JP4863931B2 - 電子管 - Google Patents

Description

本発明は、多段に積層させたダイノードによって入射電子流を増倍する電子管に関するものである。

従来、この種の電子管としては、下記特許文献１記載の光電子増倍管が知られている。この光電子増倍管は、主軸方向に沿って設けられた複数段のダイノードを有し、それぞれのダイノードにおいては、主軸に対して傾斜する複数の薄板が主軸に直交する方向に特定のピッチで配列されている。このようなダイノードの隣接する薄板間に主軸に沿って電子が入射すると、電子が順次薄板に衝突しながら増倍されてコレクタで捕集される。
特公昭５９−２３６０９号公報 特開昭６２−１６０６５２号公報 特表２００１−５０８９１７号公報 特許第３０７８９０５号

しかしながら、上記形状のダイノードでは、高感度を実現するためには薄板のサイズをある程度大きくすることが必要となるが、あまりサイズを大きくしすぎると前段側或いは後段側のダイノードの印加電圧による影響が強くなるため、かえって電子増倍率が低下してしまう傾向にある。このような傾向は、電子管の小型化が求められている場合に顕著である。

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、装置の小型化が求められる場合であっても、感度を効率的に高めることが可能な電子管を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電子管は、複数段に積層され、入射電子を増倍する複数チャネルの電子増倍孔を有するダイノードを備えた電子管であって、電子増倍孔は、同一段のダイノードにおける隣接チャネルどうしが仕切部材によって仕切られ、仕切部材は、ダイノードの積層方向に沿った断面が積層方向に対して傾斜して延びるように形成され、且つ、前段のダイノード側の上流側側面には、前段のダイノード側の端部に沿った突起部が形成され、前段のダイノード側の先端面が積層方向に垂直な面に対して傾斜している。

このような電子管によれば、複数段に積層されたダイノードには、隣接チャネル間が積層方向に対して傾斜する仕切部材によって仕切られた電子増倍孔が構成されており、その仕切部材には、前段のダイノード側の側面において電子増倍孔の開口端に沿った突起部が設けられ、且つ、仕切部材の前段のダイノード側の先端面がダイノードの積層方向に垂直な面に対して傾斜している。このような仕切部材の形状により、前段のダイノードに印加された電圧による電場のしみこみが突起部により遮られることにより、電子増倍孔内の電位の低下が防止されるとともに、電子増倍孔の後段のダイノード側の側面近傍における電位が引き上げられる。また、前段のダイノード側の先端面が傾斜することで当該先端面から前段のダイノードの電子増倍孔内部に向けて電場がしみこみやすくなる。このような突起部及び先端面形状の相乗効果により、ダイノードにおける電子の増倍効率が向上し、検出感度を効果的に高めることが可能になる。

仕切部材の突起部には、先端に前段のダイノード側の端部に沿った窪みが形成されていることが好ましい。この場合、仕切部材の突起部と前段のダイノードとの間の耐電圧特性が低下することなく所望の検出感度を維持することができる。

また、仕切部材の後段のダイノード側の下流側側面には、前段のダイノード側の端部に沿った窪み部が形成されていることも好ましい。かかる構成を備えれば、電子増倍孔の体積を確保することができるので、ダイノードを多チャネル化した場合であっても、各チャネル毎の電子の収集効率を向上させることができる。

また、仕切部材の窪み部は、上流側側面の突起部の形成位置に対して反対側の下流側側面の位置に形成されていることも好ましい。こうすれば、仕切部材の肉厚を薄くすることが容易になり、限られたサイズのダイノードにおいて電子増倍孔を容易に多チャネル化することができる。

或いは、仕切部材の後段のダイノード側の下流側側面には、前段のダイノード側の端部に沿って更に突起部が形成されていることが好ましい。かかる突起部を備えれば、電子増倍孔の後段のダイノード側において後段側に２次電子を導くような電場を生じやすくなるので、検出感度をより高くすることができる。

また、上流側側面の突起部は、電子増倍孔の前段のダイノード側の開口部を含む第１の面と、後段のダイノード側の開口部を含む第２の面との間の中点を含む面よりも第１の面寄りに配置されていることも好ましい。この場合、前段のダイノードへの印加電圧による電子増倍孔への電場のしみこみが一層防止され、電子の増倍率をさらに高めることが可能になる。

さらに、仕切部材の上流側側面は、突起部から先端面にかけて前段のダイノード側に向けて湾曲するように形成されていることも好ましい。かかる形状の場合、仕切部材の側面から前段のダイノードまでの距離が大きくされるのでダイノード間の放電を防止できるとともに、仕切部材の先端部から前段の電子増倍孔内に向けて電場がしみこみ易くなるので、電子の増倍率をより向上させることができる。

またさらに、仕切部材の上流側側面は、突起部から後段のダイノード側の先端部にかけて前段のダイノード側に向けて湾曲するように形成されていることも好ましい。かかる形状の場合、仕切部材の先端部から後段のダイノードまでの距離が大きくされるのでダイノード間の放電を十分に防止することができる。

本発明によれば、装置の小型化が求められる場合であっても、感度を効率的に高めることが可能な電子管を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る電子管の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の好適な一実施形態に係る電子管である光電子増倍管１の管軸方向に沿った端面図である。この光電子増倍管１は、入射光を受ける円形状の透光性を有する受光面板２、その受光面板２の外縁部に取り付けられた円筒状の金属側管３、及び金属側管３を挟んで受光面板２に対面して配置された円形のステム４によって構成された真空容器５と、この真空容器５内に配設された収束電極６、電子増倍部７、及びアノード８とを備えている。この光電子増倍管１のサイズとしては特定のサイズには限定されないが、例えば、真空容器５の管軸Ｚ方向の長さが12mm、管軸Ｚに垂直な方向の幅が15mmである。

受光面板２の内面には、光電陰極２ａが設けられ、この光電陰極２ａと電子増倍部７との間において、管軸Ｚ方向に対して垂直な方向に略等間隔に並ぶように線状の収束電極６が設けられている。この収束電極６は、外部から受光面板２への光の入射に伴い光電陰極２ａから真空容器５内に放出された電子を、その軌道を収束させることにより電子増倍部７に入射させる。

電子増倍部７は、多数の電子増倍孔９を有するダイノード１０が、管軸Ｚ方向に複数段で積層されて構成されており、最終段のダイノード１０の後段側には、最終段のダイノード１０の電子増倍孔９に対向して略矩形状のアノード８が配設されている。また、ステム４には、外部の電圧端子と接続して、光電陰極２ａ、収束電極６、各ダイノード１０、及びアノード８に所定の電圧を印加するステムピン１１が貫通して設けられている。このダイノード１０の段数及びステムピン１１への印加電圧は様々に設定されうるが、例えば、ダイノード１０は８段で積層され、光電陰極２ａ、収束電極６、各ダイノード１０、及びアノード８への印加電圧は、それぞれ、0V、0V、160〜720V（80V間隔）、800Vと、光電陰極２ａからアノード８に向かうに従って高くなるように設定されることで、入射電子流は、電子増倍経路における上流から下流に向かうにつれて、具体的には初段のダイノード１０から最終段のダイノード１０に向かうにつれて増倍されて、アノード８で検出信号として外部に取り出される。

次に、図２〜４を参照して、電子増倍部７の構成について詳細に説明する。図２は、図１の電子増倍部７の一部を拡大して示す端面図、図３は、図２の仕切部材を拡大して示す端面図、図４は、図１のダイノード１０を管軸Ｚ方向から見た平面図である。

各ダイノード１０は、略矩形状のステンレス、アルミニウム等の金属製の平板電極に、管軸Ｚ方向に対して垂直な方向に沿って互いに並列にスリット状の電子増倍孔９が複数形成されて成る。これらの複数の電子増倍孔９は、その前段側（収束電極６側）の開口部９ａが、前段のダイノード１０の電子増倍孔９の後段側（アノード８側）の開口部９ｂの延長線上に位置することによって管軸Ｚ方向に沿ったジグザグ状の電子増倍用チャネルを複数形成する。

このような構造のダイノード１０としては、例えば、9mm四方、厚さ0.1mmのステンレス平板に1mm間隔で電子増倍孔９を形成したものを、0.8mmピッチで積層したものが使用される。

電子増倍孔９の特徴についてより詳細に説明すると、隣接する電子増倍用チャネルを構成する２つの電子増倍孔９は、平板電極に例えばプレス加工を施すことにより成形された仕切部材１２によって仕切られている。この仕切部材１２は、スリット状の電子増倍孔９の配列方向をＸ軸とした場合のＸ−Ｚ平面に沿った断面が、管軸Ｚに対して傾斜して延びるように形成されている（図３）。

仕切部材１２の前段のダイノード１０側の上流側側面１２ａには、電子増倍孔９の開口部９ａを成す仕切部材１２の前段側の端部に沿って（Ｙ軸方向に沿って）、突起部１３が形成されている。この突起部１３は、電子増倍孔９の開口部９ａを含む面Ｓ１と開口部９ｂを含む面Ｓ２との間の中点を含む面Ｓ３よりも面Ｓ１寄りに位置するように形成されている。また、この突起部１３の中心部には、突起部１３の長手方向に沿って、すなわち、開口部９ａに沿って線状に切り欠かれた窪み１３ａが形成されている。この上流側側面１２ａは、突起部１３から前段側の先端面１２ｃ及び後段側の先端面１２ｄにかけて、前段のダイノード１０側に湾曲するように曲面を形成している。

仕切部材１２の後段のダイノード１０側の下流側側面１２ｂには、突起部１３の形成方向に沿って、すなわち、開口部９ａに沿って直線状に窪み部１４が形成されている（図３及び図４）。この窪み部１４は、上流側側面１２ａの突起部１３の形成位置に対して反対側の下流側側面１２ｂの位置に形成されている。また、この下流側側面１２ｂは、窪み部１４から前段側の先端面１２ｃ及び後段側の先端面１２ｄにかけて、前段のダイノード１０側に湾曲するように曲面を形成している。

また、仕切部材１２の先端面１２ｃは、同一チャネルの前段側の電子増倍孔９内に向けて開口部９ａが突出するように、管軸Ｚ方向に垂直な面Ｓ１に対して傾斜して形成されている。同様に、仕切部材１２の先端面１２ｄも、管軸Ｚ方向に垂直な面Ｓ２に対して傾斜して形成されている。

このような構成の電子増倍部７における電子増倍機能について、図１及び図５を参照しつつ説明する。

収束電極６を通過して１段目のダイノード１０の電子増倍孔９内に入射した電子は、ダイノード１０に印加された電圧により加速されながら、電子増倍孔９の上流側側面１２ａのアノード８側の下部に衝突し、ここで２次電子が放出され入射電子流Ｅが増倍される。増倍された入射電子流Ｅは同一チャネルの次段のダイノード１０の電子増倍孔９に入射して、そのダイノード１０に印加された電圧により加速されながら上流側側面１２ａに衝突し、再び増倍される。このようにして最終段のダイノード１０の電子増倍孔９から放出された電子流Ｅは、アノード８からステムピン１１を介して外部に電気信号として取り出される。

以上説明した光電子増倍管１によれば、複数段に積層されたダイノード１０には、隣接チャネル間が管軸Ｚ方向に対して傾斜する仕切部材１２によって仕切られた電子増倍孔９が構成されており、その仕切部材１２には、前段のダイノード１０側の側面１２ａにおいて電子増倍孔９の開口部９ａに沿った突起部１３が設けられ、且つ、仕切部材１２の前段のダイノード側の先端面１２ｃが管軸Ｚ方向に垂直な面Ｓ１に対して傾斜している。このような仕切部材１２の形状により、前段のダイノード１０に印加された電圧による電場Ｆ１の電子増倍孔９内へのしみこみが突起部１３により遮られることにより、電子増倍孔９内の電位の低下が防止されるとともに、電子増倍孔９の後段のダイノード１０側の側面１２ａ近傍における電位が引き上げられる（図５）。また、前段のダイノード１０側の先端面１２ｃが傾斜することで当該先端面１２ｃから前段のダイノード１０の電子増倍孔９内部に向けて電場Ｆ２がしみこみやすくなる。このような突起部１３及び先端面１２ｃ形状の相乗効果により、増倍された入射電子流Ｅを上流側側面１２ａから後段の電子増倍孔９に導入しやすい電場の分布が形成されるので、ダイノード１０における電子の増倍効率が向上し、検出感度を効果的に高めることが可能になる。また、仕切り部材１２には管軸Ｚ方向に垂直な面Ｓ１に対して平行な部位が殆どないため、ノイズ等の原因となりうる異物が仕切り部材１２上に載ってしまうことを抑制することができる。

特に、突起部１３は、電子増倍孔９の開口部９ａを含む面Ｓ１と、開口部９ｂを含む面Ｓ２との間の中点を含む面Ｓ３よりも面Ｓ１寄りに配置されているので、前段のダイノード１０への印加電圧による電子増倍孔９への電場のしみこみが一層防止され、電子の増倍率をさらに高めることが可能になる。

また、仕切部材１２の突起部１３には、その先端に開口部９ａに沿った窪み１３ａが形成されているので、仕切部材１２の突起部１３と前段のダイノード１０との間の耐電圧特性が低下することなく所望の検出感度を維持することができる。

また、仕切部材１２の下流側側面１２ｂには、開口部９ａに沿った窪み部１４が形成されていることで電子増倍孔９の体積を確保することができるので、ダイノード１０を多チャネル化した場合であっても、各チャネル毎の電子の収集効率を向上させることができる。さらに、仕切部材１２の窪み部１４は、上流側側面１２ａの突起部１３の形成位置に対して反対側の下流側側面１２ｂの位置に形成されているので、仕切部材１２の肉厚を薄くすることが容易になり、限られたサイズのダイノード１０において電子増倍孔９を容易に多チャネル化することができる。

さらに、仕切部材１２の上流側側面１２ａは、突起部１３から先端面１２ｃにかけて前段のダイノード１０側に湾曲するように形成されているので、仕切部材１２の側面１２ａから前段のダイノード１０までの距離が大きくされてダイノード１０間の放電を防止できるとともに、仕切部材１２の開口部９ａから前段の電子増倍孔９内に向けて電場がしみこみ易くなるので、電子の増倍率をより向上させることができる。

またさらに、仕切部材１２の上流側側面１２ａは、突起部１３から先端面１２ｄにかけて前段のダイノード１０側に湾曲するように形成されているので、仕切部材１２の開口部９ｂから後段のダイノード１０までの距離が大きくされるのでダイノード間の放電を十分に防止することができる。

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、ダイノード１０の形状としては様々な変形態様を採ることができる。例えば、図６には、本発明の変形例であるダイノード１１０の図１と同様な管軸方向に沿った端面図を示す。このダイノード１１０は、隣接する電子増倍孔１０９を仕切る仕切部材１１２を有しており、この仕切部材１１２の上流側側面１１２ａには、電子増倍孔１０９の開口部１０９ａに沿って直線的に尖った形状を有する突起部１１３が形成されている。そして、この仕切部材の下流側側面１１２ｂにおける突起部１１３と反対側の位置には、後段のダイノード１１０側に直線的に突出する突起部１１４が形成されている。このような形状の場合は、電子増倍孔１０９が後段のダイノード１１０側に向けて狭くなるように構成されることにより後段側に２次電子を導くような電場が生じやすくなるので、電子の増倍率がさらに高められ、検出感度をより高くすることができる。

また、以上説明した実施形態では、電子増倍部を備えた電子管として光電子増倍管を示したが、それ以外にも光電陰極を有さない電子増倍管、入力光像を輝度増幅するイメージ増倍管等の電子増倍部を備えた電子管であってもよい。

本発明の好適な一実施形態に係る光電子増倍管の管軸方向に沿った端面図である。 図１の電子増倍部の要部を拡大して示す端面図である。 図２の仕切部材を拡大して示す端面図である。 図１のダイノードを管軸方向から見た平面図である。 図１の電子増倍孔における入射電子の軌道を示す図である。 本発明の変形例にかかるダイノードの管軸方向に沿った端面図である。

符号の説明

１…光電子増倍管、９，１０９…電子増倍孔、９ａ，１０９ａ…開口部（端部）、９ｂ…開口部、１０，１１０…ダイノード、１２，１１２…仕切部材、１２ａ，１１２ａ…上流側側面、１２ｂ，１１２ｂ…下流側側面、１２ｃ…先端面、１３，１１３，１１４…突起部、１３ａ…窪み、１４…窪み部、Ｚ…管軸（積層方向）。

Claims (8)

1. 複数段に積層され、入射電子を増倍する複数チャネルの電子増倍孔を有するダイノードを備えた電子管であって、
   前記電子増倍孔は、同一段の前記ダイノードにおける隣接チャネルどうしが仕切部材によって仕切られ、
   前記仕切部材は、
   前記ダイノードの積層方向に沿った断面が前記積層方向に対して傾斜して延びるように形成され、且つ、前段の前記ダイノード側の上流側側面には、前記前段のダイノード側の端部に沿った突起部が形成され、前記前段のダイノード側の先端面が前記積層方向に垂直な面に対して傾斜している、
   ことを特徴とする電子管。
2. 前記仕切部材の前記突起部には、前記前段のダイノード側の端部に沿った窪みが形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の電子管。
3. 前記仕切部材の後段の前記ダイノード側の下流側側面には、前記前段のダイノード側の端部に沿った窪み部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電子管。
4. 前記仕切部材の窪み部は、前記上流側側面の前記突起部の形成位置に対して反対側の前記下流側側面の位置に形成されている、
   ことを特徴とする請求項３記載の電子管。
5. 前記仕切部材の後段の前記ダイノード側の下流側側面には、前記前段のダイノード側の端部に沿って更に突起部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電子管。
6. 前記上流側側面の前記突起部は、前記電子増倍孔の前段の前記ダイノード側の開口部を含む第１の面と、後段の前記ダイノード側の開口部を含む第２の面との間の中点を含む面よりも前記第１の面寄りに配置されている、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子管。
7. 前記仕切部材の前記上流側側面は、前記突起部から前記先端面にかけて前段の前記ダイノード側に向けて湾曲するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子管。
8. 前記仕切部材の前記上流側側面は、前記突起部から後段の前記ダイノード側の先端部にかけて前段の前記ダイノード側に向けて湾曲するように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子管。

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