JP4753303B2 - 光電子増倍管およびこれを用いた放射線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電子増倍管およびこれを用いた放射線検出装置に関する。

従来、反射型最終段ダイノードを有する光電子増倍管では、真空容器の一側に設けられた光電面が放出した電子を複数のダイノードを積層した電極積層部により増倍し、その増倍された電子を、更に、反射型最終段ダイノードにより反射方向に増倍し、反射型最終段ダイノードの光電面側に備えられたアノードで検出する。そのような光電子増倍管において、各ダイノードおよびアノード間に絶縁体を介在させ、所定の間隔を空けて積層させているものがある（例えば、特許文献１参照）。また、各ダイノードおよびアノードを、夫々に電位を供給するステムピンに接続している例がある（例えば、特許文献２、３参照）。
特開平６‐３１００８５号公報（第３頁、第４図） 特開平１１−３６７７号公報（第３頁、第１図） 特開２００３−３３８２６０号公報（第２−５頁、第３図）

上記のような光電子増倍管では、各電極が積層された積層構造を有するため、耐震性の向上が望まれるとともに、検出される信号に含まれる雑音を低減することが望まれている。

そこで、本発明は、耐震性を向上させ、かつ、雑音を低減することができる光電子増倍管およびこれを用いた放射線検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明は、一側端部を構成する受光面板と、他側端部を構成するステムとを有する真空容器内に、前記受光面板を通して入射した入射光を電子に変換する光電面と、前記光電面が放出した電子を増倍させる電子増倍部と、前記電子増倍部が増倍した電子に基づいて出力信号を送出する電子検出部とを備えた光電子増倍管において、前記電子増倍部は、ダイノードが複数段に積層されており、前記電子検出部は、最終段の第１ダイノードと前記第１ダイノードの前段の第２ダイノードとの間に配置されたアノードを有し、前記アノードは、前記ステムに設けられた支持手段により支持されており、前記支持手段は導電体よりなり、前記支持手段には前記アノードが前記第１ダイノードから離間して載置され、前記アノードと前記第２ダイノードとは、絶縁体よりなる層間体を介して積層されていることを特徴とする。

このような構成によれば、アノードが導電体の支持手段に載置されており、最終段の第１ダイノードとの間に絶縁体が介在しないので、電子が絶縁体に衝突して生ずる発光に起因する雑音を防止することができる。また、支持手段を設けたので、耐震性を向上させることができる。

このとき、ステムの光電面側面には絶縁体で形成された支持突起が設けられ、第１ダイノードは支持突起上に載置されていることが好ましい。

このような構成によれば、最終段のダイノードである第１ダイノードが絶縁体で形成された支持突起上に載置されるので、電極積層方向の各ダイノードの位置精度を高めることができる。また、支持突起によってステムピンや側管と第１ダイノードとの間の沿面距離を多く確保することができるので、沿面放電を防止することができる。

上記光電子増倍管において、層間体と支持手段とは同軸に配置することが好ましい。このような構成によれば、電極積層方向に圧力をかけて電極を固定することができ、耐震性が向上する。

ここで、第１ダイノードには、支持突起と嵌合する嵌合部が形成されることが好ましい。このような構成によれば、第１ダイノードを配置する際の位置決めが容易になり、電極面内での位置精度を向上させることもできる。

さらに、第１ダイノードには、切り欠きを形成し、支持手段は切り欠きによって切り欠かれた領域内を挿通することが好ましい。このように、切り欠きを設けて支持手段と第１ダイノードとが接触しないようにすることで、第１ダイノードの有効面積を確保しながらも、支持手段と第１ダイノードとを電気的に分離することができる。

上記いずれかの光電子増倍管の受光面板の外側に、放射線を光に変換して出力するシンチレータを設置すれば、上記作用を奏する好適な放射線検出装置が得られる。

本発明の光電子増倍管および放射線検出装置によれば、耐震性が高く、雑音の低減された光電子増倍管および放射線検出器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１〜図８は、本発明の第１の実施の形態による放射線検出装置を示す図である。各図において、実質的に同一の部分には同一の符号を付し、重複説明を省略する。なお、以下の説明において「上」、「下」等の語を、図面に示す状態に基づいて便宜的に用いるとする。

図１は、放射線検出装置１の概略断面図、図２は、光電子増倍管１０の部分拡大図である。図１、２に示すように、放射線検出装置１は、入射した放射線を光に変換して出力するシンチレータ３、および入射した光を電子に変換および増倍して検出する光電子増倍管１０を備え、入射した放射線を検出して信号として出力する装置である。光電子増倍管１０は、断面が略円形の管状形状をなしており、管軸の方向をz軸、図１の横軸をx軸、図１の紙面に垂直な軸をｙ軸とする。

シンチレータ３は、z軸方向一端側に入射面５、他端側に出力面７を備え、略円筒形状をなしている。入射面５側から入射した放射線は、シンチレータ３内部で光に変換されてシンチレータ３内を伝搬し、出力面７側から出力される。光電子増倍管１０は、シンチレータ３の出力面７側に接しており、シンチレータ３の中心軸と光電子増倍管１０の管軸とはほぼ同軸に設けられている。

光電子増倍管１０においては、z軸方向一側端部を構成する受光面板１３、他側端部を構成するステム５０、ステム５０の周縁部に設けられたリング状側管３７、および筒型形状をなす側管１５が気密に接続および固定されることにより真空容器１８を形成している。光電子増倍管１０の真空容器１８内部には、フォーカス電極１７、複数のダイノードＤｙ１〜Ｄｙ１０を備えた電子増倍部、電子を検出し信号として出力するアノード２５を備えた電子検出部が配置されている。

受光面板１３は、例えばガラスで形成された略円形の板状形状であり、その内部側、すなわちz軸方向下面側には、入射光を電子に変換する光電面１４が設けられている。光電面１４は、例えば予め蒸着したアンチモンにアルカリ金属蒸気を反応させることにより形成される。光電面１４は、受光面板１３の内部側のほぼ全面に設けられており、シンチレータ３から出力され受光面板１３を通して入射した光を、電子に変換し放出する。

側管１５は、例えば金属で形成された略円筒型形状を有しており、光電子増倍管１０の側面を構成している。側管１５は、光電面１４と同電位を供給されている。側管１５の下端部にはフランジ部１５ａが形成されている。側管１５の下方に設けられたリング状側管３７は、例えば金属で形成された略円筒型形状を有している。リング状側管３７は、ステム５０の側方を包囲するように気密に固定されている。リング状側管３７の上端部はフランジ部３７aをなしている。

側管１５の一端部に受光面板１３が固定され、他端部のフランジ部１５aはリング状側管３７のフランジ部３７ａと溶接されて、側管１５とリング状側管３７とが互いに気密に固定されている。さらに、リング状側管３７とステム５０とが互いに気密に固定されて、真空容器１８を形成している。

図１に示すようにステム５０は、ベース材５１と、ベース材５１の上側（真空容器１８の内側）に接合された上側押さえ材５３と、ベース材５１の下側（真空容器１８の外側）に接合された下側押さえ材５５とによる３層構造とされている。

ベース材５１は、例えばコバールを主成分とした絶縁性ガラスから構成された円板状の部材であり、下面側からの光が真空容器１８内に透過しない程度の黒色を呈している。上側押さえ材５３は、コバールに例えばアルミナ系粉末を添加することにより、ベース材５１より高融点とされた絶縁性ガラスから構成された円板状の部材であり、真空容器１８内の発光を効果的に吸収すべく黒色とされている。下側押さえ材５５は、上側押さえ材５３と同様に、コバールに例えばアルミナ系粉末を添加することにより、ベース材５１より高融点とされた絶縁性ガラスから構成された円板状の部材であり、添加するアルミナ系粉末の組成の違いにより白色を呈すると共に、ベース材５１及び上側押さえ材５３よりも高い物理的強度を有している。

図３は、ステム５０をz軸方向上方から見た概観図である。図１、図３に示すようにステム５０には、略円状の位置に周方向に互いに離間して配置された複数のステムピン３５が気密に挿通されている。このため、ステム５０を形成するベース材５１、上側押さえ材５３および下側押さえ材５５には、ステムピン３５を挿通する位置に夫々開口が形成されている。

ステム５０において、ベース材５１の両面に上側押さえ材５３及び下側押さえ材５５が密着して接合されている。このとき、ベース材５１、上側押さえ材５３および下側押さえ材５５に設けられた複数の開口が夫々軸中心を合わせた状態で重ね合わせて接合される。また、上側押さえ材５３および下側押さえ材５５に形成された開口は、ベース材５１の開口よりも径が大きく形成されている。この開口に各ステムピン３５を挿通させると、ステム５０における上側押さえ材５３および下側押さえ材５５の各ステムピン３５の挿通部の全周囲に、ベース材５１を底面とする凹部５０ａが形成される。各ステムピン３５は、この凹部５０ａにおいてベース材５１の溶融によって融着接合されている。

各ステムピン３５は、導電性材料で形成され、上述のようにステム５０に挿通固定されるとともに、ｚ軸上方に延び、所定の電極に接続されている。ステムピン３５は、接続される電極の位置に応じた長さに形成されている。

なお、上側押さえ材５３および下側押さえ材５５に形成された上記凹部のうち夫々少なくとも２箇所（本実施の形態においては３箇所）は、大口径の凹部５０ｂをなし、ステム５０組み立て時にベース材５１に対する位置決め治具の進入を可能としている。さらに内側面５３ａ（図１参照）には、アノードピン２７が挿通されている凹部５０ｃが設けられ、アノードピン２７は、この凹部５０ｃにおいてベース材５１の溶融によって融着接合されている。

図２、図３に示すように、上側押さえ材５３の真空容器１８内側のステム内側面５３ａには、ダイノードＤｙ１０を載置する支持突起である位置決め用突起３１が設けられている。位置決め用突起３１は、上側押さえ材５３と同一の絶縁性ガラスで形成され、図２に示すように、ダイノードＤｙ１０のステム５０側面に設けられた嵌合部３２と嵌合している。また、内側面５３ａ上には、同じく最終段のダイノードＤｙ１０を載置する支持突起である複数のスペーサ３３が設けられている。スペーサ３３は、ステム５０の上側押さえ材５３と同一の絶縁性ガラスで形成され、本実施の形態においては３箇所設けられている。

また内側面５３ａには、アノード２５を載置する支持手段として、複数の支持部材２１が立設されている。支持部材２１は、本実施の形態においては、内側面５３ａの周方向に９０度ずつ離間した位置に４箇所設けられている。支持部材２１は、導電体で形成され、例えば、図２に断面を示すように、載置部２０と支持部２２とから構成されている。載置部２０および支持部２２は円柱形状をなし、載置部２０の径は、支持部２２の径よりも大きく形成され、載置部２０と支持部２２とは同軸に接続されている。支持部材２１は、支持部２２がステム内側面５３ａ側に配置され、アノード２５側に載置部２０が配置されており、アノード２５を安定して支持している。

図４は、ダイノードＤｙ１０をｚ軸方向上方から見た概観図である。図４に示すように、ダイノードＤｙ１０は、ステム５０のｚ軸方向上部に離間し略平行に対向して備えられた第１ダイノードであり、ほぼ全面が電子増倍機能を有する平板状電極である。ダイノードＤｙ１０の位置決め用突起３１に相当する部分には、位置決め用突起３１と当接可能な突出部４１が形成されている。突出部４１のステム５０側の面には、上述のように嵌合部３２が設けられており、位置決め用突起３１と嵌合してレーザ溶接などにより接合され、ダイノードＤｙ１０のｘｙ平面内での位置を決定している。ダイノードＤｙ１０のスペーサ３３に相当する部分には、スペーサ３３と当接可能な突出部３４が形成されている。

このように、位置決め用突起３１が突出部４１の嵌合部３２と接合され、スペーサ３３が突出部３４を載置することでダイノードＤｙ１０全体を載置している。ダイノードＤｙ１０は、これらの位置決め用突起３１およびスペーサ３３上に載置されることにより、内側面５３ａと離間した状態でｘ、ｙ、ｚ軸全ての方向において位置決めされている。

ダイノードＤｙ１０のコーナ部分４箇所には、支持部材２１との接触を避けるために切り欠き２９が設けられている。ダイノードＤｙ１０のステムピン３５に相当する部分には突出部３６が形成されている。ダイノードＤｙ１０は、ステムピン３５と接続されてダイノードＤｙ９よりも高くアノード２５よりも低い所定の電位を供給されている。

図５は、アノード２５をｚ軸方向上方から見た概観図、図６は、アノード２５の平面図である。図５、図６に示すようにアノード２５は、電子を通過させるための複数のスリット２６がｙ方向に形成された略矩形の薄板型電極であり、ダイノードＤｙ１０から放出された電子を検出する。アノード２５は、ダイノードＤｙ１０をほぼ覆うように配置されており、４ヶ所のコーナ部にて支持部材２１の載置部２０上に載置されている。これにより、アノード２５は、ｚ軸方向に位置決めされ、ダイノードＤｙ１０のｚ軸方向上部に離間し略平行に対向して配置されている。アノード２５のアノードピン２７に相当する部分には突出部２８が形成されてアノードピン２７と接続され、所定の電位を供給されるとともに検出した信号を出力する。

図７は、ダイノードＤｙ９をｚ軸方向上方から見た概観図、図８は、ダイノードＤｙ９の平面図である。図７では、アノード２５のスリット２６は省略されている。図７、図８に示すように、ダイノードＤｙ９は、略矩形の薄板型電極であり、ｘｚ平面における断面が凹凸を有する所定形状（図示せず）でｙｚ平面における断面が棒状をなす電子増倍片３０が互いに離間して平行に並び、隣接する電子増倍片３０間にｙ軸方向に延びるスリット状の電子増倍孔３０ａを形成している。

ダイノードＤｙ９は、アノード２５をほぼ覆うように配置された第２ダイノードであり、４ヶ所のコーナ部を層間体２３上に載置されることで全体が支持されて、アノード２５と離間し略平行に対向するようにｚ軸方向上方に備えられている。この層間体２３は、ｚ軸方向において支持部材２１と同軸に配置された絶縁性部材であり、球形、上下面中央部に凸部を有する円盤形状等が用いられる。このとき、ダイノードＤｙ９にｚ軸方向に凹む嵌合部を設けて層間体２３を固定しやすくしてもよい。また、ダイノードＤｙ９には突出部３６が形成され、この突出部３６にステムピン３５が接続されて所定の電位が供給されている。

ダイノードＤｙ８〜Ｄｙ１は、ダイノードＤｙ９と同様に電子増倍片を備えた薄板型電極であり、支持部材２１と同軸に配置された層間体２３を介して、ステム５０側から順に互いに離間し略平行に対向して積層配置されている。また、夫々所定位置に突出部３６が形成されており、ステムピン３５が接続され所定の電位が供給されている。また、ダイノードＤｙ９〜Ｄｙ１は、ステムピン３５により光電面１４側からステム５０側に向かって順次高い電位を供給されている。

ダイノードＤｙ１のさらに光電面１４側には、フォーカス電極１７が層間体２３を介して配置されている。フォーカス電極１７は、ステムピン３５に接続されており、光電面１４と同電位を供給されている。フォーカス電極１７は、ｙ軸方向に延びる複数のフォーカス片を有し、隣り合うフォーカス片の間がスリット状の増倍孔用開口部を形成する薄板型電極であり、電子増倍領域は備えられていない。フォーカス電極１７は、光電面１４から放出された電子を収束してダイノードＤｙ１の電子増倍領域に効率よく入射させる。

以上のように構成された本実施の形態による放射線検出装置１では、シンチレータ３の入射面５に放射線が入射すると、出力面７側に入射した放射線に応じた光を出力する。光電子増倍管１０の受光面板１３に、シンチレータ３が出力した光が入射すると、光電面１４は、入射した光に応じた電子を放出する。光電面１４に対向して備えられたフォーカス電極１７は、光電面１４から放出された電子を集束して、ダイノードＤｙ１に入射させる。ダイノードＤｙ１は入射した電子を増倍し、下段ダイノードＤｙ２側に放出する。このようにダイノードＤｙ１〜Ｄｙ９によって順次増倍された電子は、アノード２５のスリットを通りぬけてダイノードＤｙ１０で更に反射方向に増倍されてアノード２５に達する。アノード２５は到達した電子を検出し、アノードピン２７を介して信号として外部に出力する。

以上詳細に説明したように、本実施の形態による放射線検出装置１によれば、シンチレータ３に入射した放射線を検出し、信号として外部に出力することが可能である。

平板状のダイノードＤｙ１０によって反射増倍された電子は、最も増倍された電子であることも相まって、その放出の空間的な広がりが大きくなる。そのため、アノード２５−ダイノードＤｙ１０間に絶縁体が存在していると、電子が絶縁体に衝突して発光を生じ、その発光が光電面１４に到ることによって擬似信号（雑音）を発生させる恐れがある。しかしながら、上記放射線検出装置１に用いられている光電子増倍管１０において、アノード２５は導電体の支持部材２１に載置されており、最終段ダイノードであるダイノードＤｙ１０との間に絶縁体が介在しないため、電子が絶縁体に衝突して生ずる発光に基づく雑音の発生を防止することができる。また、支持部材２１を構成する載置部２０上にアノード２５を載置し、支持部材２１とｚ軸方向同軸上に層間体２３が配置されて各電極を支持しているため、電極積層方向に圧力をかけて各電極を固定することができ、耐震性が向上するとともに、電極積層方向における位置精度も向上する。

ダイノードＤｙ１０は支持突起である位置決め用突起３１およびスペーサ３３上に載置されるので、ｚ軸方向における位置精度を高めることができる。また、ダイノードＤｙ１０のステム５０側には嵌合部３２が形成され、位置決め用突起３１と嵌合しており、ダイノードＤｙ１０のｘｙ平面内での位置決めが容易になり、電極面内（ｘｙ面内）での位置精度を向上させることができる。さらに、ダイノードＤｙ１０と各ステムピン及び側管１５との間の沿面距離を位置決め用突起３１によって多く確保することができるので、沿面放電を防止する効果がある。

ダイノードＤｙ１０には切り欠き２９を設けて支持部材２１と接触しないようにしたので、切り欠き２９のない全ての領域を電子増倍領域にすることができ、ダイノードＤｙ１０の有効面積を確保しながらも、支持手段２１とダイノードＤｙ１０を電気的に分離することができる。

次に、図９、１０を参照しながら、変形例について説明する。本変形例において、上記実施の形態と実質的に同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図９は、変形例である放射線検出装置１００の概略断面図、図１０は図９のＡ部分の拡大図である。

本変形例においては、図９、１０に示すように、アノード２５は、第１の実施の形態における支持部材２１の代わりに支持部材１２１に載置されて支持されている。支持部材１２１は、載置部１２３と支持部１２５とから構成されている。載置部１２３および支持部１２５は共に円柱形状をなし、載置部１２３の径は支持部１２５の径よりも大きく構成されている。また、支持部１２５のｚ方向中心軸は軸６３であるが、載置部１２３の中心軸は支持部１２５の軸６３よりも光電子増倍管１０の中心側にずれている。

ダイノードＤｙ１〜Ｄｙ９、およびフォーカス電極１７は、層間体２３を介して積層されているが、層間体２３の中心軸６１は、支持部材１２１の中心軸６３と一致していない。積層方向に対する強度を確保するという観点からは、同軸の方が好ましいが、支持部材１２１の形状、特に載置部１２３の強度、大きさ、支持部１２２の長さなどを変化させれば、本変形例のように同軸でない構成を用いることができる。その他の構成、動作、効果は、第１の実施の形態による放射線検出装置１と同様であるので説明を省略する。

尚、本発明の放射線検出装置は、上記した実施の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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、ステム５０の構成は、上側押さえ材５３、ベース材５１、下側押さえ材５５の３層構造としたが、他の構成でもよい。下側押さえ材５５のｚ軸方向下側（真空容器１８の外側）の面は、リング状側管３７の下端よりも下側に突出しているが、リング状側管３７に対するステム５０の固定位置は上記形態に限られるものではない。

支持部材２１、１２１の形状は上記に限らず、アノード２５を載置可能であれば、多角柱などの別の形状でもよい。

各ダイノードＤｙ１〜Ｄｙ１０の外形は上記に限らず、円形に近い形状など他の形状としてもよい。

本発明の放射線検出装置は、医療用の画像診断装置などに利用が可能である。

本発明の一実施の形態による放射線検出装置１の概略断面図である。 光電子増倍管１０の部分拡大図である。 ステム５０をz軸方向上方から見た概観図である。 ダイノードＤｙ１０をｚ軸方向上方から見た概観図である。 アノード２５をｚ軸方向上方から見た概観図である。 アノード２５の平面図である。 ダイノードＤｙ９をｚ軸方向上方から見た概観図である。 ダイノードＤｙ９の平面図である。 本発明の変形例による放射線検出装置１００の概観断面図である。 図９の部分拡大図である。

符号の説明

１：放射線検出装置 ３：シンチレータ ５：入射面 ７：出力面 １０：光電子増倍管 １３：受光面板 １４：光電面 １５：側管 １８：真空容器 １５ａ、３７ａ：フランジ部 ２１：支持部材 ２３：層間体 ２７：アノードピン ３１：位置決め用突起 ３２：嵌合部 ３３：スペーサ ３５：ステムピン ３７：リング状側管 ５０：ステム ５０ａ：凹部 ５１：ベース材 ５３：上側押さえ材 ５３ａ：内側面 ５５：下側押さえ材

Claims (6)

1. 一側端部を構成する受光面板と、他側端部を構成するステムとを有する真空容器内に、前記受光面板を通して入射した入射光を電子に変換する光電面と、前記光電面が放出した電子を増倍させる電子増倍部と、前記電子増倍部が増倍した電子に基づいて出力信号を送出する電子検出部とを備えた光電子増倍管において、
   前記電子増倍部は、ダイノードが複数段に積層されており、
   前記電子検出部は、最終段の第１ダイノードと前記第１ダイノードの前段の第２ダイノードとの間に配置されたアノードを有し、
   前記アノードは、前記ステムに設けられた支持手段により支持されており、前記支持手段は導電体よりなり、前記支持手段には前記アノードが前記第１ダイノードから離間して載置され、
   前記アノードと前記第２ダイノードとは、絶縁体よりなる層間体を介して積層されていることを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記ステムの前記光電面側面には絶縁体で形成された支持突起が設けられ、前記第１ダイノードは前記支持突起上に載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。
3. 前記層間体と前記支持手段とは同軸に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電子増倍管。
4. 前記第１ダイノードには、前記支持突起と嵌合する嵌合部が形成されていることを特徴とする請求項２から請求項３のいずれか一項に記載の光電子増倍管。
5. 前記第１ダイノードには、切り欠きが形成されており、前記支持手段は前記切り欠きによって切り欠かれた領域内を挿通していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光電子増倍管。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光電子増倍管の前記受光面板の外側に、放射線を光に変換して出力するシンチレータを設置してなることを特徴とする放射線検出装置。

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