JP2021002531A - 光電子増倍管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率の良い光電子増倍管を提供する。【解決手段】反射型フォトカソード２０４Ａ〜２０４Ｃのアレイを有する光電子増倍管（ＰＭＴ）を提供する。ＰＭＴ内部に、反射型フォトカソード２０４Ａ〜２０４Ｃのアレイと、反射型フォトカソード２０４Ａ〜２０４Ｃの上記アレイに対応する少なくとも１個のダイノード２００Ａ〜２００Ｃとが備わる。各反射型フォトカソード２０４Ａ〜２０４Ｃが光を受け取ってその光から光電子を生成し、その光電子が上記少なくとも１個のダイノード２００Ａ〜２００Ｃへと移動する。光電子が上記少なくとも１個のダイノード２００Ａ〜２００Ｃに接触するとそれら光電子が増倍される。【選択図】図２

Description

（関連出願）
本願は２０１４年１１月１４日付米国仮特許出願第６２／０７９９８５号の利益を主張するものであり、この参照を以て当該仮特許出願の全容を本願に繰り入れることとする。

（本発明の分野）
本発明は光電子増倍管（ＰＭＴ）に関する。

光電子増倍管（ＰＭＴ）は光を検出するため利用されるデバイスである。このデバイスは光を光電子へと変換しその光電子を増倍させて検出する。過去における典型的な種類のＰＭＴの一つは、透過型フォトカソード及びダイノード鎖（チェーン）から形成されていた。従来技術に係るＰＭＴ内部構造例を図１に示す。図１に示す通り、光１０２が透明フォトカソード１０４の片面に接触すると、その結果生じる光電子１０６がその透明フォトカソード１０４の他面から放出される。それら光電子１０６は次いでダイノード構造１０８に接触し、そこでそれら光電子１０６が増倍される。

残念なことに、従来型ＰＭＴ（例えば図１に描かれているそれ）には様々な制約があった。例えば、反射型フォトカソードではなく透過型フォトカソードが使用されているため、総じて、量子効率が低め、有用寿命が短めとなる。しかしながら、反射型フォトカソードの使用は、主に幾何学的理由（例えば広い帯域幅にすべくコンパクトなＰＭＴにする必要性）により、ＰＭＴデバイスではしばしば避けられてきた。

そのため、従来型ＰＭＴに係る上掲の及び／又はその他の問題を解決する必要がある。

反射型フォトカソードアレイを有する光電子増倍管（ＰＭＴ）の内部及びそれを製造する方法を提供する。ＰＭＴ内部には、反射型フォトカソードアレイと、反射型フォトカソードの上記アレイに対応する少なくとも１個のダイノード構造とが備わる。各反射型フォトカソードが光を受け取ってその光から光電子を生成し、その光電子が上記少なくとも１個のダイノード構造へと移動する。光電子が上記少なくとも１個のダイノード構造に接触するとそれら光電子が増倍される。

従来技術に係り透明フォトカソードを有している光電子増倍管（ＰＭＴ）の内部を示す図である。 一実施形態に係り反射型フォトカソードアレイを有しているＰＭＴの内部を示す図である。 一実施形態に係り、光がヘッドオン入射するハウジングを有する、図２のＰＭＴの反射型フォトカソード／ダイノード下位構造を描いた図である。 一実施形態に係り、光がある角度で入射するハウジングを有する、図２のＰＭＴの反射型フォトカソード／ダイノード下位構造を描いた図である。 一実施形態に係り反射型フォトカソードアレイを有しているＰＭＴ内部を製造する方法を描いた図である。

図２に、一実施形態に係り反射型フォトカソードアレイを有しているＰＭＴの内部を示す。図示の通り、このＰＭＴの内部には、それぞれ光２０２を受け取りうる反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイが備わっており、それら反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃでは受け取った光２０２から光電子２０６Ａ〜Ｃが生成される。ＰＭＴの内部には、更に、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイに対応する少なくとも１個のダイノード構造が備わっており、このダイノード構造では、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイによって生成された光電子２０６Ａ〜Ｃが増倍される。

図示実施形態では、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃそれぞれに個別のダイノード構造２０８Ａ〜Ｃが対応付けられており、その個別ダイノード構造では、対応する反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃによって生成された光電子２０６Ａ〜Ｃが増倍される。他の熟慮実施形態（図示せず）では、アレイをなす反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのうち複数個（例えば全て）に単一のダイノード構造が対応付けられ、その単一ダイノード構造にて、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイ全体によって生成された光電子２０６Ａ〜Ｃが増倍されることとなりうる。無論、ＰＭＴが従来から既知の如く他の下位構造を備えていてもよい。

反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃ相互間には間隙が設けられているので、各反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃからの光電子２０６Ａ〜Ｃをダイノード構造２０８Ａ〜Ｃの方へと通すことができる。これもまた注記すべきことに、図では反射型フォトカソード及びそれに対応するダイノード構造からなる下位構造３個（即ち下位構造２０４Ａ及び２０８Ｂ、下位構造２０４Ｂ及び２０８Ｂ、下位構造２０４Ｃ及び２０８Ｃ）がアレイをなしているが、ＰＭＴには、求められるところに従いそうした下位構造を何個でも組み込むことができる。他の諸実施形態では、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイが１より大きな任意個数とされ得、また反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃが任意個数（即ち１個又は複数個）のダイノード構造２０８Ａ〜Ｃとの組合せで使用されうる。

各反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃは、光電子２０６Ａ〜Ｃがダイノード構造２０８Ａ〜Ｃの方に送られるよう、ある角度付でＰＭＴ内に配置するとよい。更に、各ダイノード構造２０８Ａ〜Ｃは、対応する（複数個の）反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃから光電子２０６Ａ〜Ｃを受け取れるようなＰＭＴ内位置に配するとよい。上掲の下位構造を有する実施形態では、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃ及びそれに対応するダイノード構造２０８Ａ〜ＣからなるＰＭＴ内下位構造それぞれを（例えばその位置、素材等々の面で）同一のものとすることができる。

注記すべきことに、各反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃは、少なくとも、そこへの光２０２の入射で生じた光電子２０６Ａ〜Ｃを反射させうる上部反射面を有するものであれば、どのようなフォトカソードであってもよい。例えば、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃを、従来から知られている任意既存の反射型フォトカソードとすることができる。

更に、各ダイノード構造２０８Ａ〜Ｃは、それぞれ光電子を受け取り増倍させることが可能なダイノードを複数個有するものにすることができる。例えば、それらダイノードが、その間を縫い光電子２０６Ａ〜Ｃを通せるよう鎖状配置されているものがよい。ここでもまた、ダイノード構造２０８Ａ〜Ｃは、ＰＭＴに関連する分野で周知のそれとすることができる。

ＰＭＴにて反射型フォトカソードアレイ２０４Ａ〜Ｃを使用することで、（例えば図１に示す如く従来技術で使用されている透明フォトカソードで得られるそれに比べ）高い量子効率を得ることができる；これは、とりわけ、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃの反射特性によって（さもなくば従来技術の透明フォトカソードによって獲得及び放出される光電子の量より）多くの光電子２０６Ａ〜Ｃを光２０２から獲得しダイノード構造２０８Ａ〜Ｃへと運ぶことが可能になるためである。

更には、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃなら、古典的な透明フォトカソードよりも頑丈な素材で形成することができる。具体的には、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃを任意のふさわしい素材で形成し、次いでそれを反射面で被覆すればよい。透明フォトカソードを有する従来型ＰＭＴとは対照的に、本実施形態で記載の如く反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃを有しているＰＭＴであれば、こうすることでＰＭＴの寿命を相応に延長することができる。

次に、ユーザの望みを踏まえ上掲の枠組みを実現できるものもできないものも含め、様々なオプション的アーキテクチャ及び特徴に関しより描写的な情報を説明することにする。重々に注記すべきことに、以下の情報は描写目的で説明されるものであり、どのような形態であれ限定として解釈されるべきではない。後掲のどの特徴も、記載のある他の特徴を排除して又は排除せずに、オプション的に組み込むことが可能である。

図３Ａに、一実施形態に係り、光がヘッドオン入射するハウジングを有する、図２のＰＭＴの反射型フォトカソード／ダイノード下位構造を示す。ハウジング３００内に、単一の反射型フォトカソード２０４及びそれに対応するダイノード構造２０８を備える下位構造が１個しか示されていないが、注記すべきことに、本説明の文脈によれば、図２を参照して上述した如く、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイ及び（複数個の）ダイノード構造２０８Ａ〜Ｃをハウジング３００内に封入することができる。

図示の通り、反射型フォトカソード２０４及びダイノード構造２０８がハウジング３００内に備わっている。このハウジング３００は、管その他、ＰＭＴに関連する分野で既知のあらゆる封入用構造にすることができる。加えて、反射型フォトカソード２０４は、ハウジング３００の切妻(端部：end side)に対しある斜行角(diagonal angle)をなすよう配置されている。ハウジングの切妻の少なくとも一部分は、それ越しに光２０２を通しうる窓にするとよい。図示実施形態では、光２０２がハウジング３００の切妻に対し鉛直方向から差し向けられ、ある角度を以て反射型フォトカソード２０４に入射されている。この場合、このＰＭＴは、ヘッドオンＰＭＴであるものと見なすことができる。

図３Ｂに、一実施形態に係り、光がある角度で入射するハウジングを有する、図２のＰＭＴの反射型フォトカソード／ダイノード下位構造を示す。ここでもまた、ハウジング３００内に、単一の反射型フォトカソード２０４及びそれに対応するダイノード構造２０８を備える下位構造が１個しか示されていないが、注記すべきことに、本説明の文脈によれば、図２を参照して上述した如く、反射型フォトカソード２０４Ａ〜Ｃのアレイ及び（複数個の）ダイノード構造２０８Ａ〜Ｃをハウジング３００内に封入することができる。

図示の通り、反射型フォトカソード２０４及びダイノード構造２０８がハウジング３００内に備わっている。このハウジング３００は、管その他、ＰＭＴに関連する分野で既知のあらゆる封入用構造にすることができる。加えて、反射型フォトカソード２０４は、ハウジング３００の切妻に対しある斜行角をなすよう配置されている。ハウジングの切妻の少なくとも一部分は、それ越しに光２０２を通しうる窓にするとよい。図示実施形態では、光２０２をハウジング３００の切妻に対しある角度で差し向けることが可能であり、その光２０２が鉛直方向から反射型フォトカソード２０４に入射しているので、この場合のＰＭＴはヘッドオンＰＭＴともサイドオンＰＭＴとも見なすことができない。必須ではないが、ハウジング３００の切妻及びそこに組み込まれている窓を、入射光に対し垂直になるように、ひいてはその窓（図示せず）に起因する反射が低減されるように、配置することが可能である。

光は、このような目的を踏まえ、図２に示す反射型フォトカソードのアレイにある角度で入射されることもありうるし、実施形態によっては、図２に示す反射型フォトカソードのアレイに鉛直入射されることもありうる。必須ではないが、ハウジング３００内における反射型フォトカソード２０４の配置角度を、（図３Ａに示した実施形態の如く）反射型フォトカソードのアレイに対し光がある角度で入射されるのかそれとも（図３Ｂに示した実施形態の如く）反射型フォトカソードのアレイに対し光が鉛直入射されるのかに応じ、変えることも可能である。

図４に、一実施形態に係り反射型フォトカソードアレイを有しているＰＭＴの内部を製造する方法を示す。注記すべきことに、図４に記載のある本方法は、上掲の図面及びそれに関連する記述の文脈に沿い実現することが可能である。

本方法の動作４０２では、反射型フォトカソードのアレイが、それら反射型フォトカソードそれぞれが受光可能位置を占めるよう、ハウジング内に設けられる。更に、本方法の動作４０４では、反射型フォトカソードのアレイに対応する少なくとも１個のダイノード構造が、受け取った光に基づき反射型フォトカソードのアレイにより生成された光電子を受け取りうる位置を占めるよう、ハウジング内に設けられる。

様々な実施形態について上述したが、ご理解頂くべきことに、それらは専ら例示のために提示されているのであり限定のため提示されているのではない。即ち、好適な実施形態の拡がり及び技術的範囲は、上述した例示的実施形態のどれによっても限定されるべきものではなく、後掲の特許請求の範囲及びその均等物に従ってのみ画定されるべきものである。

Claims (22)

1. 光がヘッドオン入射する光電子増倍管であって、
   窓を持つ端部を有するハウジングと、
   ハウジング内に設けられた、反射型フォトカソードのアレイであり、それら反射型フォトカソードそれぞれがハウジングの端部の窓を通してハウジングに入射する光を受け取り受け取ったその光から光電子を生成するアレイと、
   ハウジング内に設けられ、反射型フォトカソードの上記アレイに対応しており、対応する反射型フォトカソードのアレイによって生成された光電子を増倍させる少なくとも１個のダイノード構造と、
   を備え、
   アレイの反射型フォトカソードは互いに平行であって、かつハウジングの光が入射する端部に対し同一の斜行角で配置されている、
   光電子増倍管。
2. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記ハウジングが管である光電子増倍管。
3. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記反射型フォトカソードそれぞれが上記ハウジングの端部に対しある斜行角をなすよう配置されている光電子増倍管。
4. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記少なくとも１個のダイノード構造それぞれが複数個のダイノードを有する光電子増倍管。
5. 請求項４記載の光電子増倍管であって、上記ダイノードが、それらの間に光電子を通すべく鎖状配置されている光電子増倍管。
6. 請求項４記載の光電子増倍管であって、上記ダイノードそれぞれが光電子を受け取って増倍させる光電子増倍管。
7. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記少なくとも１個のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソード複数個に対応する単一のダイノード構造を有する光電子増倍管。
8. 請求項７記載の光電子増倍管であって、上記単一のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソード全てに対応する光電子増倍管。
9. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記少なくとも１個のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソードそれぞれに対応する個別のダイノード構造を有する光電子増倍管。
10. 請求項１記載の光電子増倍管であって、上記光が、
    反射型フォトカソードの上記アレイにある角度で入射、
    反射型フォトカソードの上記アレイに鉛直入射、
    のうち一方である光電子増倍管。
11. 請求項１０記載の光電子増倍管であって、
    上記光が反射型フォトカソードの上記アレイに上記角度で入射するとき上記反射型フォトカソードそれぞれが第１角度をとり、
    上記光が反射型フォトカソードの上記アレイに鉛直入射するとき上記反射型フォトカソードそれぞれが上記第１角度とは異なる第２角度をとる光電子増倍管。
12. 光がヘッドオン入射する光電子増倍管を製造する方法であって、
    窓を持つ端部を有するハウジング内に反射型フォトカソードアレイを設け、それら反射型フォトカソードのそれぞれが、ハウジングの端部の窓を通してハウジングに入射する光を受け取りうる位置にあり、
    ハウジング内に反射型フォトカソードアレイに対応する少なくとも１つのダイノード構造を設け、少なくとも１つのダイノード構造は対応する反射型フォトカソードアレイが受け取った光から光電子が生成した光電子を受け取りうる位置にあり、
    アレイの反射型フォトカソードは互いに平行であって、かつハウジングの光が入射する端部に対し同一の斜行角で配置されている、
    方法。
13. 請求項１２記載の方法であって、上記ハウジングが管である方法。
14. 請求項１２記載の方法であって、上記反射型フォトカソードそれぞれが上記ハウジングの端部に対しある斜行角をなすよう配置される方法。
15. 請求項１２記載の方法であって、上記ダイノード構造それぞれが複数個のダイノードを有する方法。
16. 請求項１５記載の方法であって、上記ダイノードが、それらの間に光電子を通すべく鎖状配置される方法。
17. 請求項１５記載の方法であって、上記ダイノードそれぞれが光電子を受け取って増倍させる方法。
18. 請求項１２記載の方法であって、上記光が、
    反射型フォトカソードの上記アレイにある角度で入射、
    反射型フォトカソードの上記アレイに鉛直入射、
    のうち一方である方法。
19. 請求項１８記載の方法であって、
    上記光が反射型フォトカソードの上記アレイに上記角度で入射するとき上記反射型フォトカソードそれぞれが第１角度をとり、
    上記光が反射型フォトカソードの上記アレイに鉛直入射するとき上記反射型フォトカソードそれぞれが上記第１角度とは異なる第２角度をとる方法。
20. 請求項１２記載の方法であって、上記少なくとも１個のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソード複数個に対応する単一のダイノード構造を有する方法。
21. 請求項２０記載の方法であって、上記単一のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソード全てに対応する方法。
22. 請求項１２記載の方法であって、上記少なくとも１個のダイノード構造が、上記アレイ内にある反射型フォトカソードそれぞれに対応する個別のダイノード構造を有する方法。