JP4917280B2 - 電子増倍管 - Google Patents
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Description
本発明は、ダイノードが複数段に積層された電子増倍部を備える電子増倍管に関する。
ダイノードが複数段に積層された電子増倍部を備える電子増倍管の従来技術としては、下記特許文献１及び特許文献２に示す技術がある。特許文献１では、各段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンにより（同文献１段落番号００２１等）、特許文献２では各段ダイノードの二次電子放出面を酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムにより（同文献２請求項１等）それぞれ構成することが記載されている。
しかしながら、上記特許文献１のように積層型ダイノードにアルカリアンチモンからなる二次電子放出面を形成しようとすると、特に積層の中段域にアルカリ蒸気を入り込ませることが技術的に難しく、均一な感度が得られないという問題があった。一方、この問題を回避するために、上記特許文献２のように二次電子放出面にアルカリアンチモンを用いないことが考えられるが、この場合には時間の経過と共に電子増倍能力の劣化が著しくなり、製品寿命が短くなるという問題が生じていた。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高い電子増倍能力を維持しつつ長い製品寿命を実現可能な、ダイノードが複数段に積層された電子増倍部を備える電子増倍管を提供することを目的とする。
本発明者らの研究によると、二次電子放出面にアルカリアンチモンを用いない場合の電子増倍能力の劣化の理由は以下のように考えられた。すなわち、アルカリ金属により光電面を活性するタイプの光電子増倍管においては、このアルカリ活性の際に二次電子放出面に微量のアルカリ金属が吸着し、これが一時的に二次電子放出面の電子親和力を下げて一次電子に励起された二次電子を放出しやすくなる。ところが、二次電子放出面に吸着したアルカリ金属は、立方対称構造を有するアルカリアンチモンのような安定的な構造ではないため、熱や電子衝撃等により容易に脱離してしまい、結果的に時間の経過と共に電子増倍能力が劣化することになっていた。特に、最も増倍した大量の電子群の入射を受ける最後段ダイノードでは顕著であった。
また、本発明に係る第１の電子増倍管は、入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び最初に電子が入射される最前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード及び前記最前段ダイノードを除く他段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする。
また、本発明に係る第２の電子増倍管は、入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び当該最後段ダイノードに連続する所定数の後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記所定数の後段ダイノード及び前記最前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする。
また、本発明に係る第３の電子増倍管は、入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノード及び当該最前段ダイノードに連続する所定数の前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記最前段ダイノード及び前記所定数の前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする。
また、本発明に係る第４の電子増倍管は、入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び当該最後段ダイノードに連続する所定数の後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノード及び当該最前段ダイノードに連続する所定数の前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記所定数の後段ダイノード、前記最前段ダイノード及び前記所定数の前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする。
また、本発明に係る第１、第２、第３及び第４の電子増倍管によれば、最も増倍した大量の電子群の入射を受ける最後段ダイノード（及び当該最後段ダイノードに連続する所定数の後段ダイノード）の二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とすると共に、高い感度を要し技術的にアルカリ蒸気を入り込ませることが比較的容易な最前段ダイノード（及び当該最前段ダイノードに連続する所定数の前段ダイノード）の二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、技術的にアルカリ蒸気を入り込ませることが難しい中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成とするため、感度の均一性を保持し、いっそう高い電子増倍能力を維持しつつ長い製品寿命を実現することが可能になる。
さらに、本発明に係る第１〜第４の電子増倍管によれば、全てのダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンから構成する従来技術（上記特許文献１）と比較してアルカリ活性化に要する時間を減少することができ、結果的に製品製造の効率化を図ることも可能になる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、光電子を増倍させる光電子増倍管（ＰＭＴ）として用いる場合を例に挙げて説明する。
まず、図１に示す断面図を参照しながら、本実施形態に係る光電子増倍管１の構成について説明する。この光電子増倍管１は、筒形状の金属製（たとえば、コバール金属製やステンレス製）の側管２を有し、この側管２の一側の開口端Ａには、ガラス製（たとえば、コバールガラス製や石英ガラス製）の受光面板３が融着固定されている。この受光面板３の内表面には、光を電子に変換する光電面３ａが形成され、この光電面３ａは、受光面板３に予め蒸着させておいたアンチモンにアルカリ金属を反応させることで形成される。また、側管２の開口端Ｂには、金属製（たとえば、コバール金属製やステンレス製）のステム板４が溶接固定されている。このように、側管２と受光面板３とステム板４とによって密封容器５が構成され、この密封容器５は、高さが１０ｍｍ程度の極薄タイプのものである。
また、ステム板４の中央には金属製の排気管６が固定されている。この排気管６は、光電子増倍管１の組立て作業終了後、密封容器５の内部を真空ポンプ等によって排気して真空状態にするのに利用されると共に、光電面３ａの形成時にアルカリ金属蒸気を密封容器５内に導入させる管としても利用される。
密封容器５内には、ブロック状で積層型の電子増倍器７が設けられ、この電子増倍器７は、板状のダイノード８を積層させた電子増倍部９を有している。電子増倍器７は、ステム板４を貫通するように設けられたコバール金属製のステムピン１０によって密封容器５内で支持され、各ステムピン１０の先端は各ダイノード８と電気的に接続されている。また、ステム板４には、各ステムピン１０を貫通させるためのピン孔４ａが設けられ、各ピン孔４ａには、コバールガラス製のハーメチックシールとして利用されるタブレット１１が充填されている。各ステムピン１０は、このタブレット１１を介してステム板４に固定される。なお、各ステムピン１０には、ダイノード用のものとアノード用のものとがある。
電子増倍器７には、電子増倍部９の下方に位置してステムピン１０の上端に固定したアノード１２が並設されている。また、電子増倍器７の最上段において、光電面３ａと電子増倍部９との間には平板状の集束電極板１３が配置されている。この集束電極板１３には、スリット状の開口部１３ａが複数本形成され、各開口部１３ａは全て同一方向に延在した配列をなす。同様に、電子増倍部９の各ダイノード８には、電子を増倍させるためのスリット状電子増倍孔１４が複数本形成されることにより配列されている。なお、このダイノード８はメタルチャンネルダイノードと呼ばれるもので、板状部材に貫通孔を形成し、その内壁面を二次電子放出面とすることにより、電子増倍孔としたものである。
各ダイノード８の各電子増倍孔１４を段方向にそれぞれ配列してなる各電子増倍経路Ｌと、集束電極板１３の各開口部１３ａとを一対一で対応させることによって、電子増倍器７には、複数のチャンネルが形成されることになる。また、電子増倍器７に設けられた各アノード１２は所定数のチャンネル毎に対応するように８列設けられ、各アノード１２を各ステムピン１０にそれぞれ接続させることで、各ステムピン１０を介して外部に個別的な出力を取り出している。
続いて、本実施形態の特徴たる電子増倍部９について詳細に説明する。この電子増倍部９は、１２段（１２枚）のダイノード８を積層させた構造を採っている。図２に示すように、１２段のダイノードのうち、前３段及び後３段（すなわち１、２、３段目及び１０、１１、１２段目）にはアルカリアンチモンからなる二次電子放出面が形成され、中間６段（すなわち４〜９段目）には酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）からなる二次電子放出面、すなわちアンチモンを含まない二次電子放出面が形成される。より具体的には、前３段及び後３段のダイノードには真空蒸着によりアンチモンを蒸着させ、排気管６からセシウム等のアルカリ蒸気を封入する。封入したアルカリ蒸気は後３段ダイノードのアンチモンと反応させると共に、一部が側管２側から受光面板３に回り込んで光電面３ａ及び前３段ダイノードのアンチモンと反応させる。この工程により、一般的に言われるＳｂＣｓ３光電面及び二次電子面が形成されるが、セシウム蒸気以外のアルカリ金属、例えば、ルビジウム金属、カリウム金属、ナトリウム金属等を導入しＳｂ（アルカリ金属）３の光電面及び二次電子面を形成してもかまわない。一方の中間６段ダイノードには、蒸着により酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウム亜鉛被膜を形成する。
本実施形態ではアンチモンを含まない二次電子放出面に酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウム亜鉛を用いる例を挙げたが、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）または酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）のほか、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）酸化銀（Ａｇ２Ｏ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化モリブデン（ＭｏＯ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化ルビジウム（ＲｂＣｌ）、臭化ナトリウム（ＢｒＮａ）、ヨウ化ナトリウム（ＮａＩ）、ヨウ化カリウム（ＫＩ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）を採り得る。または、ＧａＰのようなIII属とＶ属の化合物半導体ダイノードでもかまわない。
本発明者らは、本実施形態に係る光電子増倍管１について３例（例Ａ、例Ｂ、例Ｃ）の感度計測実験を行ったところ、図３に示すように印加電圧１０００Ｖにて約１×１０６と実用に足る利得特性を得た。さらに、全段ダイノードの二次電子放出面をＭｇＯとしたものと、前２段及び最後段（すなわち１、２段目及び１２段目）ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンとし３〜１１段目ダイノードの二次電子放出面をＭｇＯとしたものとの増倍特性の経時変化量の計測実験を行ったところ、図４に示すように全段ＭｇＯのもの（例Ｄ）は１０００分で半分程度に劣化したのに対し、１、２段目及び１２段目をアルカリアンチモンとしたもの（例Ｅ）はほとんど劣化が見られなかった。従って、本実施形態に係る光電子増倍管によれば、感度の均一性を保持し、高い電子増倍能力を維持しつつ長い製品寿命を実現することが可能であるといえる。
また、全てのダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンから構成する従来例Ｆ、前３段及び後３段のみアルカリアンチモンから構成する例Ｇ（すなわち本実施形態に係る光電子増倍管１）、及び、前２段及び最後段（すなわち１、２段目及び１２段目）のみアルカリアンチモンから構成する例Ｈについてアルカリ活性時間を比較したところ、図５に示すように例Ｇでは例Ｆに比べ約半分、例Ｈではさらに短縮された。従って、本実施形態に係る光電子増倍管１によれば、アルカリ活性化に要する時間を減少することができ、結果的に製品作製の効率化を図ることも可能であるといえる。
なお、本発明に係る電子増倍管は、上記実施形態に記載の態様に限定されず、様々な態様を採ることが可能である。例えば、電子増倍孔１４の形状としては、本実施形態のスリット状のみでなく、円形状または多角形状といった形状を採ることができる。また、複数段を積層して電子増倍部９を形成するダイノード８としては、上記実施形態に記載したメタルチャンネルダイノードに限定されず、その他の積層型ダイノード、例えば特開昭６１−２２５３号公報の第８図に記載されたトライアングル型ダイノードや、ベネシアン型ダイノード、メッシュ型ダイノードなどを本発明の構造に採用してもよい。さらには、電子増倍部９を単一の型のダイノード８のみで形成するだけではなく、例えば図６に示すような通常のボックス型ダイノード３０と積層型ダイノード４０とを組み合わせた構造（いわゆるボックスアンドメッシュ構造、特開平２−３３８４７号公報参照）を持つ光電子増倍管の積層型ダイノード４０部に本発明の構造を適用することもできる。
１…光電子増倍管、２…側管、３…受光面板、４…ステム板、５…密封容器、６…排気管、７…電子増倍器、８…ダイノード、９…電子増倍部、１０…ステムピン、１１…タブレット、１２…アノード、１３…集束電極板、１４…スリット状電子増倍孔
Claims (4)
- 入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、
前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び最初に電子が入射される最前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード及び前記最前段ダイノードを除く他段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする電子増倍管。 - 入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、
前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び当該最後段ダイノードに連続する所定数の後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記所定数の後段ダイノード及び前記最前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする電子増倍管。 - 入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、
前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノード及び当該最前段ダイノードに連続する所定数の前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記最前段ダイノード及び前記所定数の前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする電子増倍管。 - 入射された電子を増倍する電子増倍孔が設けられたダイノードを複数段に積層して形成された電子増倍部を備える電子増倍管であって、
前記複数段のダイノードのうち、最終に電子が入射される最後段ダイノード及び当該最後段ダイノードに連続する所定数の後段ダイノード、並びに、最初に電子が入射される最前段ダイノード及び当該最前段ダイノードに連続する所定数の前段ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含む構成とし、前記最後段ダイノード、前記所定数の後段ダイノード、前記最前段ダイノード及び前記所定数の前段ダイノードを除く他段ダイノードが中段域ダイノードとして存在し、この中段域ダイノードの二次電子放出面をアルカリアンチモンを含まない構成としたことを特徴とする電子増倍管。
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