JP4627470B2 - Photomultiplier tube - Google Patents
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本発明は、光電子増倍管に関するものである。 The present invention relates to a photomultiplier tube.
従来の光電子増倍管の一例として、特許文献1に開示されたものがある。この光電子増倍管は、受光面板と、受光面板の内側に形成された光電面とを備える。また、この光電子増倍管は、複数段にわたって積層された平板状のダイノードからなる電子増倍部を、光電面と対向する位置に備える。各ダイノードは、電子を増倍するための複数の電子増倍孔を有する。電子増倍部の後段には、電子増倍部からの電子を収集するための陽極が設けられている。光電面と電子増倍部との間には、平板状の集束電極が配置されている。集束電極は、複数のスリット状のチャンネル開口部からなる集束部と、集束部の周囲に配置されたフレーム部とを有する。 An example of a conventional photomultiplier tube is disclosed in Patent Document 1. This photomultiplier tube includes a light receiving face plate and a photocathode formed inside the light receiving face plate. In addition, this photomultiplier tube includes an electron multiplier section made up of flat dynodes stacked over a plurality of stages at a position facing the photocathode. Each dynode has a plurality of electron multiplying holes for multiplying electrons. An anode for collecting electrons from the electron multiplier is provided at the subsequent stage of the electron multiplier. A flat focusing electrode is disposed between the photocathode and the electron multiplier. The focusing electrode has a focusing portion composed of a plurality of slit-shaped channel openings, and a frame portion arranged around the focusing portion.
また、他の光電子増倍管の例としては、特許文献2に記載されたものがある。 Another example of the photomultiplier tube is described in Patent Document 2.
例えば光CTといった技術分野においては、数ピコ秒程度の極短パルス光を生体に照射し、生体内で散乱して再び生体表面に現れた微弱な光を検出する。このような極短時間且つ微弱な光量変化を検出するためには、数ピコ秒程度の時間分解能を実現できる光電子増倍管が好適に用いられる。そして、より高速且つ高精度に光を検出するために、光電子増倍管における応答速度や光電変換効率の向上が求められている。 For example, in a technical field such as optical CT, an extremely short pulsed light of about several picoseconds is irradiated on a living body, and weak light scattered in the living body and appearing on the living body surface again is detected. In order to detect such a slight change in light amount for an extremely short time, a photomultiplier tube capable of realizing a time resolution of about several picoseconds is preferably used. And in order to detect light more rapidly and with high precision, the improvement of the response speed and photoelectric conversion efficiency in a photomultiplier tube is calculated | required.
光電子増倍管の応答速度を高めるためには、第1段目のダイノードの電圧配分を高めることが効果的である。また、光電子増倍管の光電変換効率を高めるためには、光電陰極から放出された電子を収集する効率を高めることが効果的であり、例えば集束電極においてチャンネル開口部の境界となる電極線を細くすることで電子の収集効率を高めることができる。しかし、従来の光電子増倍管では、第1段目のダイノードの電圧配分を高めると、フレーム部を通じて集束部付近の電界(電子レンズ)を歪めてしまうおそれがある。そして、この傾向は、集束電極の電極線を細くすることにより、さらに顕著となる。 In order to increase the response speed of the photomultiplier tube, it is effective to increase the voltage distribution of the first dynode. Further, in order to increase the photoelectric conversion efficiency of the photomultiplier tube, it is effective to increase the efficiency of collecting the electrons emitted from the photocathode. For example, the electrode line that becomes the boundary of the channel opening in the focusing electrode is provided. The efficiency of collecting electrons can be increased by making it thinner. However, in the conventional photomultiplier tube, if the voltage distribution of the first stage dynode is increased, the electric field (electron lens) in the vicinity of the converging portion may be distorted through the frame portion. This tendency becomes more prominent by making the electrode line of the focusing electrode thinner.
本発明は、応答速度および光電変換効率を向上できる光電子増倍管を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the photomultiplier tube which can improve a response speed and photoelectric conversion efficiency.
上記した課題を解決するために、本発明による光電子増倍管は、入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、所定方向に並んで形成された複数の電子増倍孔を有する板状のダイノードが複数段に積層されて成り、第1段目のダイノードが光電陰極に対向して配置されており、光電陰極から放出された電子を増倍する電子増倍部と、増倍された電子を収集する陽極と、光電陰極と第1段目のダイノードとの間に配置され、光電陰極から放出された電子を第1段目のダイノードの電子増倍孔へ向けて集束する集束電極とを備え、集束電極が、複数の電子増倍孔に対応する間隔をあけて所定方向に並んで配置されて電子を集束する複数の電極線から成る集束部と、集束部の周囲に設けられて電極線を支持するフレーム部とを有し、所定方向において集束部の両脇に位置するフレーム部の一対の部分が、光電陰極側から見て第1段目のダイノードと重ならないように配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a photomultiplier tube according to the present invention has a photocathode that photoelectrically converts incident light and emits electrons, and a plurality of electron multiplier holes formed side by side in a predetermined direction. The plate-shaped dynodes are stacked in multiple stages, the first dynode is arranged facing the photocathode, an electron multiplier for multiplying the electrons emitted from the photocathode, and the multiplication Focusing is arranged between the anode for collecting the emitted electrons, the photocathode and the first stage dynode, and focuses the electrons emitted from the photocathode toward the electron multiplier hole of the first stage dynode. And a focusing electrode comprising a plurality of electrode lines arranged in a predetermined direction at intervals corresponding to a plurality of electron multiplier holes and focusing the electrons, and provided around the focusing unit. And a frame portion that supports the electrode wire, Pair of portions of the frame portion located on both sides of the focusing unit in, characterized in that it is arranged so as not to overlap with the first-stage dynode when viewed from the photocathode side.
上記した光電子増倍管においては、所定方向において集束部の両脇に位置するフレーム部の一対の部分が、光電陰極側から見て第1段目のダイノードと重ならないように配置されている。これにより、フレーム部と第1段目のダイノードとの距離を十分に確保できるとともに、フレーム部と集束部との距離も十分に確保できるので、第1段目のダイノード電圧による集束部の電子レンズへの影響を低減できる。従って、上記した光電子増倍管によれば、第1段目のダイノードの電圧配分を高め、且つ集束電極の電極線を従来より細くすることが可能となるので、応答速度および光電変換効率を向上できる。 In the photomultiplier tube described above, the pair of portions of the frame portion located on both sides of the focusing portion in a predetermined direction are arranged so as not to overlap the first stage dynode as viewed from the photocathode side. Thereby, the distance between the frame portion and the first stage dynode can be sufficiently secured, and the distance between the frame portion and the focusing portion can be sufficiently secured, so that the electron lens of the focusing portion by the first stage dynode voltage can be secured. Can be reduced. Therefore, according to the above-mentioned photomultiplier tube, it is possible to increase the voltage distribution of the first stage dynode and make the electrode wire of the focusing electrode thinner than before, thereby improving the response speed and photoelectric conversion efficiency. it can.
また、光電子増倍管は、集束電極のフレーム部が、集束部よりも厚く形成されており、集束部が、フレーム部における光電陰極側の端面寄りに配置されていることを特徴としてもよい。このように、集束電極のフレーム部が集束部よりも厚く形成されていることにより、電子の収集効率を高めるために集束部の電極線を細くしても集束電極の機械的強度を好適に維持できる。また、集束部の電極線を細くすると電子レンズの焦点距離が長くなるが、この光電子増倍管によれば、フレーム部における光電陰極側の端面寄りに集束部が配置されているので、焦点距離が長くなることによる光電子増倍管の外形寸法への影響を抑えることができる。 Further, the photomultiplier tube may be characterized in that the frame portion of the focusing electrode is formed to be thicker than the focusing portion, and the focusing portion is disposed near the end face on the photocathode side in the frame portion. In this way, the frame portion of the focusing electrode is formed thicker than the focusing portion, so that the mechanical strength of the focusing electrode is suitably maintained even if the electrode wire of the focusing portion is made thin in order to increase the electron collection efficiency. it can. In addition, if the electrode wire of the converging part is made thin, the focal length of the electron lens becomes long. However, according to this photomultiplier tube, the converging part is arranged near the end face on the photocathode side in the frame part, so the focal length It is possible to suppress the influence on the outer dimensions of the photomultiplier tube due to the increase in length.
また、光電子増倍管は、フレーム部の一対の部分のそれぞれと集束部との間隔が、複数の電極線同士の間隔よりも広いことを特徴としてもよい。これにより、第1段目のダイノード電圧による集束部の電子レンズへの影響を更に低減できる。 The photomultiplier tube may be characterized in that the distance between each of the pair of portions of the frame portion and the focusing portion is wider than the interval between the plurality of electrode lines. Thereby, it is possible to further reduce the influence of the focusing unit on the electron lens due to the first-stage dynode voltage.
本発明による光電子増倍管によれば、応答速度および光電変換効率を向上できる。 According to the photomultiplier tube of the present invention, response speed and photoelectric conversion efficiency can be improved.
以下、添付図面を参照しながら本発明による光電子増倍管の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of a photomultiplier tube according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す側面断面図である。また、図2は、図1において受光面板11を省略した場合の光電子増倍管1の平面図である。なお、図1は、図2に示す光電子増倍管1のI−I断面を示している。また、各図には説明の便宜の為にXYZ直交座標系が示されている。
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of an embodiment of a photomultiplier tube according to the present invention. FIG. 2 is a plan view of the photomultiplier tube 1 when the light receiving
この光電子増倍管1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ている。真空容器10は、入射光を受ける円形の受光面板11と、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板状のステム13とによって構成されている。
The photomultiplier tube 1 is configured by disposing an
受光面板11は、光電子増倍管1に入射した光を取り入れるための窓部材である。受光面板11は、真空容器10の外側に位置して入射光を受ける光入射面11aと、真空容器10の内側に位置する内面11bとを有する。図1においては、受光面板11の光入射面11a及び内面11bは共にXY平面と平行に設けられている。受光面板11の内面11bには、GaAsといった半導体からなる光電陰極20が形成されており、電位0Vに保持されている。この光電陰極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。
The light receiving
電子増倍部24は、光電陰極20から放出された光電子を二次電子増倍するための部材である。電子増倍部24は、方形の平板状の金属部材に複数の電子増倍孔28が形成され、電子増倍孔28の内壁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Z軸方向に複数段積層して構成されている。複数の電子増倍孔28は、それぞれY軸方向に沿って延びており、X軸方向(所定方向)に並んでスリット状に配列されている(図2参照)。複数段のダイノード25のうち、最上部(Z軸正方向における最端部)に位置する第1段目のダイノード25aは、光電陰極20に対向して配置されている。また、複数段のダイノード25の下方(Z軸負方向)には、アノード電極26及び最終段ダイノード27(ともに図1参照)が順に配設されている。
The
光電陰極20と第1段ダイノード25aとの間には、集束電極21が配設されている。ここで、図3は、本実施形態の集束電極21の構成を示す斜視図である。また、図4(a)は、図3のII−II断面における集束電極21の周辺構造を示す側面断面図であり、図4(b)は、図4(a)におけるA部分の拡大図である。図3及び図4を参照すると、集束電極21は、光電子を集束するための集束部23と、集束部23の周囲に設けられたフレーム部22とを有する。集束部23は、Y軸方向に沿って延びる複数の電極線23aからなる。複数の電極線23aは、第1段ダイノード25aの複数の電子増倍孔28に対応する間隔d2をあけてX軸方向に並んで配置されている。複数の電極線23aによって、集束部23にはスリット状に配列・形成された複数のチャンネル開口部23bが形成される。複数のチャンネル開口部23bは、第1段目のダイノード25aの複数の電子増倍孔28(図4参照)にそれぞれ対応している。
A focusing
フレーム部22は、集束部23を囲むように方形状に形成されており、X軸方向に延びる二辺によって各電極線23aの両端を支持している。また、フレーム部22は、集束部23の各電極線23aよりも厚く(Z軸方向の外形寸法が大きく)形成されている。そして、集束部23(各電極線23a)は、フレーム部22の枠内において、光電陰極20側の端面(上面)22e寄りに配設されている。
The
また、フレーム部22は、X軸方向において集束部23の両脇に位置する一対の部分22a及び22bを有する。この一対の部分22a及び22bは、方形状のフレーム部22においてY軸方向に延びる二辺を構成している。一対の部分22a,22bの側面22c,22dと、集束部23の両端に位置する電極線23aとの間隔d1は、複数の電極線23a同士の間隔(すなわちチャンネル開口部23bの開口幅)d2よりも広く設けられている。また、一対の部分22a及び22bは、光電陰極20側から見て第1段ダイノード25aと重ならないように(すなわち、一対の部分22a,22bの側面22c,22dからZ軸下方へ延びる仮想面Bが第1段ダイノード25aの外側面よりも外側に位置するように)配設されている。
The
なお、本実施形態の集束電極21及び電子増倍部24の実施例は、例えば以下のとおりである。
フレーム部22の厚さ:0.3[mm]
電極線23aの線幅:0.03[mm]
間隔d1:1.1[mm]
間隔d2:1.0[mm]
第1段ダイノード25aの電圧値:200.0[V]
Examples of the focusing
Line width of the
Interval d 1 : 1.1 [mm]
Interval d 2 : 1.0 [mm]
Voltage value of the
再び図1、図2を参照する。集束電極21は、光電陰極20と同電位に保持されている。従って、光電陰極20から放出された光電子は、集束部23の電極線23aが形成する電界(電子レンズ)によって軌道を集束され、第1段ダイノード25aの電子増倍孔28へ入射する。
Refer to FIGS. 1 and 2 again. The focusing
ここで、本実施形態の光電子増倍管1によって得られる効果について説明する。図5〜図7は、本実施形態の光電子増倍管1の効果を説明するために、光電子増倍管1の創出過程を示す図である。なお、これらの図面は説明上において必要と思われる部位のみを簡略化して記載している。 Here, the effect obtained by the photomultiplier tube 1 of the present embodiment will be described. 5-7 is a figure which shows the creation process of the photomultiplier tube 1 in order to demonstrate the effect of the photomultiplier tube 1 of this embodiment. In these drawings, only parts that are considered necessary in the description are described in a simplified manner.
ここで、本実施形態の光電子増倍管1によって得られる効果について説明する。図5〜図7は、本実施形態の光電子増倍管1の効果を説明するために、光電子増倍管1の創出過程を示す図である。なお、これらの図面は説明上において必要と思われる部位のみを簡略化して記載している。 Here, the effect obtained by the photomultiplier tube 1 of the present embodiment will be described. 5-7 is a figure which shows the creation process of the photomultiplier tube 1 in order to demonstrate the effect of the photomultiplier tube 1 of this embodiment. In these drawings, only parts that are considered necessary in the description are described in a simplified manner.
図5(a)は、従来の光電子増倍管における集束電極付近の構造を示す断面図である。なお、図5(a)には、真空容器110、光電陰極120、第1段ダイノード125a、及び、光電陰極120と第1段ダイノード125aとの間に配設された集束電極121が図示されている。集束電極121は、複数の電極線123aとフレーム部122とを有する。フレーム部122の内側の側面122cは、第1段ダイノード125aの両端の電子増倍孔128に対応して配置されており、電極線123aとともにチャンネル開口部123bの一部を構成している。
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a structure in the vicinity of a focusing electrode in a conventional photomultiplier tube. 5A shows the
この構成の光電子増倍管において、電極線123a同士の間隔(チャンネル開口幅)d4に対して電極線123aの幅d3が比較的広いと、集束電極121の開口率(=d4/(d3+d4))が低く抑えられてしまう。従って、本発明者らは、図5(b)に示すように、電極線123aの幅d3を細くすることにより集束電極121aの開口率をより大きくした。これにより、集束電極121aの開口率は大きく改善され、光電陰極120から第1段ダイノード125aへの光電子の収集効率が向上した。しかし、電極線123aを細くしたことによって集束電極121aの電界(電子レンズ)の曲率が小さくなり、光電子が収束する際の焦点距離が伸びてしまう。この焦点距離と集束部と第1段ダイノード125aとの距離との関係が適切でないと、光電子の収集効率を低下させる要因となる。
In the photomultiplier tube having this configuration, when the width d 3 of the
そこで、本発明者らは、光電子が収束する際の焦点距離に応じて、図6(a)に示すように、集束電極121bの各電極線123aを第1段ダイノード125aから遠ざけた。つまり、各電極線123aをフレーム部122における光電陰極120側の端面122b寄りに配設した。これにより、光電子の収集効率が向上するとともに、集束電極121b自体を第1段ダイノード125aから遠ざけることなく、各電極線123aを第1段ダイノード125aから遠ざけることにより光電子増倍管の外形寸法への影響を抑えることに成功した。
Therefore, the present inventors moved each
しかし、電極線123aを第1段ダイノード125aから遠ざけて焦点距離を調整したことにより、次の新たな問題点が浮上した。フレーム部122は各電極線123aよりも厚く形成されている為、両端に位置する電極線123aとフレーム部122とによる焦点距離と、電極線123a同士による焦点距離とではその長さが異なる。そして、各電極線123aを細くすることにより、そのような焦点距離の違いが更に顕著となってしまう。
However, by adjusting the focal length by moving the
そこで、本発明者らは、図6(b)に示すように、フレーム部122の内径を拡大し、電極線123aを追加することにより、集束電極121cにおけるフレーム部122に沿った領域にダミー開口部123cを設けた。これにより、電極線123aからなる集束部からフレーム部122を遠ざけ、各電極線123a間の焦点距離を均一に近づけることを試みた。しかし、図6(b)のように、電極線123a同士によるチャンネル開口部123bの開口幅よりもダミー開口部123cの開口幅が小さいと、フレーム部122が電極線123aに近く、焦点距離が十分に均一とはならないことがわかった。また、フレーム部122と第1段ダイノード125aとの距離が近いと、第1段ダイノード125aのダイノード電圧がフレーム部122を介してチャンネル開口部123bの焦点距離に影響してしまう。
Therefore, as shown in FIG. 6B, the present inventors expand the inner diameter of the
本発明者らは、この問題点を解決するため、図7に示す集束電極121dのように、電極線123aからなる集束部の両脇に位置するフレーム部122の一対の部分122a,122bを、光電陰極120側から見て第1段ダイノード125aと重ならないように配置した。この集束電極121dの形状が、すなわち図1〜図4に示した集束電極21の形状である。この構成により、電極線123a同士による、電子増倍孔28に対応するチャンネル開口部123bの開口幅よりもダミー開口部123cの開口幅を広くすることができるので、フレーム部122(すなわち図3のフレーム部22)と集束部(電極線123a、図3に示す電極線23a)との距離を十分に確保でき、フレーム部122(22)による電極線123a(23a)間の電界(電子レンズ)への影響を十分に低減できる。また、フレーム部122(22)と第1段ダイノード125a(25a)との距離も十分に確保できるので、第1段ダイノード125a(25a)のダイノード電圧による影響を低減でき、第1段ダイノード125a(25a)のダイノード電圧を高めることが可能となる。
In order to solve this problem, the inventors of the present invention have a pair of
以上に説明したように、本実施形態による光電子増倍管1によれば、第1段ダイノード25aの電圧配分を高め、且つ集束電極21の電極線23aを従来より細くすることが可能となるので、応答速度および光電変換効率を向上できる。
As described above, according to the photomultiplier tube 1 according to the present embodiment, the voltage distribution of the
また、本実施形態のように、フレーム部22は集束部23よりも厚く形成されていることが好ましい。これにより、光電子の収集効率を高めるために集束部23の電極線23aを細くしても集束電極21の機械的強度を好適に維持できる。
Further, as in the present embodiment, the
本発明による光電子増倍管は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではスリット状の開口を有する集束電極に本発明を適用しているが、本発明は例えばマトリクス状の開口を有する集束電極についても適用可能である。 The photomultiplier tube according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the present invention is applied to a focusing electrode having a slit-like opening, but the present invention is also applicable to, for example, a focusing electrode having a matrix-like opening.
1…光電子増倍管、10…真空容器、11…受光面板、11a…光入射面、11b…内面、12…金属側管、13…ステム、14…インジウムシール、14a…保持リング、17…ピン、18…ハーメチックガラス、20…光電陰極、21…集束電極、22…フレーム部、23…集束部、23a…電極線、23b…チャンネル開口部、24…電子増倍部、25…ダイノード、25a…第1段ダイノード、26…アノード電極、27…最終段ダイノード、28…電子増倍孔。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Photomultiplier tube, 10 ... Vacuum container, 11 ... Light-receiving surface plate, 11a ... Light incident surface, 11b ... Inner surface, 12 ... Metal side tube, 13 ... Stem, 14 ... Indium seal, 14a ... Holding ring, 17 ...
Claims (3)
所定方向に並んで形成された複数の電子増倍孔を有する板状のダイノードが複数段に積層されて成り、第1段目の前記ダイノードが前記光電陰極に対向して配置されており、前記光電陰極から放出された前記電子を増倍する電子増倍部と、
増倍された前記電子を収集する陽極と、
前記光電陰極と前記第1段目のダイノードとの間に配置され、前記光電陰極から放出された前記電子を前記第1段目のダイノードの前記電子増倍孔へ向けて集束する集束電極と
を備え、
前記集束電極が、
前記複数の電子増倍孔に対応する間隔をあけて前記所定方向に並んで配置されて前記電子を集束する複数の電極線から成る集束部と、
前記集束部の周囲に設けられて前記電極線を支持するフレーム部と
を有し、
前記所定方向において前記集束部の両脇に位置する前記フレーム部の一対の部分が、前記光電陰極側から見て前記第1段目のダイノードと重ならないように配置されていることを特徴とする、光電子増倍管。 A photocathode that photoelectrically converts incident light and emits electrons;
A plate-shaped dynode having a plurality of electron multiplier holes formed side by side in a predetermined direction is laminated in a plurality of stages, and the first dynode is disposed to face the photocathode, An electron multiplier for multiplying the electrons emitted from the photocathode;
An anode for collecting the multiplied electrons;
A focusing electrode disposed between the photocathode and the first stage dynode, and focusing the electrons emitted from the photocathode toward the electron multiplier hole of the first stage dynode; Prepared,
The focusing electrode comprises:
A converging unit comprising a plurality of electrode lines arranged in the predetermined direction at intervals corresponding to the plurality of electron multiplier holes, and condensing the electrons;
A frame portion provided around the converging portion and supporting the electrode wire;
A pair of portions of the frame portion located on both sides of the converging portion in the predetermined direction are arranged so as not to overlap the first stage dynode when viewed from the photocathode side. , Photomultiplier tube.
前記集束部が、前記フレーム部における前記光電陰極側の端面寄りに配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の光電子増倍管。 The frame portion of the focusing electrode is formed thicker than the focusing portion;
2. The photomultiplier tube according to claim 1, wherein the converging portion is disposed near an end face of the frame portion on the photocathode side.
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