JP4231123B2 - 電子管及び光電子増倍管 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、二次電子放出により入射電子流を増倍する電子増倍部とを備える電子管に関し、例えば複数段に積層されたダイノードからなる電子増倍部を有する光電子増倍管に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光電子増倍管は原子核・高エネルギー物理、及び核医学などの分野における各種測定に広く使用されている。
【０００３】
図５に、従来の光電子増倍管の一例の上面図及び断面図を示す。この光電子増倍管は、入射光を受ける円形の受光面板１１と、受光面板１１の内部下面に形成され、その電位は０Ｖに保持されている光電陰極２０と、光電陰極２０に対して正電位であり光電陰極２０より放出された電子が入射される第１段ダイノード２４ａを含む複数段ダイノードによる電子増倍部２４を持つ。電子増倍部２４の各段のダイノード２５には多数の電子増倍孔がマトリクス状に配列・形成されており、また、これら積層したダイノード２５の下部には、アノード電極２６及び最終段ダイノード２７が順に配設されている。光電陰極２０と電子増倍部２４との間には、電子収束部２１ａを有する収束電極２１が配設されており、光電陰極２０と同電位に保持されている。これによって、光電陰極２０から放出された光電子は第１段ダイノード２４ａに向かって加速され、電子収束部２１ａによって軌道を収束された後、第１段ダイノード２４ａの所定の領域内に入射する。
【０００４】
【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において、長時間の使用とともに光電陰極の感度が劣化し、その結果、入射光に対する光電子増倍管の出力が低下するという問題が生じている。このような問題は、特にＧａＡｓなどの半導体光電陰極を用いた光電子増倍管において顕著に現れる。
【０００５】
本発明は、光電陰極と電子増倍部とを有する電子管において、光電陰極の劣化を防止し、長時間の使用に対して安定した出力が可能な電子管を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、発明者は上記光電陰極の劣化の原因について検討した結果、電子増倍部のうちもっとも光電陰極に近い電子入射部付近において正イオンが発生し、当該正イオンが発生場所の電界によって光電陰極に向かって加速されて、光電陰極に衝突するイオンフィードバックを起こし、その結果光電陰極を劣化させていることを見出した。
【０００７】
そこで本発明による請求項１に記載の電子管は、入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、二次電子放出により入射電子流を増倍する電子増倍部とを備え、電子増倍部は、電子増倍部を構成する各部のうち光電陰極にもっとも近く位置して光電陰極より放出された電子が入射される電子入射部を含み、電子入射部の電位が、光電陰極の電位よりも高く設定された電子管において、光電陰極と電子増倍部との間に、電子増倍部において発生する正イオンを閉じ込めるためのイオン閉じ込め電極と、イオン閉じ込め電極によって閉じ込められた正イオンを捉えるためのイオントラップ電極とを順次備え、イオン閉じ込め電極の電位が、電子入射部の電位よりも高く、イオントラップ電極の電位が、光電陰極の電位よりも高いかまたは等しく、かつ、イオントラップ電極の電位が、電子入射部の電位よりも低く設定されたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の光電子増倍管は、請求項１記載の電子管において、電子入射部である第１段ダイノードを含む複数段ダイノードからなる電子増倍部と、増倍された二次電子流を取り出すアノード電極とを備え、イオン閉じ込め電極の電位が、第１段ダイノードの電位よりも高く、イオントラップ電極の電位が、第１段ダイノードの電位よりも低く設定されたことを特徴とする。
【０００９】
このような電子管においては、外部から入射した光は光電陰極によって光電子に変換され、光電陰極に対して正電位であるイオン閉じ込め電極に向かって加速され、イオン閉じ込め電極及びイオントラップ電極の開口部を通過した後に、電子増倍部の電子入射部に到達する。このとき電子入射部付近において正イオンが発生する。
【００１０】
本発明による電極構造においては、発生した正イオンは光電陰極に向かって加速されるが、電子入射部に対してイオン閉じ込め電極は正電位であるため、正イオンはイオン閉じ込め電極の開口部を通過して光電陰極に到達することができない。最終的に正イオンは、イオン閉じ込め電極及び電子入射部のいずれよりも低い電位に設定されているイオントラップ電極に、また一部は電子入射部自身に捉えられ、それによって光電陰極の劣化が防止される。
【００１１】
この場合、イオン閉じ込め電極の電位は、光電陰極から電子増倍部への光電子の収束を損なうことのない範囲において、正イオンの発生場所である電子入射部よりも高い電位に設定することによって、光電子の収集効率を低下させることなくイオンフィードバックとそれによる光電陰極の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光電子増倍管の好適な実施形態について説明する。図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。なおここでは、電極間の電位の高低は、電位の絶対値にはよらず電極間の電位差の正負によって定義し、例えば電極Ａが電極Ｂに対して正電位にあるときに電極Ａの電位は電極Ｂの電位よりも高いとする。
【００１３】
図１は本発明に係る電子管の光電子増倍管における実施形態の断面図を示す。この光電子増倍管は、真空容器１０の内部に複数段ダイノードからなる電子増倍部２４を配設して構成され、真空容器１０は、入射光を受ける円形の受光面板１１と、この受光面板１１の外周部に配設される円筒形の金属側管１２と、基台部を構成する円形のステム１３とから形成されている。
【００１４】
受光面板１１の内部下面には、ＧａＡｓからなる半導体光電陰極２０が形成されており、電位０Ｖに保持されている。形成されたＧａＡｓからなる光電陰極２０の組立時における熱的損傷を防ぐために、受光面板１１及び金属側管１２はインジウムシール１４によるコールドシールによって接合され、その外側は保持リング１４ａによって保持されている。
【００１５】
電子増倍部２４は、正方形の平板状の金属表面の所定の部位に二次電子放出面が形成されたメタルチャンネル型のダイノード２５を７段に積層して構成されている。各段のダイノード２５には多数の電子増倍孔が形成されており、それらの電子増倍孔はスリット状に配列されている。また、これら積層したダイノード２５の下部には、アノード電極２６及び最終段ダイノード２７が順に配設されている。
【００１６】
光電陰極２０と第１段ダイノード２４ａとの間には、多数の開口がスリット状に配列・形成されている電子収束部２１ａを有する収束電極２１が配設されている。この収束電極２１は光電陰極２０と同電位に保持されており、それによって光電陰極２０から放出された光電子は、電子収束部２１ａの影響によって軌道を収束され、第１段ダイノード２４ａの所定の領域内に入射される。
【００１７】
本実施形態における特徴として、収束電極２１と第１段ダイノード２４ａとの間に、イオン閉じ込め電極２２及びイオントラップ電極２３が配設されている。
【００１８】
図２は収束電極２１、イオン閉じ込め電極２２及びイオントラップ電極２３の開口構造に関して一部破断して示した斜視図である。イオン閉じ込め電極２２及びイオントラップ電極２３においても、電子収束部２１ａを構成している収束電極２１のスリット状の開口に対応して、多数の開口がスリット状に配列・形成されている。なお、図２には接触端子や電極を積層・保持するための構造など、開口部以外の構造は省略されている。
【００１９】
基台部となるステム１３には、外部の電圧端子と接続して収束電極２１、各ダイノード２５、２７、イオン閉じ込め電極２２及びイオントラップ電極２３などに所定の電圧を与えるピン１７が貫通されており、各ピン１７は、テーパー状のハーメチックガラス１８によってステム１３に対して固定されている。
【００２０】
図３に収束電極２１、イオン閉じ込め電極２２、イオントラップ電極２３、第１段ダイノード２４ａ及び第２段ダイノード２４ｂに設定される電位を示す。収束電極２１の電位は光電陰極２０と同電位の０Ｖであり、第１段ダイノード２４ａ及び第２段ダイノード２４ｂにはそれぞれ９４．１Ｖ及び１８８．２Ｖが印加される。それに対して、イオントラップ電極２３の電位は光電陰極２０と同電位の０Ｖとし、イオン閉じ込め電極２２には第１段ダイノードよりも高い１８８．２Ｖが印加される。イオン閉じ込め電極２２の電位については、本実施形態においては第２段ダイノード２４ｂと等しくすることによって、ピン１７の数を増やすことなく必要な電位を与えることができる。
【００２１】
このように各々の電極の電位を設定したときの、電子増倍部２４において発生する正イオンの軌道の計算例が、図３に示されている。イオンフィードバックをおこす正イオンの発生機構については、第１段ダイノードに入射する光電子によって第１段ダイノードの二次電子放出面に吸着しているガス分子が放出され、そのガス分子に光電子または二次電子が衝突することによって正イオン化するものと推測される。
【００２２】
上記の電極構造において、第１段ダイノード２４ａ付近（図３における領域Ａ）で発生した正イオンは、イオン閉じ込め電極２２によって電位的におさえられ、最終的にイオントラップ電極２３に、また一部は第１段ダイノード２４ａ自身に吸収され、それによって正イオンは光電陰極に到達することができない。
【００２３】
また、電子流から考えると、第２段以降のダイノード付近の方が正イオンの発生数が多いと考えられる。図３に第２段ダイノード２４ｂ付近（図３における領域Ｂ）で発生した正イオンの軌道の計算例が示されているが、それらの正イオンは前段のダイノード、したがってこの場合には第１段ダイノード２４ａ、もしくは第２段ダイノード２４ｂ自身に吸収される。このため、第２段以降のダイノード付近において発生する正イオンは、従来の光電子増倍管においてもイオンフィードバックとそれによる光電陰極の劣化には寄与しないと推測され、したがってイオン閉じ込め電極２２の電位については、第１段ダイノード２４ａの電位よりも高く設定するという条件によって十分なイオンフォードバックの抑制効果を得ることができる。
【００２４】
上記の実施形態によって示された構成を有する実施例による光電子増倍管の相対出力の経時変化特性を、イオン閉じ込め電極及びイオントラップ電極を持たない従来のＧａＡｓ半導体光電陰極を有する光電子増倍管と比較して図４に示す。従来型のものが１００時間後に５５％まで出力が低下しているのに対し、本発明による改良型のものは１００時間後においても９８％と光電陰極の劣化による出力の低下は見られず、長時間の使用に対して非常に安定した性能が実現されている。
【００２５】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、種々の形態の電子管及び光電子増倍管に対して適用が可能である。
【００２６】
例えば、上記実施形態では、各段のダイノードにスリット状に配列・形成された複数の電子増倍孔を有するメタルチャンネル型のダイノードを用いているが、マトリクス状に配列・形成された複数の電子増倍孔を有するメタルチャンネル型のダイノードを用いても良い。この場合、収束電極、イオン閉じ込め電極及びイオントラップ電極の開口構造もダイノードに対応したマトリクス状の開口とすることができる。さらに、各段のダイノードに複数の電子増倍孔を持たないダイノード、また例えばセラミック表面の所定の部位に二次電子放出面が形成されたダイノードなどメタルチャンネル型以外のダイノードに対しても同様な作用効果が得られる。
【００２７】
また、上記実施形態では収束電極が用いられているが、例えばマイクロチャンネルプレートを用いた光電子増倍管もしくはイメージ管など、収束電極を用いていない場合においても、同様の作用効果が得られる。マイクロチャンネルプレートは、内壁を二次電子放出面とした微細なガラスパイプの集合体からなり、パイプに沿って内壁への電子の衝突と二次電子の放出が多数回繰り返されることによって入射電子を増倍するダイノードであり、光電陰極に対して正電位であるマイクロチャンネルプレートの電子入射面を電子増倍部の電子入射部として、本発明を適用することができる。なお、イメージ管とは、入射した光学像が光電面において光電変換によって光電子像に変換され、光電子像は電子レンズ系で加速・結像され、電子増倍部で増倍された後、蛍光面に入射して光学像として再生される電子管である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による電子管は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。
【００２９】
すなわち、光電陰極と電子増倍部との間に、イオン閉じ込め電極と、イオントラップ電極とを順次配設し、イオン閉じ込め電極の電位が、電子入射部の電位よりも高く、イオントラップ電極の電位が、光電陰極の電位よりも高いかまたは等しく、かつ、電子入射部の電位よりも低く設定されることによって、電子入射部付近において発生する正イオンの光電陰極へのイオンフィードバックによる光電陰極の劣化を防ぎ、長時間に亘って安定した出力による動作をする電子管が可能になる。
【００３０】
イオンフィードバックによる光電陰極の劣化は、半導体光電陰極を用いた電子管において顕著に現れるものであるが、それ以外の光電陰極を用いた電子管においても一般的に起こる現象であり、その寿命に影響を及ぼすと考えられる。したがって本発明による電極構造と各電極の電位設定は、半導体以外の光電陰極を用いた電子管に対しても有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光電子増倍管に係る実施形態の構成の断面図である。
【図２】図１に示した光電子増倍管の収束電極、イオン閉じ込め電極及びイオントラップ電極の開口構造を一部破断して示す斜視図である。
【図３】図１に示した光電子増倍管の各電極の電位及び正イオンの電極間での軌道の計算例を示す断面図である。
【図４】実施例の光電子増倍管の相対出力の経時変化特性を従来例と対比するグラフである。
【図５】従来の光電子増倍管の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１０…真空容器、１１…受光面板、１２…金属側管、１３…ステム、１４…インジウムシール、１４ａ…保持リング、１５…アルミ膜、１６…保持用スプリング、１７…ピン、１８…ハーメチックガラス、１９…金属チップ管、２０…光電陰極、２１…収束電極、２１ａ…電子収束部、２２…イオン閉じ込め電極、２３…イオントラップ電極、２４…電子増倍部、２４ａ…第１段ダイノード、２４ｂ…第２段ダイノード、２５…ダイノード、２６…アノード電極、２７…最終段ダイノード。

Claims (2)

1. 入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、二次電子放出により入射電子流を増倍する電子増倍部とを備え、
   前記電子増倍部は、前記電子増倍部を構成する各部のうち前記光電陰極にもっとも近く位置して前記光電陰極より放出された電子が入射される電子入射部を含み、
   前記電子入射部の電位が、前記光電陰極の電位よりも高く設定された電子管において、
   前記光電陰極と前記電子増倍部との間に、前記電子増倍部において発生する正イオンを閉じ込めるためのイオン閉じ込め電極と、前記イオン閉じ込め電極によって閉じ込められた正イオンを捉えるためのイオントラップ電極とを順次備え、
   前記イオン閉じ込め電極の電位が、前記電子入射部の電位よりも高く、
   前記イオントラップ電極の電位が、前記光電陰極の電位よりも高いかまたは等しく、かつ、前記イオントラップ電極の電位が、前記電子入射部の電位よりも低く設定されたことを特徴とする電子管。
2. 請求項１記載の前記電子管において、
   前記電子入射部である第１段ダイノードを含む複数段ダイノードからなる前記電子増倍部と、増倍された二次電子流を取り出すアノード電極とを備え、
   前記イオン閉じ込め電極の電位が、前記第１段ダイノードの電位よりも高く、
   前記イオントラップ電極の電位が、前記第１段ダイノードの電位よりも低く設定されたことを特徴とする光電子増倍管。

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