JP3614255B2

JP3614255B2 - 光電子増倍管

Info

Publication number: JP3614255B2
Application number: JP25507496A
Authority: JP
Inventors: 新一村松; 文宏高山; 豊彦寺田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2016-09-26
Also published as: JPH10106481A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子増倍管に係り、特に、電子増倍部に入射した電子を多段に積層させたダイノードで増倍させる大型の光電子増倍管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光電子増倍管として、特開昭５９−１５１７４１号公報に記載したものが知られている。この光電子増倍管は、有底円筒状の真空容器の一端に形成された光電面と、入射した光電子を増倍させて複数のダイノードを積層した電子増倍部と、電子増倍部で増倍された電子を出力信号として収集する網状のアノード（陽極）と、平板状の最終段ダイノード（反転型ダイノード）とを備えている。従って、光電面から放出された光電子は、電子増倍部で増倍し、最終段ダイノードで反射した後、出力信号としてアノードで収集される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光電子増倍管は、上述したように構成されているため、次のような課題が存在していた。
【０００４】
すなわち、光電子増倍管の電子増倍部は多段のダイノードからなるため、光電子増倍管のサイズが小さい場合、例えば密封容器の直径が２インチ以下の場合には、各ダイノード自体の直径もあまり大きくならず、それ自体で所望の剛性を持たせることができ、各ダイノードを組み上げて電子増倍部にした場合でも、所望の剛性が得られる。しかし、密封容器の直径が３インチ以上になると、各ダイノードが大型化すると、各ダイノード自体が捩れたり撓んだり変形し易く、しかも、各ダイノードを組み上げて電子増倍部にした場合でも、所望の剛性が得られ難い。従って、この状態のままでは、光電子増倍管を製造する際の熱に対して変形が起こり易く、一定の特性を確保し難いといった問題点があった。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電子増倍部の変形を防止すると同時に、陽極でのユニフォミティを良好にすることができる光電子増倍管を提供することをその目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明の光電子増倍管は、密封容器内で複数段に積層された電子増倍部のダイノードにより増倍させた電子を、最終段ダイノードで反射させた後、出力信号として陽極で収集する光電子増倍管において、各段のダイノードは、電子を収束させるメッシュ状の収束メッシュ電極と、２次電子面を有すると共に各ダイノードの最外郭に形成した縁部に架け渡した第１の補強バーを有するコースメッシュ電極と、収束メッシュ電極とコースメッシュ電極との間に配置されると共にコースメッシュ電極の第１の補強バーと重なり合う第２の補強バーを有するスペーサ電極との組からなり、収束メッシュ電極には、第１の補強バーと第２の補強バーとからなるダイノード補強バーにより形成される不感領域に対応させて、２次電子放出部が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この光電子増倍管においては、収束メッシュ電極とコースメッシュ電極とスペーサ電極とで一組をなすダイノードを、第１の補強バーと第２の補強バーとからなるダイノード補強バーにより補強することで、熱によるダイノードの捩れや撓み変形に強く耐震性の良い構造が確保される。また、ダイノード補強バーを各ダイノードに設けることで、このダイノード補強バー近傍で２次電子が発生せず、不感領域となってしまい、これが原因で陽極でのユニフォミティが悪くなり、陽極での出力の落ち込みを生じさせる。そこで、ダイノード補強バーによる不感領域に対応して、収束メッシュ電極に２次電子放出部を設ける。その結果、収束メッシュ電極でも２次電極を発生させることができ、陽極での出力の落ち込みを補うだけの増倍電子を発生させることが可能になる。
【０００８】
この場合、スペーサ電極の第２の補強バーに２次電子面が形成されると好ましい。このような構成を採用した場合、スペーサ電極の第２の補強バーで２次電極が消失することがなく、効率よく電子を増倍させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による光電子増倍管の好適な一実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る光電子増倍管を示す断面図である。同図に示す光電子増倍管１は密封容器２を有し、この密封容器２は、コバール金属からなる円筒状の側管３を有している。この側管３の頂部には、側管３の上側開放端を塞ぐように、略８インチの直径をもつ大型のガラス製受光面板４が高周波溶接により固定されている。更に、側管３の下部には、側管３の下側開放端を塞ぐように、ガラス製のステム５が高周波溶接により固定されている。そして、受光面板４の内面には、入射光により光電子を発生させるための光電面４ａが形成され、ステム５の中央には、密封容器２内にアルカリ金属蒸気を注入するためのガラス製チューブ６がステム５と一体に形成されている。
【００１１】
この密封容器２内には、光電面４ａからの電子を多段増倍させるための電子増倍部７が配置され、電子増倍部７は、１１段に積層された１１枚の円板状のダイノード８と、１１段目のダイノード８の下方に設けらた最終段ダイノード（反転型ダイノード）９とからなる。そして、各段のダイノード８及び最終段ダイノード９は、ステム５を貫通して環状に配列された複数のピン３３ａにより所定の電圧が印加される。最終段ダイノード９と１１段目のダイノード８との間には、マトリックス状に配列された複数本のＸアノード１０ａと複数本のＹアノード１０ｂとからなるクロスワイヤ型アノード（陽極）１０が配置されている。各Ｘアノード１０ａ及び各Ｙアノード１０ｂは、ステム５を貫通して環状に配列された複数のピン３３ｂに接続され、各ピン３３ｂを利用することで、アノード出力が外部に送出される。なお、符号３４は、光電面４ａからの光電子を収束させるためのリング状収束電極である。
【００１２】
図２に示すように、各段のダイノード８は、電子を収束させるメッシュ状の収束メッシュ電極１１と、２次電子面を有するコースメッシュ電極１２と、収束メッシュ電極１１とコースメッシュ電極１２との間に配置されて、これらの間隔を保持するためのスペーサ電極１３との組からなる。図３に示すように、収束メッシュ電極１１は、最外郭に直径約２００ｍｍで厚み０．１５ｍｍ程度のリング状縁部１１ａを有し、この縁部１１ａには、８個の位置決め用耳部１１ｂが等間隔に形成されている。更に、縁部１１ａ内はハニカム状のメッシュ１１ｃとなっている。図４に示すように、コースメッシュ電極１２は、収束メッシュ電極１１と同じ大きさの直径で厚み０．２ｍｍ程度のリング状縁部１２ａを有し、この縁部１２ａには、８個の位置決め用耳部１２ｂが等間隔に形成されている。更に、縁部１２ａ内には等間隔に配列された平行メッシュ１２ｃが張られている。
【００１３】
図５に示すように、スペーサ電極１３は、収束メッシュ電極１１及びコースメッシュ電極１２と同じ大きさの直径で厚み０．６ｍｍ程度のリング状縁部１３ａを有し、この縁部１３ａには、８個の位置決め用耳部１３ｂが等間隔に形成されている。なお、厚み０．３ｍｍのスペーサ電極１３を２枚重ねる場合もある。
【００１４】
そして、収束メッシュ電極１１とコースメッシュ電極１２とでスペーサ電極１３を挟み込み、これら電極１１，１２及び１３を導電状態にすることで、同電位を可能にした一組のダイノード８が作り出される。このとき、ダイノード８は薄くて大きなリング体をなしているので、捩れや撓みに弱く、変形を起こし易い構造になる。そこで、コースメッシュ電極１２に４本の第１補強バー１２ｄを設け、各第１補強バー１２ｄは、縁部１２ａの内側において、平行メッシュ１２ｃに対して直交する方向に等間隔で張られている。更に、ダイノード８の強度をアップさせるために、スペーサ電極１３にも４本の第２補強バー１３ｄが設けられ、各第２補強バー１３ｄは、コースメッシュ電極１２の各第１補強バー１２ｄに重なるように配列されると共に、ダイノード８の組立てに際して、各第１補強バー１２ｄに溶接される。
【００１５】
このように、収束メッシュ電極１１とコースメッシュ電極１２とスペーサ電極１３とからなる３枚一組のダイノード８は、図６に示すように、それぞれの耳部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを揃えるようにして組付けられ、各ダイノード８は、図１に示すように、アノード１０の上方で１１段に重ねられている。この場合、図示しない連結ピンを、各ダイノード８のそれぞれの耳部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂに通すことで、各ダイノード８は位置決めされつつ多段に積層される。そして、各ダイノード８間にセラミック製の円筒形スペーサ１４を介在させることで、各ダイノード８間を電気的に絶縁する。
【００１６】
更に、各ダイノード８を１１段に積層させる場合、各ダイノード８は、コスト低減のため、同じ形状のものが利用されるが、９０度ずつ位相させるように積み上げられる。その結果、第１補強バー１２ｄと第２補強バー１３ｄとからなる４本のダイノード補強バー１５は、隣接する段同士において、９０度の位相角をもって配列され、電子増倍部７において、各ダイノード補強バー１５は、上方（受光面板４側）から見てマトリックス状に配列されることになる。また、ダイノード補強バー１５は、図４及び図５に示すように、同一間隔で配置されているが全体的に片側に僅かに寄せられている。従って、電子増倍部７において、各ダイノード８の９０度位相配列を行った場合、各ダイノード補強バー１５は、隣接する上下の段同士の関係においては直交するが、一段飛ばして比較すると平行になっており、しかも、一段飛ばしの関係においては、上方（受光面板４側）から見て所定の間隔で離間している。
【００１７】
ここで、前述したダイノード補強バー１５は、各ダイノード８が薄くて大型になることで付加されたものであり、この部分で２次電子が消失すると、ダイノード補強バー１５の周辺で、図７に示すように、アノード１０の出力が落ち込み、この不感領域Ｓによりユニフォミティが悪くなる。そこで、ダイノード補強バー１５によるアノード出力の低下を阻止するために、ダイノード補強バー１５の長手方向に沿った周辺部分に形成される４つの不感領域Ｓ（図５参照）に対応させて、収束メッシュ電極１１に２次電子放出部２０を設ける（図３参照）。この２次電子放出部２０を作り出す方法としては、先ず、図６に示すように、２次電子放出部２０に対応する部分を幅５ｍｍで切り欠かいた開口部２１を有するマスク体２２を利用し、このマスク体２２を、一組のダイノード８の収束メッシュ電極１１上に位置決めするように載せ、開口部２１を通して、ダイノード８にアンチモンを外部蒸着する。これにより、収束メッシュ電極１１の２次電子放出部２０及びダイノード補強バー１５にアンチモンが蒸着される。このようにして蒸着されたアンチモンは、光電子増倍管１の組立て後にチューブ６から導入されるアルカリ金属蒸気と反応して２次電子面を作り出す。
【００１８】
なお、第１段のダイノード８の真上において、２次電子放出部２０に対応する領域にアンチモンが予め蒸着させられている補助電極（図示せず）を配置させてもよい。この場合、光電子増倍管１の組立て後の通電により、補助電極のアンチモンを飛散させ、第１段目の収束メッシュ電極１１の２次電子放出部２０にアンチモンを付着させるようなアンチモン内部蒸着も可能である。
【００１９】
また、２次電子放出部２０をもった収束メッシュ電極１１は、ダイノード８のどの段に適用してもよく、例えば、受光面板４に最も近い第１段目と第２段目に適用させ、第１段目と第２段目とで２次電子放出部２０をクロスさせるように配置させてもよく、また、第１〜第３段目に２次電子放出部２０を適用させてもよい。このように、何段目の収束メッシュ電極１１に２次電子放出部２０を設けるかは、光電子増倍部１の特性に応じて適宜選択されるものであるが、図８に示すように、アノード１０の出力にユニフォミティが確保されることが肝要である。すなわち、アノード１０での出力の落ち込みを補うだけの２次電子を、２次電子放出部２０で発生させることが必要となる。
【００２０】
図１及び図９に示すように、密封容器２の内部には、直径約２００ｍｍで厚み０．７ｍｍ程度の円板からなる熱シールド性の補強板２３が設けられている。この補強板２３は、最終段ダイノード９とステム５との間に配置されると共に、８個の位置決め用耳部２３ａにより、図示しない連結ピン及びセラミック製の円筒形スペーサ１４を介して電子増倍部７に固定される。そして、補強板２３は、ステム５から立ち上がる複数のリードピン３３ｃと、補強板２３に一端が固定されたステンレス製支柱パイプ２５とを溶接することで、密封容器２に固定される。従って、支柱パイプ２５で支えられた補強板２３により電子増倍部７を確実に補強することができ、熱による電子増倍部７の捩れや撓み変形に強く耐震性の良い構造が確保される。
【００２１】
更に、図９及び図１０に示すように、補強板２３には、ステム５の中央に設けられたアルカリ金属蒸気注入用チューブ６のアルカリ金属蒸気出口６ａに対峙する円板状のアルカリ金属蒸気衝突部２３ｂが形成されている。このアルカリ金属蒸気衝突部２３ｂは、アルカリ金属蒸気出口６ａの開口面積にほぼ相応した大きさをもっている。また、アルカリ金属蒸気衝突部２３ｂの周囲には、電子増倍部７に向けてアルカリ金属蒸気を均一に流出させるアルカリ金属蒸気分散孔２４が形成されている。アルカリ金属蒸気分散孔２４は、アルカリ金属蒸気衝突部２３ｂを取り囲むようにして配列された第１のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａと、第１のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａの外方で放射状に配列された第２のアルカリ金属蒸気分散孔２４ｂとからなる。
【００２２】
また、第１のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａは、６等分割されてそれぞれが扇形に形成され、第２のアルカリ金属蒸気分散孔２４ｂは、それぞれが同じ大きさの円孔をなしている。そして、各第２のアルカリ金属蒸気分散孔２４ｂに対して各第１のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａは大きな開口面積を有する。これは、密封容器２内において、側管３と補強板２３及び電子増倍部７との間に環状の隙間Ｂが形成されていることに起因する。すなわち、補強板２３のアルカリ金属蒸気分散孔２４から均一なアルカリ金属蒸気を噴出させるために、真空の密封容器２内に注入されたアルカリ金属蒸気が、環状の隙間Ｂを通過することを考慮した結果である。
【００２３】
そこで、電子増倍部７に２次電子面を形成する際、アルカリ金属蒸気がチューブ６を介して、真空の密封容器２内に矢印方向Ｃに注入されるが、このとき、チューブ６を介して注入されたアルカリ金属蒸気の直進性に起因して、アルカリ金属蒸気は、補強板２３のアルカリ金属蒸気衝突部２３ｂに一旦当ることで、補強板２３の面に沿って外側に分散するように広がっていく。そして、アルカリ金属蒸気が、補強板２３の面に沿って広がって行くうちに、第１及び第２のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａ，２４ｂから電子増倍部７に向けてアルカリ金属蒸気が分散するように均一に噴出し、後述する最終段ダイノード９のアルカリ金属蒸気通過孔３０ｂ，３１ｂ（図１１参照）との協働により、電子増倍部７内にアルカリ金属蒸気が均一に回る。その結果、電子増倍部７に予め蒸着されたアンチモンとアルカリ金属蒸気とが反応することで、電子増倍部７に、均一な２次電子面が形成され、受光面板４に均一な光電面４ａが形成されることになる。
【００２４】
すなわち、このような補強板２３は、チューブ６を利用して密封容器２内にアルカリ金属蒸気を注入する際の邪魔板となっているが、この補強板２３にアルカリ金属蒸気分散孔２４ａ，２４ｂを設けることで、アルカリ金属蒸気の均一分散を達成している。このような構造の光電子増倍管１は、５インチや８インチといった大型の光電子増倍管に最適であり、大型の光電子増倍管１を、医療用のガンマカメラに利用することで、小さな光電子増倍管を多数並べることなく、一個の大型光電子増倍管１で心臓等の臓器を一度に撮像することができ。
【００２５】
また、補強板２３を、金属製側管３との組み合わせて利用する場合、密封容器２を組み立てるに際し、金属製側管３とステム５との接合を高周波溶接で達成することができ、溶接作業中に高熱が発生することがなく、ステム５と補強板２３とを近づけても、密封容器２内の電子増倍部７に悪影響を与えることがない。従って、ステム５と補強板２３とを近づけることができる分だけ、側管３を短くすることができ、光電子増倍管１のコンパクト化を促進させることができる。更に、補強板２３に熱シールド性をもたせることで、金属製側管３とステム５との接合時に発生する熱を、補強板２３で遮断することができ、電子増倍部７に伝わる熱を効率良く遮断することができる。
【００２６】
次に、最終段ダイノード９について説明する。
【００２７】
図１１及び図１２に示すように、最終段ダイノード９は、上層（第１層）の最終段ダイノード９Ａと下層（第２層）の最終段ダイノード９Ｂとの２層からなり、セラミック製の円筒形スペーサ１４により離間させられている（図１参照）。上層の最終段ダイノード９Ａは、図１３に示すように、収束メッシュ電極１１とほぼ同じ大きさの直径で厚み０．３ｍｍ程度のリング状縁部９Ａａを有し、この縁部９Ａａには、８個の位置決め用耳部９Ａｂが等間隔に形成されている。更に、縁部９Ａａ内には、断面矩形で棒状の平行メッシュ３０が等間隔に張られている。また、上層の最終段ダイノード９Ａは薄くて大きなリング体をなしているので、捩れや撓みに弱く、変形を起こし易い構造になっている。そこで、最終段ダイノード９Ａに４本の補強バー９Ａｄを設け、各補強バー９Ａｄは、縁部９Ａａの内側において、平行メッシュ３０に対して直交する方向に等間隔で張られている。
【００２８】
同様に、下層の最終段ダイノード９Ｂは、上層の最終段ダイノード９Ａと同じ形状を有すると共に、縁部９Ｂａ，位置決め用耳部９Ｂｂ，平行メッシュ３１及び補強バー９Ｂｄを有している。
【００２９】
そこで、図１１及び図１２に示すように、上側に位置する平行メッシュ３０の上面には、アノード１０に向けて２次電子を反射させる電子反射面３０ａが形成され、平行メッシュ３０間には２次電子及びアルカリ金属蒸気を通過させるためのアルカリ金属蒸気通過孔３０ｂが形成されている。同様に、下側に位置する平行メッシュ３１の上面には、アノード１０に向けて２次電子を反射させる電子反射面３１ａが形成され、平行メッシュ３１間にはアルカリ金属蒸気を通過させるためのアルカリ金属蒸気通過孔３１ｂが形成されている。そして、上層の最終段ダイノード９Ａのアルカリ金属蒸気通過孔３０ｂと、下層の最終段ダイノード９Ｂの電子反射面３１ａとを対峙させる。
【００３０】
また、上層の最終段ダイノード９Ａに形成された隣接する電子反射面３０ａ間のピッチと、下層の最終段ダイノード９Ｂに形成された隣接する電子反射面３１ａ間のピッチとは同一になっており、しかも、電子反射面３０ａ，３１ａの幅Ｗに対して、アルカリ金属蒸気通過孔３０ｂ，３１ｂの幅Ｚを僅かに小さくしている。従って、上層の最終段ダイノード９Ａに対して下層の最終段ダイノード９Ｂを半ピッチ分ずらすことで、電子増倍部７のダイノード８で増倍された２次電子を漏らすことなく、アノード１０に向けて反射させることができる。
【００３１】
更に、上層の最終段ダイノード９Ａと下層の最終段ダイノード９Ｂとをスペーサ１４で離間させることで、アルカリ金属蒸気通過孔３０ｂと３１ｂとが塞がれることがなく連通し、均一なアルカリ金属蒸気流通孔が形成されることになる。その結果、補強板２３の第１及び第２のアルカリ金属蒸気分散孔２４ａ，２４ｂから噴出するアルカリ金属蒸気を１１段のダイノード８に向けて均一に送り込むことができる。
【００３２】
なお、下層の最終段ダイノード９Ｂの電子反射面３１ａは、上層の最終段ダイノード９Ａのアルカリ金属蒸気通過孔３０ｂを通過する電子を捕捉する幅Ｚを少なくとも有していればよく、上層の最終段ダイノード９Ａに形成された隣接する電子反射面３０ａ間のピッチと、下層の最終段ダイノード９Ｂに形成された隣接する電子反射面３１ａ間のピッチとは必ずしも一致する必要はない。更に、平行メッシュ３０及び３１の断面形状は、台形でも三角形でもよいが、電子反射面３０ａ，３１ａがアノード１０に対して平行になるように配置されることが必要である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明による光電子増倍管は、以上のように構成されているため、次のような効果を得る。すなわち、各段のダイノードは、電子を収束させるメッシュ状の収束メッシュ電極と、２次電子面を有すると共に各ダイノードの最外郭に形成した縁部に架け渡した第１の補強バーを有するコースメッシュ電極と、収束メッシュ電極とコースメッシュ電極との間に配置されると共にコースメッシュ電極の第１の補強バーと重なり合う第２の補強バーを有するスペーサ電極との組からなり、収束メッシュ電極には、第１の補強バーと第２の補強バーとからなるダイノード補強バーにより形成される不感領域に対応させて、２次電子放出部が設けられることにより、電子増倍部の変形を防止すると同時に、陽極でのユニフォミティを良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光電子増倍管の一実施例を示す断面図である。
【図２】３枚一組のダイノードを示す斜視図である。
【図３】収束メッシュ電極を示す平面図である。
【図４】コースメッシュ電極を示す平面図である。
【図５】スペーサ電極を示す平面図である。
【図６】収束メッシュ電極に２次電子放出部を形成するためのマスク体を示す斜視図である。
【図７】収束メッシュ電極に２次電子放出部を形成してない状態で実験した際のアノード出力図である。
【図８】収束メッシュ電極に２次電子放出部を形成した状態で実験した際のアノード出力図である。
【図９】補強板を示す斜視図である。
【図１０】補強板を示す平面図である。
【図１１】２層からなる最終段ダイノードを示す斜視図である。
【図１２】２層からなる最終段ダイノードを示す断面図である。
【図１３】最終段ダイノードの平面図である。
【符号の説明】
Ｓ…不感領域、１…光電子増倍管、２…密封容器、７…電子増倍部、８…ダイノード、９…最終段ダイノード、１０…アノード（陽極）１１ａ，１２ａ，１３ａ…縁部、１１…収束メッシュ電極、１２…コースメッシュ電極、１２ｄ…第１の補強バー、１３…スペーサ電極、１３ｄ…第２の補強バー、１５…ダイノード補強バー、２０…２次電子放出部。

Claims

密封容器内で複数段に積層された電子増倍部のダイノードにより増倍させた電子を、最終段ダイノードで反射させた後、出力信号として陽極で収集する光電子増倍管において、
各段の前記ダイノードは、電子を収束させるメッシュ状の収束メッシュ電極と、２次電子面を有すると共に前記各ダイノードの最外郭に形成した縁部に架け渡した第１の補強バーを有するコースメッシュ電極と、前記収束メッシュ電極と前記コースメッシュ電極との間に配置されると共に前記コースメッシュ電極の前記第１の補強バーと重なり合う第２の補強バーを有するスペーサ電極との組からなり、前記収束メッシュ電極には、前記第１の補強バーと第２の補強バーとからなるダイノード補強バーにより形成される不感領域に対応させて、２次電子放出部が設けられていることを特徴とする光電子増倍管。
前記スペーサ電極の前記第２の補強バーに２次電子面が形成さ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。