JP3059483B2 - チャネル光電子増倍管 - Google Patents

チャネル光電子増倍管

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JP3059483B2
JP3059483B2 JP3512873A JP51287391A JP3059483B2 JP 3059483 B2 JP3059483 B2 JP 3059483B2 JP 3512873 A JP3512873 A JP 3512873A JP 51287391 A JP51287391 A JP 51287391A JP 3059483 B2 JP3059483 B2 JP 3059483B2
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04Electron multipliers
    • H01J43/06Electrode arrangements
    • H01J43/18Electrode arrangements using essentially more than one dynode
    • H01J43/24Dynodes having potential gradient along their surfaces
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    • H01J43/00Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04Electron multipliers

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  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • X-Ray Techniques (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Quick-Acting Or Multi-Walled Pipe Joints (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本発明は、一体型セラミック胴体から製造された改良
型チャンネル電子増倍管およびその製造方法に関する。
さらに特定すると、本発明は、前記チャンネルが増大さ
れた電子及び壁の衝突のためと、特に長いチャンネルの
長さが要求される時の小さい寸法の装置のためとに好ま
しくは三次元的に湾曲された通路を備えるチャンネル電
子増倍管に関する。本発明は、さらに、これら及び同様
の電子増倍管を使用する光電管と、フェースプレート及
び通路表面の両方に対する光電子放出の位置とに関す
る。
従来技術 電子増倍管は、典型的に光増倍管内で使用される。こ
の光増倍管内で、電子増倍管は、光信号が衝突するとき
にフォトカソードから放出される電子流の増幅器として
役立つ。この従来技術の光増倍管装置において、フォト
カソード、電子増倍管及び他のいくつかの機能要素は、
真空外囲器(例えば、ガラス製の外囲器)内に別個の
(離散配置の)要素として封入される。外囲器内部の真
空環境は、本質的に安定であって、管の製造中に最適な
使用性能に調整される。この種の応用における電子増倍
管は、概してベリリウム−銅あるいは銀−マグネシウム
合金から形成されるような別個の金属合金ダイノードを
使用する。一般に、電子増倍管は、外囲器内に別個の要
素として固定されねばならない。その結果、光電管装置
は、振動や衝撃による損害を受けやすい。さらに、増倍
管は完全に真空外囲器内にあるため、増倍管の熱ダイノ
ード表面と光電管の周辺の外部環境との間には比較的少
ない熱結合しか存在しない。
真空外囲器を必要としない電子増倍管のための他の応
用がある。この応用には、例えば、イオンが検出される
べき質量スペクトルメータと電子が検出されるべき電子
スペクトルメータがある。これらの応用では、検出され
るべき信号、すなわちイオンあるいは電子は、真空外囲
器を貫通できず、代わりに「ウインドウレス」電子増倍
管のダイノード表面上に直接衝突しなければならない。
別個の金属合金ダイノードをもつ電子増倍管は、「ウ
インドレス」の応用にはうまく適合しない。「ウインド
レス」応用において、このダイノードが大気に晒される
と、悪影響を受ける。さらにまた、動作電圧が増大され
て二次電子放出特性の損失を補償する場合、別個のダイ
ノード増倍管は、個々のダイノードからの電界放出によ
る好ましくないバックグラウンド信号ノイズを示す。こ
れらの理由で、チャンネル電子増倍管は、「ウインドレ
ス」検出が必要な場合にしばしば使用される。
Goodrich他に付与された米国特許第3,128,408号は、
シリカに富むために優れた二次電子放出器である内部半
導体ダイノード表面の層をもつ直線軸をもつ滑らかなガ
ラス管から構成されるチャンネル増倍管装置を開示す
る。前記表面の「連続の」特性は、外部電界放出もしく
はノイズにあまり敏感でなく、大気に晒してもその二次
電子放出特性に悪影響を生じない。
滑らかな硝子管のチャンネル電子増倍管は、比較的高
い負の温度係数の抵抗率(TCR)と低温伝導率をもつ。
このように、これらのチャンネル電子増倍管は、「熱暴
走(サーマル・ラナウエイ)」として知られる状態の発
生を防ぐために比較的高いダイノード抵抗をもたねばな
らない。これは、硝子チャンネル電子増倍管の低温伝導
率のために、ダイノードの抵抗熱がダイノードから十分
に伝達され得ない状態である。破滅的な過熱が発生する
まで、ダイノードの温度は増大し続け、ダイノード抵抗
ではさらに減少せしめる。
この問題を避けるために、チャンネル電子増倍管は、
比較的高いダイノード抵抗を有するように製造される。
この装置が高い周辺温度で動作される場合、ダイノード
抵抗はより一層高くしなければならない。結果として、
ダイノードバイアス電流は、(別個の(離散配置の)ダ
イノード増倍管に対して)低い数値に制限され、そして
その最大信号もまたそれに比例して制限される。その結
果、チャンネル増倍管は、しばしば高い信号レベルで飽
和し、そのため線形検出器として振る舞わない。動作電
圧がダイノード間に加えられるのに応じて、ダイノード
の抵抗熱が発生することは理解されるだろう。負のTCR
のため、電力がダイノードで益々多く消費され、低抗熱
は高くなり、ダイノード抵抗はさらに減少する。
典型的な硝子管チャンネル増倍管の欠陥を軽減するた
めの努力において、セラミック支持部材から形成される
チャンネル増倍管が開発された。このような装置は、L.
G.Wolfgangに付与された米国特許第3,244,922号と、A.
V.Fraioliに付与された米国特許第4,095,132号とToyoda
に付与された米国特許第3,612,946号とに例示されてい
る。
米国特許第3,244,922号と米国特許第4,095,132号とに
図示して説明されているように、電子増倍管は二部分か
らなるセラミック材料から形成され、管の形の通路(チ
ャンネル)がこれら二部分のうちの少なくとも一方の内
面に切り込まれている。このようなチャンネルは、Frai
oliに付与された特許に示されるように曲げられ、もし
くはWolfgangに付与された特許に示されるように波状に
できるけれど、いずれも二次元形状に限定され、電子と
壁の衝突のためための制限された機会しか創製できな
い。
米国特許第3,612,946号において、半導体であるセラ
ミック材料は、胴体やこの胴体内に含まれる通路のため
のダイノード表面として役立つ。効果的なチャンネル電
子増倍管として機能するこの装置に対して、通路の縦軸
の方向は本質的にセラミック材料を通る電流の流れ(こ
のような電流の流れは動作に必要な電位を加えることに
よって生じる)の方向と平行である。
発明が解決しようとする課題 本発明は、上で説明した従来技術のチャンネル光増倍
管装置の改良である。本発明は、硝子管型(連続型)チ
ャンネル増倍管および別個の(離散型の)ダイノード増
倍管の有益な動作を結合し、これまで知られている堅固
さと製造の容易さを付加する。
したがって、バックグラウンドノイズの最小化と共に
高い利得をもつチャンネル光電子増倍管を提供すること
が本発明の目的である。
優れた二次電子放出特性をもつ半導体材料から形成さ
れるダイノード層をもつチャンネル増倍管を含む光電管
装置を提供することが本発明の別の目的である。
電子と壁の衝突を最善の状態にし小型の形状において
長いチャンネルに備えるために中を通る三次元通路をも
つチャンネル増倍管を含む光電管装置を提供することが
本発明の別の目的である。
チャンネル増倍管を含む堅固で容易に製造される光電
管装置を提供することが本発明の別の目的である。
電気リード線と固定ブラケットと開口プレートとフォ
トカソードと信号アノードとその他同様のもののための
絶縁支持部材として役立つチャンネル増倍管を含む光電
管装置を提供することが本発明のさらなる目的である。
改良したフォトカソード形状をもつ光電管装置を提供
することが本発明のさらなる目的である。
本発明の上記および他の目的と利点は、添付図面を参
照しつつ以下の実施例の説明を読むことで明白になるだ
ろう。しかし、図面は説明のためであって本発明の限界
を限定するものでないことは理解されるだろう。
課題を解決するための手段 本発明の光電増倍管は、A.電気的に絶縁性の円筒状の
胴体と、該胴体内の少なくとも一つの入口ポートと少な
くとも一つの出口ポートと、各対の入口及び出口ポート
の間で前記胴体を通って延長する湾曲した部分を有する
少なくとも一つの中空通路と、二次電子放出ダイノード
材料と光電子放出要素とを含んでいる前記中空通路の内
壁であって前記胴体の方向とは非平行な内壁とを含んで
いる電子増倍管であって、前記光電子放出要素が前記入
口ポートの下にある前記電子増倍管と、 B.前記入口ポートに設けた透明のフェースプレートと、
それを支持するためのための支持部材と、 C.前記透明フェースプレートを前記絶縁胴体に封止する
ための手段と、 D.アノード及び出力信号結合器を含み、且つ前記アノー
ドのための支持部材を含んでいるアノード組立体と、 E.前記アノード組立体を前記絶縁胴体に封止するための
手段であって、これにより前記アノードが前記出口ポー
トで前記通路より内部の領域と接触する前記手段と、 を有する光電子増倍管であって、 前記中空通路の壁と前記透明フェースプレートと前記ア
ノードとが密閉領域を形成し、前記密閉領域が実質的に
排気されており、前記密封領域に前記光電子放出要素が
配置されている、光電子増倍管である。
アノード組立体は、アノードと出力信号結合器と、そ
してアノードのための支持部材とを含んでいる。アノー
ド組立体は絶縁胴体に封止されるため、アノードは出口
ポートにおいて通路より内側の領域と接触する。
この形状を使用すると、通路と透明フェースプレート
とアノード組立体とは、フェースプレートと通路壁とア
ノードとにより画定される密閉領域を規定し、その中に
光電子放出性素子を配置し、そしてこの密閉領域は、実
質的に排気される。
発明の実施の形態 図1及び3を参照すると、本発明と共に有用な形態に
おいて構成されたチャンネル増倍管は、10で示される。
これは、一体型の電気的に絶縁のセラミック材料から構
成される。例えば上記特許第3,244,922号と4,095,133号
で開示したようなチャンネル通路の整列と継ぎ目の問題
は、一体型胴体によって除去される。
図1及び3に示される実施例において、増倍管の一体
型胴体12は、円筒形状である。さらに、前記胴体の一端
部は、中空通路もしくはチャンネル16へと展開する円錐
もしくはじょうご形状の入口路もしくは入口ポート14を
備えることができる。チャンネル16は、好ましくは三次
元的に形成され、例えば増倍管10の胴体12を連続貫通し
ている一もしくはそれ以上の螺旋を持つことができ、入
口ポート14から円筒形状胴体の反対端部18の出口ポート
で増倍管10を出る。また、チャンネルの通路は、「イオ
ンフィードバック」によって生じる不安定を回避するた
めに増倍管利得が約1×106よりも大きい応用において
は、曲げられねばならないことは理解されるだろう。
じょうご形状入口路14と中空通路16の表面20は、優れ
た二次電子放出特性をもつ半導体材料で被覆される。前
記被覆は、以下、ダイノード層と記述する。以下で説明
するように、図7に関して、表面20は本発明の光電子放
出要素として動作する光電子放出フィルム36aで被覆さ
れる。
図3は図1の変形例であり、入力カラー44がセラミッ
ク胴体12に嵌合されて入力ポート14と電気的に接触する
のに使用される。また出力フランジ46は、セラミック胴
体12へ嵌合されて、信号アノード48を位置付け且つ保持
し且つまた出口ポート18と電気接触するのに使用され
る。
図2を参照すると、図示された実施例は、自由形状の
チャンネル増倍管として説明されてもよい。該実施例で
は、増倍管10は、広げられたじょうご形状ヘッド24をも
つ管状の曲がった胴体22を有する。通路26は、曲がった
胴体22を貫通して提供され、じょうご形状入口路28と連
絡する。図2の通路26が図1の通路16と相違しているの
が理解されるだろう。ここで、通路26は、一回転してい
ない二次元通路である。図1の実施例は、体積もしくは
包装の考察次第で図2の実施例よりも好ましいかもしれ
ない。図1及び3の実施例のように、通路26及び入口路
28の表面30は、ダイノード層で被覆される。
図4は、チャンネル増倍管10が図1及び3で示したも
のと同様の内部形状をもつが胴体32が円筒状でない異な
った外部形状をもつ本発明のさらなる実施例を開示して
いる。本発明のチャンネル増倍管を製造する方法に関し
て以下に説明されるべき理由として、所望の形状のほと
んどが前記増倍管として使用できる。
図5及び6を参照すると、複数の中空通路もしくはチ
ャンネルを使用する本発明の別の実施例が、全体的に60
で示されている。チャンネル電子増倍管60は、胴体62の
前面66及び裏面68を相互連絡する多数の中空通路64をも
つセラミック材料のユニタリ型もしくは一体型の胴体62
から構成される。通路64が、直線、二次元曲線、あるい
は三次元曲線にできることは理解されるだろう。前面66
及び裏面68は金属的にすることによって伝導性を帯び、
他方ダイノード層は通路壁上に被覆される。
図7は、図4に示されるものと同様の本発明の光増倍
管の別の実施例の断面図である。この図示の実施例にお
いて、鉛硝子抵抗ダイノード材料が、じょうご形状入口
路14および通路26の表面30上に配される。その後光電子
放出フィルム形式の光電子放出要素36aが、このダイノ
ード材料の上にあるじょうご形状出口路14の表面30に形
成される。他の実施例では、光電子放出フィルムは直接
表面20上にあるが、じょうご形状領域より外側の通路の
壁の上を延長するダイノードの上にはない。光電子放出
フィルムの位置として他の位置付けは、チャンネル増倍
管の特定の形状に応じ且つここの説明と一致して適当に
できる。図1〜6の要素に対応する要素は、同一参照番
号で示される。
図8は、図7に示されるものと同様の本発明の別の実
施例の断面図である。この図示した実施例において、入
口路14の表面20の上部は、ニクロムのような金属性の伝
導性被覆材70で被覆されている。この被覆材70は更にフ
ェースプレート36の下側を延長するように設けられる
が、この領域で透明フィルムである。同様なフィルム7
0′もまたBの増倍管の底部を被覆することができる。
被覆材70は、表面20上に電荷が集積するのを抑制するの
に使用できる。この電荷の集積が電子の流れを歪める。
伝導被覆材は、また電界制御にも使用できる。図9のよ
うに、Aで示される増倍管の端部は接地されてもよい。
図8の図示された実施例において、透明のフェースプ
レート36は、インジウム合金あるいは概してこの分野に
おいて知られた他の可鍛金属のような伝導封止材72によ
って胴体62と結合される。封止要素72は、入口路14およ
びフェースプレート36を覆っている伝導被覆材70の部分
と物理的かつ電気的に接触している。任意の外部ピン76
が図8のように示され、さらに図9にも示されるよう
に、任意の外部ピン76は増倍管の端部よりも低電位であ
る。図示した実施例において、ピン76は通路14へ延長
し、図7に関連して上で説明した光電子放出フィルム36
aの方式と同様の方式で動作するフォトカソード78aを支
持する支持部材78を含んでいる。これもまた光電子放出
フィルムと共に使用できる。
実際には、図9の回路図に示すように、この装置は、
位置Cのカソード78aと位置Dのアノードとの間に、陽
極端部から位置Bの底部フィルム70′までの抵抗リード
線と結合された電力供給源80を含んでいる。出力端子82
は出力信号を供給する。
本発明の増倍管の一体型セラミック胴体は、アルミ
ナ、ベリリア、ムライト、ステアタイトおよびその他同
様物のような種々の異なる材料から製造できる。選定さ
れる材料は、化学的、力学的および熱的にダイノード層
と両立可能であるべきである。これは、高い絶縁体力を
もち且つ絶縁体として振る舞うべきである。
本発明で使用されるべきダイノード層は、いくつかの
型の内の一つであってもよい。例えば、第一型のダイノ
ード層は、従来のチャンネル増倍管の製造に使用された
ものと同様の一般型の硝子から構成される。内部通路の
壁に適当に置かれて伝導性にし、そして十分な伝導材料
となるとき、これは従来のチャンネル増倍管として機能
すべきである。二次電子放出特性を与える他の材料もま
た使用できる。
本発明の増倍管用セラミック胴体は、「セラミック」
技術を使用して製造される。
一般に、所望の通路内に置かれるべき所望通路の形状
の前もって作った形成物は、アルミナのようなセラミッ
ク材料で囲まれて高圧で圧縮される。
前もって作った形成物を含む胴体が圧縮された後、ビ
スキングや粉末冶金のような標準的なセラミック技術を
使用して処理される。前もって作った形成物は、高温処
理中に溶けるかもしくは焼けるだろう。これにより、前
もって作った形成物と同一形状の通路が残る。
形成に続いて、胴体は、焼結されて硬質高密度の胴体
を形成する。この硬質高密度の胴体は、前もって焼かれ
且つ作った形成物の形状の中空通路をその内部に含んで
いる。
冷却後、中空通路の表面は、公知の技術により本願で
先に記述したようなダイノード材料で被覆される。更
に、この表面は、公知の技術により既に記述したような
光電子放出フィルムで被覆される。
ある実施例では、一旦、通路がダイノード材料で被覆
され、入口路が光電子放出フィルムで被覆され、開口端
部と出力端部は金属性にされた。胴体は、ある実施例で
は、入力カラーもしくはフランジ35と、セラミックスペ
ーサリング34と、透明フェースプレート36と、内部表面
上の(図4に示す)光電子放出フィルム36aと、出力フ
ランジ38と、信号アノード42のくっついたセラミック封
止部40のような、図4および7に示されるような種々の
電気的支持結合部材を取り付けできる。別法として、別
個の光電子放出要素を、フェースプレートの内面付近に
支持できる。フェースプレート36は、堅固なガラスでも
良いしあるいは光ファイバの配列でも良い。アノード42
は、例えば支持部材か、電荷結合ダイオードか、もしく
は別個の電荷収集アノードの配列の上に燐を含んでい
て、支持および封止部材40を通って給電する金属リード
線をもつ。これら特長は、図4aにおいて部材42aで概略
図にして表わされる。図4に示されるものと同じ形状に
おいて、この装置は、光電管の真空外囲器電子増倍管と
して機能する。図4の実施例は、フェースプレート36は
別個のスペーサリング34とフランジ35によって胴体に結
合されているが、本発明はまたフェースプレート36が胴
体32に直接結合されて配置されてもよい。本発明のまた
他の形態では、高利得のダイノード34aは、フォトカソ
ードの光電子放出要素と電子増倍管の入口ポートとの間
に動作するように配置できる。このような形状では、光
電子放出要素は電子増倍管の入口ポートと接触している
とさらに考えられる。
図4の形状を使用すると、一体型胴体もしくは複合要
素胴体のいずれか、別個のガラスもしくはセラミック管
胴体のいずれかを使うと、すなわち真空外囲器の他の様
式は必要でなく、そのため光電管の製造が単純になる。
さらに、本発明の光電管は、別個の胴体をもつ従来技術
よりもさらにずっと堅固である。この従来技術の装置で
は、増倍管は、別個の要素として固定され、振動や衝撃
による損害を受けやすい。
一体型セラミックチャンネル電子増倍管の外面が大気
圧と周辺温度の下にあって本発明の光電管を使用する
と、内部のダイノード面上に発生する熱は、この外面へ
効率よく移送される。この外面において、熱は、対流冷
却及び放射と伝導冷却により効率よく放散できる。この
後者の要因が、従来技術以上に実質的な動作利点を提供
する。本発明のチャンネル光電子増倍管は、他の型のチ
ャンネル電子増倍管(CEM)の光電管によって今までに
達成されたものより大きい信号電流レベルを提供する。
実際には、本発明は、別個のダイノード光電管の信号電
流レベルに近い信号電流レベルを提供する。その結果、
別個のダイノード増倍管の光電管が別個の抵抗器の連鎖
や多重電気真空フィードスルー結合を必要とするように
は必要としない。
以上、本発明の好ましい実施例と考えられるものを図
示し説明したけれども、当業者であれば、本発明の技術
思想から逸脱することなく種々の変更及び修正が可能で
あることは明らかであろう。かかる変更及び修正は全て
本発明の技術思想に包含されるべきものである。
図面の簡単な説明 図1は、本発明のチャンネル電子増倍管の透視図であ
る。
図2は、本発明のある実施例の透視図である。
図3は、付加的な支持部材と電気要素を備えた図1の
線3−3に沿って切断した断面図である。
図4は、図3に示されるものと同様の、本発明のチャ
ンネル電子増倍管の成型バージョンの断面図である。
図4Aは、本発明のチャンネル電子増倍管と結合して使
用するのに適当なアノードの概略図である。
図5は、本発明のまた別のチャンネル電子増倍管の透
視図である。
図6は、図5の線6−6に沿って断面図である。
図7は、図4に示されるものと同様の、本発明の光電
管の別の実施例の断面図である。
図8は、図7に示されるものと同様の、本発明の光電
管の別の実施例の断面図である。
図9は、図8の実施例に使用する典型的な回路形態の
概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クナーク,ジェイムズ エル. アメリカ合衆国 03464 ニューハンプ シャー,スポフォード,フォレストビュ ー ドライブ 26 (56)参考文献 実開 昭51−81655(JP,U) 特表 平1−501823(JP,A) 米国特許3902240(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 43/24

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】A.電気的に絶縁性セラミックの円筒状の胴
    体と、該胴体内の少なくとも一つの入口ポートと少なく
    とも一つの出口ポートと、各対の入口及び出口ポートの
    間で前記胴体を通って延長する湾曲した部分を有する少
    なくとも一つの中空通路であって二次電子放出ダイノー
    ド材料と光電子放出要素とを含んでいる前記中空通路の
    内壁であって前記胴体の方向とは非平行な内壁とを含ん
    でいる電子増倍管であって、前記光電子放出要素が前記
    入口ポートの下にある前記電子増倍管と、 B.前記入口ポートに設けた透明のフェースプレートと、
    それを支持するためのための支持部材と、 C.前記透明フェースプレートを前記絶縁胴体に封止する
    ための手段と、 D.アノード及び出力信号結合器を含み、且つ前記アノー
    ドのための支持部材を含んでいるアノード組立体と、 E.前記アノード組立体を前記絶縁胴体に封止するための
    手段であって、これにより前記アノードが前記出口ポー
    トで前記通路より内部の領域と接触する前記手段と、 を有する光電子増倍管であって、 前記中空通路の壁と前記透明フェースプレートと前記ア
    ノードとが密閉領域を形成し、前記密閉領域が実質的に
    排気されており、前記密封領域の前記入口ポートから離
    間した部分に前記光電子放出要素が配置されている、前
    記光電子増倍管。
  2. 【請求項2】前記中空通路が少なくとも一回転している
    請求項1に記載の光電子増倍管。
  3. 【請求項3】前記通路が前記胴体内で三次元曲線を形成
    する請求項2に記載の光電子増倍管。
  4. 【請求項4】前記絶縁胴体が一体型である請求項1に記
    載の光電子増倍管。
  5. 【請求項5】前記光電子放出要素と前記入口ポートとの
    間にダイノードをさらに含んでいる請求項1に記載の光
    電子増倍管。
  6. 【請求項6】前記光電子放出要素が前記ダイノードと接
    触する請求項1に記載の光電子増倍管。
  7. 【請求項7】前記通路を限定する前記胴体の壁から前記
    通路へ延長し、且つ前記通路内で前記光電子放出要素を
    支持するための支持部材を含んでいる、支持部材を含む
    請求項1に記載の光電子増倍管。
JP3512873A 1990-07-27 1991-05-13 チャネル光電子増倍管 Expired - Fee Related JP3059483B2 (ja)

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US558,761 1990-07-27

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