JP3639888B2

JP3639888B2 - 光子検出器

Info

Publication number: JP3639888B2
Application number: JP09696897A
Authority: JP
Inventors: 昌徳若杉; 安重矢野; 九三男池上
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH10288553A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線分光装置に係わり、更に詳しくは、イオンビームに励起光を照射して発生する微弱な光子を検出するための光子検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二重蓄積リング（ＤＳＲ）は、図７に模式的に示すように、２ケ所で交差する二重の蓄積リングであり、放射性同位元素（ＲＩ）と電子がこのリング内で加速され、交差位置で正面衝突又は寄添衝突ができるようになっている。
図８は、計画中のＸ線分光装置の模式図である。この装置は、ＤＳＲに蓄積される電子ビームからアンジュレータを用いて発生させたＸ線をＲＩビームに正面衝突させて、短寿命核を検出・測定するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＸ線分光装置では、Ｘ線（光ビーム）とＲＩビーム（イオンビーム）の衝突時に発生する光子（フォトン）の数を精密に計測するために、 1真空チャンバー内に流入する散乱光の反射率を十分低く抑え、かつ 2衝突部が位置する真空チャンバー内を１０^-8Ｔｏｒｒ以上の高真空に保持する必要があった。
【０００４】
すなわち、第１の要件は、約１０〜１０² 個／秒程度の検出光を計測するには、約１０¹²〜１０¹³個／秒に達する膨大な量の散乱光からの外乱（バックグラウンド）をほとんど完全に除去しないと計測が不可能になるからであり、第２の要件は、真空度が低い場合には、高エネルギーのイオンビームが残留ガスと衝突してガスを発光させ、この発光はノイズとなり信号検出の邪魔になり、微弱な光子を高感度で検出することが困難となるためである。
【０００５】
言い換えれば、一般に、真空チャンバー内のイオンビームに励起光を照射して発生する微弱な光子（例えば、毎秒１〜１００個程度の光子信号）を検出する場合、入射光自身の散乱光が真空チャンバーの内壁面で乱反射し、膨大なバックグラウンドとなり、微弱な蛍光光子を検出することがほとんど不可能になる。そのため第１の要件を満たし乱反射を防止するために、アルミニウムやステンレス等の金属で作られた真空チャンバーの内面を無反射黒色処理すると、反射面の微細な表面積が増大して真空中でのガスの発生が大きくなり、第２の要件である高真空度を達成できなくなる問題点があった。
【０００６】
つまり、第１の要件と第２の要件は相互に矛盾しており、１０^-8Ｔｏｒｒの高真空自体は、従来の液体窒素による冷却とターボ分子ポンプとの組み合わせで可能であるが、真空チャンバー内を無反射黒色処理すると、ガスの発生によりこの高真空度を維持できなくなる問題点があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）励起光とイオンビームの衝突部に流入する散乱光の反射率を十分低く抑えることができ、かつ（２）衝突部が位置する真空チャンバー内を１０^-8Ｔｏｒｒ以上の高真空に保持することができる光子検出器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、イオンビームに、励起光を照射して発生する光子を検出する光子検出器であって、真空チャンバー内の励起光のイオンビームとの衝突部を囲む無反射パネルと、該無反射パネルを間隔を隔てて囲む熱シールドパネルとを備え、無反射パネルの内面は極低温に保持されたチャコールで構成され、熱シールドパネルは銅又は銅合金で構成されかつ極低温に保持される、ことを特徴とする光子検出器が提供される。
【０００９】
この構成により、衝突部を囲む無反射パネルの内面をチャコールで構成し、かつ極低温に保持することにより、真空チャンバー内の残留ガスがチャコールに吸着されて高真空となる。しかもチャコールは光の反射率が通常の金属表面の黒色処理に比較して半分以下であるので、散乱光による乱反射も少なく低ノイズとなり、高感度で光子を検出することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、クライオポンプを備え、該クライオポンプの冷却部に前記無反射パネルと熱シールドパネルが直接接続され、これにより無反射パネルが約１５Ｋ以下に保持され、熱シールドパネルが約７０Ｋ以下に保持される。
この構成により、高真空を得るために、通常真空ポンプとして使用されるクライオポンプを検出器本体に採用することにより、無反射パネルと熱シールドパネルを約１５Ｋ以下と約７０Ｋ以下の極低温にそれぞれ保持できる。また極低温に保持したチャコールで検出器内部を覆うことにより、無反射パネルの内壁をほぼ完全に無反射にでき、更に、このチャコールの極低温における吸着により真空度を約１０^-8Ｔｏｒｒにすることができる。これによって、散乱光の乱反射を大幅に低減すると同時に、イオンビームと残留ガスとの衝突をなくし、バックグラウンドをほとんどゼロにすることができる。
【００１１】
また、本発明によれば、イオンビームに、励起光を照射して発生する光子を検出する光子検出器であって、筒状の真空チャンバーと、該真空チャンバーの外周部に取り付けられたクライオポンプ及び光子検出器と、真空チャンバーの内部に同軸方向に間隔をもって二重に配置された外筒及び内筒とを備え、前記外筒及び内筒は、クライオポンプの第１冷却ステージと第２冷却ステージにそれぞれ接続されて極低温に保持され、かつ光子検出器の取り付け位置の中心軸方向に対応してそれぞれ開口が設けられ、更に内筒の内表面がチャコールで形成されている、ことを特徴とする光子検出器が提供される。
【００１２】
この構成により、真空チャンバーの軸線に沿って励起光を衝突部に導くことができ、かつ衝突部を二重に配置された外筒及び内筒で囲みクライオポンプに接続することにより、内表面がチャコールで形成された内筒を極低温に保持でき、内筒内面を無反射にしてバックグラウンドをなくすと共に、チャコールによる吸着により真空度を約１０^-8Ｔｏｒｒにすることができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記真空チャンバー、外筒及び内筒に、それぞれ励起光の入射口と出射口が設けられている。この構成により励起光を衝突部に導き、かつ外部に通すことができる。
また、前記真空チャンバーの光子検出器取り付け位置と対向する位置に、励起光の衝突部を中心とする球面を反射面とする凹面ミラーが設けられている。この構成により、衝突で発生した微弱な蛍光光子を凹面ミラーで対向位置の光子検出器に反射させることができ、光子検出器の検出量を増大させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す図である。この図において、本発明の光子検出器１０は、真空チャンバー１２内の励起光１のイオンビームとの衝突部２を囲む無反射パネル１４と、無反射パネル１４を間隔を隔てて囲む熱シールドパネル１６とを備えている。この図において、無反射パネル１４と熱シールドパネル１６は、衝突部２を中心とする二重の球面パネルであるが、本発明はこれに限定されず、衝突部２を二重に囲む限りで、円筒形でもその他の形状であってもよい。
【００１６】
真空チャンバー１２は、内部が排気された金属製容器である。この金属は、例えばステンレス鋼であり、表面が滑らかに仕上げられている。また、真空チャンバー１２には、この例では、下方にクライオポンプ１８が取り付けられ、上方に光検出器２０が取り付けられている。また、励起光１が入射する入射口１２ａ、励起光１が出射する出射口１２ｂ、光検出器２０に光を導くプローブ用窓１２ｃを備えている。励起光１は例えばＸ線、レーザー光等の光束であるのがよい。また各窓（入射口１２ａ、出射口１２ｂ、プローブ用窓１２ｃ）は、励起光１を減衰させることなく通す透明な物質（例えば石英ガラス）からなる。なお、衝突部２にイオンビーム等を導いて励起光１と衝突させる場合には、励起光１と対向させて導入するか、図示しない別の方向（例えば紙面に直交する方向）に別の窓を設けるのがよい。
【００１７】
クライオポンプ１８は、ヘリウムガスを圧縮し断熱膨張させて、第１ステージ１８ａに約７０Ｋ以下の極低温を発生させ、同時に第２ステージ１８ｂに約１５Ｋ以下の極低温を発生させるようになっている。このクライオポンプ１８の冷却部（第１ステージ１８ａと第２ステージ１８ｂ）に無反射パネル１４と熱シールドパネル１６が直接接続され、これにより無反射パネルが約１５Ｋ以下に保持され、熱シールドパネルが約７０Ｋ以下に保持されるようになっている。
【００１８】
更に、無反射パネル１４の内面又は無反射パネル全体がチャコールで構成されている。チャコールは純粋なカーボンからなり、比表面積が大きく、極低温に保持することにより、ガスを吸着して高真空を得ることができ、かつ光の反射率が通常の金属表面の黒色処理に比較して半分以下である特徴がある。
また、熱シールドパネル１６は熱伝導率が高く輻射率が低い材料（例えば光沢のある銅又は銅合金）で構成されており、無反射パネル１４への輻射による入熱を大幅に低減するようになっている。
【００１９】
上述した構成により、高真空を得るために、通常真空ポンプとして使用されるクライオポンプ１８を検出器本体に採用することにより、無反射パネル１４と熱シールドパネル１６を約１５Ｋ以下と約７０Ｋ以下の極低温に保持できる。また極低温に保持したチャコールで検出器内部を覆うことにより、無反射パネル１４の内壁をほぼ完全に無反射にでき、更に、このチャコールの極低温における吸着により真空度を約１０-8Ｔｏｒｒにすることができる。これによって、散乱光の乱反射を大幅に低減すると同時に、イオンビームと残留ガスとの衝突をなくし、バックグラウンドをほとんどゼロにすることができる。
【００２０】
言い換えれば、衝突部２を囲む無反射パネル１４の内面をチャコールで構成し、かつ極低温に保持することにより、真空チャンバー１２内の残留ガスはチャコールに吸着されて高真空となる。しかもチャコールは光の反射率が通常の金属表面の黒色処理に比較して半分以下であるので、散乱光による乱反射も少なく低ノイズとなり、高感度で光子を検出することができる。
【００２１】
図２は、本発明の第２実施形態を示す図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。図２及び図３に示すように、本発明の光子検出器１０は、内部が真空に排気された筒状の真空チャンバー１２と、真空チャンバー１２の外周部に取り付けられたクライオポンプ１８及び光子検出器２０と、真空チャンバー１２の内部に同軸方向に間隔をもって二重に配置された外筒１６及び内筒１４とを備える。
【００２２】
外筒１６及び内筒１４は、図１の実施形態における熱シールドパネルと無反射パネルに相当し、同様に外筒１６と内筒１４は、クライオポンプ１８の第１冷却ステージ１８ａと第２冷却ステージ１８ｂにそれぞれ接続され、それぞれ約７０Ｋ以下、約１５Ｋ以下の極低温に保持されている。
【００２３】
図４は、図３のＢ部拡大図である。この図に示すように、内筒１４（無反射パネル）自体は熱伝導率が高く輻射率が低い材料（例えば光沢のある銅）で混されており、その内面に円筒形チャコール１５が密に並べられ、極低温でガスを発生しない接着剤で接着されている。なお、本発明はこの構成に限定されず、内筒全体をチャコールで構成してもよい。
【００２４】
また、図２及び図３において、真空チャンバー１２、外筒１６及び内筒１４がすべて円筒形であり、その軸線に沿って励起光１とイオンビーム３が反対方向から入射して真空チャンバー１２内で衝突するようになっている。この衝突の際に、微弱な光子が発生する。
更に、真空チャンバー１２と外筒１６及び内筒１４には、光子検出器２０の取り付け位置の中心軸方向に対応してそれぞれ開口２０ａが設けられ、内筒１４内で発生した光を光子検出器２０に導くようになっている。
【００２５】
図２に示すように、この実施形態では、光子検出器２０の取付け部は六角柱になっており、その３面にそれぞれ４台づつ、合計で１２台の光子検出器２０が取り付けられている。光子検出器２０は、例えばフォトマルである。光子検出器２０は微弱な光を検出するために、多いほど好ましいが、１台又は数台であってもよい。
【００２６】
図５は、図２及び図３におけるレンズ構成を示す図である。真空チャンバー１２の光子検出器２０の取り付け位置と対向する位置に、励起光のイオンビームとの衝突部（すなわち真空チャンバー１２の軸心）を中心とする球面を反射面とする凹面ミラー２２が設けられている。また、光子検出器２０の検出面前面には、２つの凸レンズ２３とその間にフィルター２４が配置されている。凹面ミラー２２は誘電体多層膜ミラーであり、フィルター２４は誘電体多層膜フィルターであり、それぞれ特定の波長の光（例えば２０６ｎｍ）を選択的に反射又は透過させるようになっている。
【００２７】
この構成により衝突で発生した微弱な蛍光光子を凹面ミラー２２で対向位置の光子検出器２２に反射させることができ、光子検出器２２の検出量を増大させることができる。また、２つの凸レンズ２３の間で平行光となるようになっており、誘電体多層膜フィルター２４により特定の波長光のみを通し、光子検出器２２の検出面に集光することができる。
【００２８】
上述した構成により、真空チャンバー１２の軸線に沿って励起光１をイオンビームとの衝突部に導くことができ、かつ衝突部を二重に配置された外筒１６及び内筒１４が囲みクライオポンプ１８に接続することにより、内表面がチャコールで形成された内筒を極低温に保持でき、内筒内面を無反射にしてバックグラウンドをなくすと共に、チャコールによる吸着により真空度を約１０^-8Ｔｏｒｒにすることができる。
【００２９】
図６は、本発明の光子検出器を用いて測定した¹¹Ｂ²⁺ビーム（イオンビーム）のレーザー誘起蛍光スペクトル図を示す。この図において、（Ａ）は、２０６．７８９ｎｍの蛍光の計測例であり、（Ｂ）は２０６．６４３ｎｍの蛍光の計測例である。いずれも、横軸に波長、縦軸に光子強度を示している。
従来は、上述したようにバックグラウンドの影響で微弱な蛍光がほとんど計測できなかった。しかし、本発明の光子検出器により、この図に示すように、バックグラウンドをほとんど完全になくし、対象とする蛍光を選択的に精度よく検出できることが確認された。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の光子検出器は、（１）励起光とイオンビームの衝突部に流入する散乱光の反射率を十分低く抑えることができ、かつ（２）衝突部が位置する真空チャンバー内を１０^-8Ｔｏｒｒ以上の高真空に保持することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】図３のＢ部拡大図である。
【図５】図２及び図３のレンズ構成を示す図である。
【図６】本発明の光子検出器を用いて測定した¹¹Ｂ²⁺ビーム（イオンビーム）のレーザー誘起蛍光スペクトル図である。
【図７】二重蓄積リング（ＤＳＲ）の模式図である。
【図８】Ｘ線分光装置の模式図である。
【符号の説明】
１励起光
２衝突部
３イオンビーム
１０光子検出器
１２真空チャンバー
１４無反射パネル（内筒）
１５チャコール
１６熱シールドパネル（外筒）
１８クラリオポンプ
１８ａ第１ステージ
１８ｂ第２ステージ
２０光検出器（フォトマル）
２２凹面ミラー
２３凸レンズ
２４フィルター

Claims

イオンビームに、励起光を照射して発生する光子を検出する光子検出器であって、
真空チャンバー内の励起光のイオンビームとの衝突部を囲む無反射パネルと、該無反射パネルを間隔を隔てて囲む熱シールドパネルとを備え、
無反射パネルの内面は極低温に保持されたチャコールで構成され、熱シールドパネルは銅又は銅合金で構成されかつ極低温に保持される、ことを特徴とする光子検出器。
クライオポンプを備え、該クライオポンプの冷却部に前記無反射パネルと熱シールドパネルが直接接続され、これにより無反射パネルが約１５Ｋ以下に保持され、熱シールドパネルが約７０Ｋ以下に保持される、ことを特徴とする請求項１に記載の光子検出器。
イオンビームに、励起光を照射して発生する光子を検出する光子検出器であって、
筒状の真空チャンバーと、該真空チャンバーの外周部に取り付けられたクライオポンプ及び光子検出器と、真空チャンバーの内部に同軸方向に間隔をもって二重に配置された外筒及び内筒とを備え、
前記外筒及び内筒は、クライオポンプの第１冷却ステージと第２冷却ステージにそれぞれ接続されて極低温に保持され、かつ光子検出器の取り付け位置の中心軸方向に対応してそれぞれ開口が設けられ、更に内筒の内表面がチャコールで形成されている、ことを特徴とする光子検出器。
前記真空チャンバー、外筒及び内筒に、それぞれ励起光の入射口と出射口が設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の光子検出器。
前記真空チャンバーの光子検出器取り付け位置と対向する位置に、励起光の衝突部を中心とする球面を反射面とする凹面ミラーが設けられている、ことを特徴とする請求項３又は４記載の光子検出器。