JP4473585B2 - 光電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明は、入射光に応じて生成された光電子を増倍させる光電子増倍管に関するものである。

光電子増倍管は、光電効果を利用した光センサとして幅広い分野で用いられているものである。この光電子増倍管に外部から光が入射されると、光がガラスバルブを透過して光電面に当たり、光電面から光電子が放出される。放出された光電子は、複数段のダイノードに順次入射されることにより増倍され、増倍された光電子は出力信号としてアノードで収集される。この出力信号を測定することにより、光電子増倍管に入射する外部光が検出される（例えば、特許文献１〜３参照。）。
特公昭４３−４４３号公報 特開平５−１１４３８４号公報 特開平８−１４８１１４号公報

このような光電子増倍管の構成としては、例えば、図８、図９に示すようなものが考えられる。同図に示す光電子増倍管は、いわゆるヘッドオン型と呼ばれているもので、円筒状のガラスバルブである密閉容器１内に、カソード３、複数段のダイノード７、及びアノード９が備えられている。

このような構成において、密閉容器１のカソード３側の端面に入射した光は、密閉容器１を透過してカソード３の光電面に当たり、そのカソード３から光電子が放出され、放出された光電子は収束電極５により第１ダイノード７ａ上に収束される。収束された光電子は複数段のダイノード７ａ，７ｂ，７ｃに順次入射されることにより増倍され、この増倍された光電子は出力信号としてアノード９で収集される。ここで、ダイノード７ａ，７ｂ，７ｃは、光電子を効率よく増倍させるために後段のダイノードに向かって凹部を形成するとともに、その端部には側壁が設けられている。

上記の光電子増倍管においては、第１ダイノード７ａの形状に起因して第１ダイノード７ａの近傍における長手方向の電位分布（等電位線Ｌ０の分布）に歪みが生じた状態となっており、第１ダイノード７ａの側壁１１側の端部における電界強度が第１ダイノード７ａの中心部に比較して小さくなっている（図９（ａ）参照。）。一方、カソード３の周辺部から出射された光電子は、第１ダイノード７ａの端部付近に入射する（光電子軌道ｆ０）。この入射により増倍された光電子は、第１ダイノード７ａの近傍における不均一な電界により、その軌道が側壁１１側から密閉容器１の軸線方向に曲げられた状態で第２ダイノード７ｂに入射する。

これに対して、カソード３の中心部から出射された光電子は、第１ダイノード７ａの中心部付近に入射後、第１ダイノード７ａにより増倍されて、ほぼ直線的に第２ダイノード７ｂに入射する（光電子軌道ｇ０）。このため、カソード３における光の入射位置による光電子の走行時間差（ＣＴＴＤ：Ｃａｔｈｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が生じる結果、入射光に対する出力信号の応答時間にゆらぎが発生するとともに、出力信号において十分な時間分解能を得ることが困難である。

そこで、本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、光電子増倍管における入射光に対する時間分解能を向上させることを目的としている。

本発明の光電子増倍管は、入射した光によって電子を放出するカソードと、カソードか
ら放出した電子を増倍させる複数段のダイノードと、カソードから第１段目に位置する第１ダイノードの縁部とカソードから第２段目に位置する第２ダイノードの縁部との間において第１ダイノードの側壁に略平行に配置されており、かつ、第１ダイノードから離間して配置されている平板状の電子レンズ形成電極であり、第１ダイノードと第２ダイノードとの間の空間における等電位面を第１ダイノードの長手方向に平坦化する電位調整手段とを備える。

このような光電子増倍管では、第１ダイノードの前方における第１ダイノードの長手方向の電位分布が平坦化されることにより、カソードの周辺部から放出された光電子が、第１ダイノードの縁部において増倍された後、第１ダイノードからほぼ直進して第２ダイノードに入射される。これにより、カソードにおける光の照射位置による光電子の走行距離の偏差が低減される。

電子レンズ形成電極には、第１ダイノードの電位より高い電位となるように電圧が印加されることが好ましい。

このような構成にすれば、電子レンズ形成電極により第１ダイノードの縁部から第２ダイノードの縁部にかけての電位が効果的に高められ、電位分布の平坦化が容易に実現される。

さらに、電子レンズ形成電極は、カソードから第３段目に位置する第３ダイノードの縁部と電気的に接続されていることも好ましい。

この場合、電子レンズ形成電極に供給する電圧を第３ダイノードと共有でき、電位分布の調整が簡易に為される。

またさらに、電子レンズ形成電極は、複数段のダイノードから離間して配置されていることも好ましい。

こうすれば、電子レンズ形成電極がダイノードから電気的に絶縁されることにより独立して給電可能となるので、電位分布に関する所望の調整が可能となる。

さらにまた、第２ダイノードの縁部と第３ダイノードの縁部との間において電子レンズ形成電極に沿って配置されており、かつ、第２ダイノードから離間して配置されている第２の電子レンズ形成電極を更に備え、第２の電子レンズ形成電極には、第２ダイノードの電位より高い電位となるように電圧が印加されることが好ましい。

かかる第２の電子レンズ形成電極を備えると、第２ダイノードの前面における第２ダイノードの長手方向の電位分布も併せて平坦化されることにより、カソードにおける光の照射位置に関する光電子の走行距離の偏差がより一層低減される。

加えて、第２の電子レンズ形成電極は、電子レンズ形成電極と一体に形成されていることも好ましい。

この場合、電子レンズ形成電極が一体化されるとともに、電極に供給される電圧が共有可能とされるので、単純な構成で電子レンズとしての機能が発揮される。

本発明の光電子増倍管によれば、入射光に対する時間分解能を十分に向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る光電子増倍管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、先に示した従来構成と同一又は相当部分には同一符号を用いることとし、説明における「上下左右」は、図面の上下左右に基づくものとする。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図、図２において、（ａ）は、図１の光電子増倍管のダイノード長手方向に沿った端面図、（ｂ）は、図１の光電子増倍管を図中の左方向から見た端面図である。この光電子増倍管は、ヘッドオン型と呼ばれる光電子増倍管であり、端面から入射された光を検出するための装置である。以下、「上流側」とは、光が入射される端面側を言うものとし、「下流側」とはその反対側を言うものとする。

図１において、密閉容器１は、透光性の密閉容器であり、具体的には、上流側及び下流側の両端が閉鎖された透明な円筒状のガラスバルブである。この密閉容器１の内側の上流側端面近傍には、入射した光により光電子を放出する透過型の光電陰極であるカソード３が設けられている。これに対して、密閉容器１内の下流側には、下流方向に増倍されながら走行する光電子を出力信号として取り出すためのアノード９が取り付けられている。カソード３とアノード９との間には、カソード３から放出された光電子を軸線方向に収束するための収束電極５が設けられ、この収束電極の下流側には、収束された光電子を増倍させるための複数段のダイノード１０７が支持されている。また、カソード３、収束電極５、ダイノード１０７、アノード９は、それぞれが所定の電位に維持されるように、電圧が供給されている。この電圧の供給は、例えば、電源から電圧分割回路のような電源回路（図示せず）を介して行われる。この場合、電源回路は、光電子増倍管と一体化されたものであっても良いし、別体化されたものであっても良い。

図３は、ダイノード１０７を図１と同一の方向から見た側面図である。図３を参照して、ダイノード１０７ａ、ダイノード１０７ｂ、及びダイノード１０７ｃはそれぞれ、カソード３から第１段目、第２段目、及び第３段目に位置し、紙面に垂直な方向を長手方向として設けられたダイノードである。ダイノード１０７ａ、ダイノード１０７ｂ、及びダイノード１０７ｃは、カソード３及び前段のダイノードから放出した光電子を効率よく倍増するように、後段のダイノードに向かって所定の凹形状で形成されており、かつ、所定の傾斜角度で設置されている。また、図２（ａ）に戻って、第１ダイノード１０７ａの長手方向（図２（ａ）の上下方向）の両縁部には、側壁１１１ａ、側壁１１３ａが長手方向に対して垂直に、かつ第２ダイノード１０７ｂ側に伸びるように形成されている。同様に、第２ダイノード１０７ｂの両縁部においては、側壁１１１ｂ、側壁１１３ｂが形成されている。ここで、図２（ａ）及び図２（ｂ）においては、各断面における第２ダイノード１０７ｂの位置を２点鎖線で示している。以下、４段目以降のダイノードの構成はダイノード１０７ｂの構成と同様であるので記載を省略している。

さらに、ダイノード１０７ａ、ダイノード１０７ｂ、及びダイノード１０７ｃには上述した電源回路が接続されており、それぞれ所定の電位ＶＡ、ＶＢ、及びＶＣ（ＶＡ＜ＶＢ＜ＶＣ）に維持されるように電圧が供給される。他のダイノードも同様に、アノード９に向けて順次電位が高くなるように電圧が供給される。

第１ダイノード１０７ａの側壁１１１ａ，１１３ａと第２ダイノード１０７ｂの側壁１１１ｂ，１１３ｂとの間にはそれぞれ、平板電極である電子レンズ形成電極（電位調整手段）１１５，１１７が、側壁１１１ａ，１１３ａと略平行に設置されている。電子レンズ形成電極１１５，１１７の形状はそれぞれ、図３に示すように、側壁１１１ａ，１１３ａと側壁１１１ｂ，１１３ｂとで挟まれた部分をほぼ覆うように略扇形とされる。この電子レンズ形成電極１１５，１１７の形状としては、その他、楕円形、矩形、三角形等のその他の形状も採用可能であるが、ダイノード１０７間において電子レンズ機能を効率よく発揮させるためには、扇形状のものがより好ましく用いられる。

本実施形態においては、電子レンズ形成電極１１５は、第３ダイノード１０７ｃの縁部と接合されることにより第３ダイノード１０７ｃと電気的に接続されている。一方、この電子レンズ形成電極１１５は、側壁１１１ａから一定距離を隔てた所定位置に離間して配置されることにより、第１ダイノード１０７ａと電気的に絶縁状態とされる。併せて、電子レンズ形成電極１１５は、第３ダイノード１０７ｃ以外の各ダイノードからも電気的に絶縁されている。このような構成は、電子レンズ形成電極１１７においても同様である。

なお、本実施形態では、電子レンズ形成電極１１５，１１７は、第３ダイノード１０７ｃと接合されているが、リード線、金属等の他の導電手段により電気的に第３ダイノード１０７ｃと接続されても良い。

電子レンズ形成電極１１５，１１７は、かかる構成により第３ダイノード１０７ｃに印可される電圧が同時に印加されることとなる。つまり、電子レンズ形成電極１１５，１１７には、第１ダイノード１０７ａの電位ＶＡより高い電位ＶＣになるように電圧が印加される。図２（ａ）には、カソード３から第１ダイノード１０７ａにかけての等電位線Ｌ１の分布が、図２（ｂ）には、第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂとの間の径方向の等電位線ｍ１の分布が示されている。これらの図に示すように、電子レンズ形成電極１１５，１１７により、第１ダイノード１０７ａの側壁１１１ａ，１１３ａ近傍から第２ダイノード１０７ｂの側壁１１１ｂ，１１３ｂ近傍にかけての電位が相対的に上昇することがわかる。これにより、第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂとの間の等電位線Ｌ１，ｍ１は第１ダイノード１０７ａの長手方向（図２（ａ）における上下方向、図２（ｂ）における左右方向）に沿って平坦化されるとともに、第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂ間の電界は、第１ダイノード１０７ａの長手方向に沿って一様とされる。この一様化の傾向は、第１ダイノード１０７ａの近傍で特に顕著に現れる。

図２（ａ）に示すように、上記のような空間電位構造により、カソード３の上側端部から放出された光電子は、第１ダイノード１０７ａの長手方向の端部に入射することにより増倍され、第１ダイノードの側壁１１１ａ，１１３ａに平行な方向に出射される。このようにして出射された光電子は、ほぼ直進して第２ダイノードの端部に入射する（光電子軌道ｆ１）。これに対して、カソード３の中心部から放出された光電子は、第１ダイノード１０７ａの長手方向の中心部に入射することにより増倍され、第１ダイノードの側壁１１１ａ，１１３ａに平行な方向に出射される。このようにして第１ダイノード１０７ａから出射された光電子は、ほぼ直進して第２ダイノードの中心部に入射する（光電子軌道ｇ１）。

このように、電子レンズ形成電極１１５，１１７を用いることにより、第１ダイノード１０７ａの前方、つまり第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂとの間における第１ダイノード１０７ａの長手方向の電位分布が平坦化される。その結果、カソード３の周辺部から放出された光電子、及びカソード３の中心部から放出された光電子がともに、第１ダイノード１０７ａによって増倍された後、第１ダイノード１０７ａからほぼ直進して第２ダイノード１０７ｃに入射される。従って、カソード３における光の照射位置による光電子の走行距離の偏差がより小さくされるので、光照射位置による走行時間差（ＣＴＴＤ：Ｃａｔｈｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｔｉｍｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、及び光を全面照射したときの走行時間のゆらぎ（ＴＴＳ：Ｔｒａｎｓｉｔ Ｔｉｍｅ Ｓｐｒｅａｄ）を低減することができる。特に、第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂとの間の光電子の走行距離は他のダイノード間の走行距離に比して大きいので、電子レンズ形成電極１１５，１１７を備えることにより、ＣＴＴＤ、ＴＴＳが効果的に低減される。

また、電子レンズ形成電極１１５，１１７と第３ダイノード１０７ｃとが電気的に接続されているので、第３ダイノード１０７ｃ用の電源回路及び配線等の電圧供給手段を共有することにより、電子レンズ形成電極１１５，１１７に簡易に電圧が供給される。

［第２実施形態］
第２の実施形態にかかる光電子増倍管について以下説明する。なお、第１の実施形態と同一又は同等な構成部分については同一符号を付して、その説明は省略する。

図４は、第２実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。図４に示すように、第２ダイノード１０７ｂは両縁部の側壁が取り除かれた状態で設置されている。

第１ダイノードの側壁１１１ａと第２ダイノード１０７ｂの縁部との間には、側壁１１１ａと略平行に電子レンズ形成電極２１５が設置されている。なお、他方の縁部側においても電子レンズ形成電極が備えられるが、電子レンズ形成電極２１５と同一の構成であるので説明を省略する。電子レンズ形成電極２１５は、電子レンズ形成電極１１５と同様、側壁１１１ａと第２ダイノード１０７ｂの縁部とで挟まれた部分において略扇形の平板電極を形成しているが、第２ダイノード１０７ｂの縁部近傍にまで延在する点が異なる。また、電子レンズ形成電極２１５は、第３ダイノード１０７ｃの縁部と接合され、第３ダイノード１０７ｃ以外のダイノードからは離間して配置されることにより電気的に絶縁状態とされる。上記のような構成を採ることにより、第２ダイノード１０７ｂの縁部と第３ダイノード１０７ｃとの縁部との間にも電位調整手段としての平板電極が備えられる。

上記構成によって、第２ダイノード１０７ｂの前面、すなわち第２ダイノード１０７ｂと第３ダイノード１０７ｃとの間における第２ダイノード１０７ｂの長手方向の電位分布も併せて平坦化される。これにより、第２ダイノード１０７ｂと第３ダイノード１０７ｃとの間の光電子の走行時間差が短縮される結果、カソード３における光の照射位置に関する光電子の全体走行距離の偏差がさらに小さくされることとなり、ＣＴＴＤ、ＴＴＳがより一層低減される。

［第３実施形態］
第３の実施形態にかかる光電子増倍管について以下説明する。なお、第１の実施形態と同一又は同等な構成部分については同一符号を付して、その説明は省略する。

図５は、第３実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。図５に示すように、第２ダイノード１０７ｂ及び第３ダイノード１０７ｃは両縁部の側壁が取り除かれた状態で設置されている。

第１ダイノードの側壁１１１ａと第３ダイノード１０７ｃの縁部との間には、側壁１１１ａと略平行に電子レンズ形成電極３１５が設置されている。電子レンズ形成電極３１５の位置及び形状は、電子レンズ形成電極１１５とほぼ同様であるが、電子レンズ形成電極３１５は扇形の先端が切り欠かれたような形状をしており、第３ダイノード１０７ｃの縁部と一定距離を隔てて配置される。また、電子レンズ形成電極３１５は、いずれのダイノードからも一定距離以上を離間して配置されることにより電気的に絶縁されている。

また、第２ダイノード１０７ｂの縁部と第３ダイノード１０７ｃの縁部との間には、電子レンズ形成電極３１５と平行になるように電子レンズ形成電極（第２の電子レンズ形成電極）３１９が配置されている。この電子レンズ形成電極３１９は、第２ダイノード１０７ｂの縁部と第３ダイノード１０７ｃの縁部とで挟まれる部分をほぼ覆うような略扇形の形状に形成されているとともに、第２ダイノード１０７ｂの縁部と第３ダイノード１０７ｃの縁部とから離間して配置される結果、全てのダイノード１０７から電気的に絶縁される。

なお、他方の縁部においても電子レンズ形成電極が備えられるが、電子レンズ形成電極３１５，３１９と同一の構成であるので説明を省略する。

さらに、電子レンズ形成電極３１５，３１９にはそれぞれ、電圧分割回路を含む電源回路が接続されており、この電源回路によりそれぞれの電極に電圧が供給される。この際、電子レンズ形成電極３１５は、ＶＡより高い電位となるように電圧が印可されるとともに、電子レンズ形成電極３１９は、ＶＢより高い電位となるように電圧が印可される。

このような光電子増倍管によっても、第１ダイノード１０７ａと第２ダイノード１０７ｂの間、及び第２ダイノード１０７ｂと第３ダイノード１０７ｃ間におけるダイオード長手方向の電位分布が同時に平坦化され、光の照射位置に関する光電子の走行距離の偏差が小さくなる。また、電子レンズ形成電極３１５，３１９の電位を適宜調整可能であるので、空間電位の調整の自由度が高くなる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、第３実施形態にかかる光電子増倍管においては、電子レンズ形成電極３１５と電子レンズ形成電極３１９とを備えているが、図６に示すように、電子レンズ形成電極３１５のみで構成されていても良い。

また、第３実施形態にかかる光電子増倍管においては、電子レンズ形成電極３１５と電子レンズ形成電極３１９とは空間的に独立して備えられているが、図７に示すように、電子レンズ形成電極は、第３ダイノード１０７ｃと一定距離を離間可能なようなくぼみを有する形状で一体に形成された電子レンズ形成電極３２３を備えていても良い。これにより、電圧供給手段の共有化が為されるとともに、装置全体の構成が単純化される。

本発明の第１実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。 （ａ）は、図１の光電子増倍管のダイノード長手方向に沿った端面図、（ｂ）は、図１の光電子増倍管を図中の左方向から見た端面図である。 図１のダイノードを示す側面図である。 本発明の第２実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる光電子増倍管のダイノード長手方向に垂直な方向に沿った縦断面図である。 光電子増倍管の一例を示す縦断面図である。 （ａ）は、図８の光電子増倍管を上方向から見た断面図、（ｂ）は、図８の光電子増倍管を左方向から見た断面図である。

符号の説明

１…密閉容器、３…カソード、５…収束電極、７，７ａ，７ｂ，７ｃ，１０７，１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ…ダイノード、９…アノード、１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１３ａ，１１３ｂ…側壁、１１５，１１７，２１５，３１５，３１９，３２３…電子レンズ形成電極、３１９…電子レンズ形成電極（第２の電子レンズ形成電極）。

Claims (6)

1. 入射した光によって電子を放出するカソードと、
   前記カソードから放出した電子を増倍させる複数段のダイノードと、
   前記カソードから第１段目に位置する第１ダイノードの縁部と前記カソードから第２段目に位置する第２ダイノードの縁部との間において前記第１ダイノードの側壁に略平行に配置されており、かつ、前記第１ダイノードから離間して配置されている平板状の電子レンズ形成電極であり、前記第１ダイノードと前記第２ダイノードとの間の空間における等電位面を前記第１ダイノードの長手方向に平坦化する電位調整手段と、
   を備えることを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記電子レンズ形成電極には、前記第１ダイノードの電位より高い電位となるように電
   圧が印加される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光電子増倍管。
3. 前記電子レンズ形成電極は、前記カソードから第３段目に位置する第３ダイノードの縁部
   と電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電子増倍管。
4. 前記電子レンズ形成電極は、前記複数段のダイノードから離間して配置されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光電子増倍管。
5. 前記第２ダイノードの縁部と前記第３ダイノードの縁部との間において前記電子レンズ形
   成電極に略平行に配置されており、かつ、前記第２ダイノードから離間して配置されてい
   る第２の電子レンズ形成電極を更に備え、
   前記第２の電子レンズ形成電極には、前記第２ダイノードの電位より高い電位となるよ
   うに電圧が印加される、
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の光電子増倍管。
6. 前記第２の電子レンズ形成電極は、前記電子レンズ形成電極と一体に形成されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光電子増倍管。

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