光電子増倍管。
5. 前記電子増倍器は、マイクロチャンネルプレート、小型ダイノード、半導体ダイオード及びアバランシェシリコン光電子検出器のいずれか一つであり、前記電子増倍器は、上下二組、左右二組または各方向の複数組で前記真空透光容器の内部中心に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電子増倍管。
6. 前記各組のマイクロチャンネルプレートは、前記光電陰極に面して設置されている陰極、及び前記電子収集極に面して設置されている陽極を備えることを特徴とする請求項５に記載の光電子増倍管。
7. 前記各組のマイクロチャンネルプレートは、一枚のマイクロチャンネルプレートであるか、または、複数枚が直列的に接続されてなるマイクロチャンネルプレートであることを特徴とする請求項５または６に記載の光電子増倍管。
8. 前記電子収集極は、前記各組の電子増倍器により生成される増倍電子を同時に受ける共通収集極であり、または、前記各組の電子増倍器のそれぞれに対し、増倍電子を受ける複数の収集極であることを特徴とする請求項５または６に記載の光電子増倍管。
9. 前記電子増倍器は、絶縁ロッドを介して前記真空透光容器の内部中心に設置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の光電子増倍管。
10. 前記電子増倍器の周りを取り囲む集束電極を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光電子増倍管。

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