JP5065171B2 - 光電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明は、ガスによる電子増倍を利用した光電子増倍管に関するものである。

近年、ガス中における電子増倍作用を用いた電子増幅器の開発が進められている。ガスを利用することにより、装置内部が大気圧であり高真空容器を必要としない、電子増倍構造が簡略化される、安価に製造できる等の利点がある。この種の電子増倍器としては、多数の貫通孔が形成された多孔プレート（電子増倍部）を内蔵し、この貫通孔の両端に電圧が印加されることにより、貫通孔に入射する電子が増倍される（下記特許文献１〜３参照）。また、このような電子増倍構造に光電面を組み合わせて光電子増倍管として利用することも検討されている（下記非特許文献１，２参照）。
特開２００６−３０２８４４号公報 特開２００５−３２６３４号公報 特開２００１−５０８９３５号公報 A. Breskin et al., Nuclear Instrument and Methods in PhysicsResearch A 513 (2003) pp250-255 J. Va’vra and T. Sumiyoshi, Nuclear Instrument and Methods inPhysics Research A 535 (2004) pp334-340

しかしながら、上述したような電子増倍構造に光電面を組み合わせた場合には、電子増倍部におけるガスの電離に伴うイオンのフィードバックに起因して、光電面の劣化が生じやすい傾向にある。その結果、入射光に対する感度が低下してしまう場合があった。

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、光電面に対するイオンのフィードバックを防止して感度を維持することが可能な光電子増倍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、本発明の光電子増倍管は、ガスによる電子増倍作用を利用した光電子増倍管において、入射光が入射する光入射面に対向して設けられており、光入射面に対して傾斜する複数の傾斜部が、光入射面に沿って配列され、該傾斜部の光入射面側に反射型の光電面が形成された光電変換部と、光電変換部を挟んで光入射面に対向して設けられ、光入射面に沿って複数の貫通孔が形成された電子増倍部とを備え、複数の傾斜部は、光入射面側から電子増倍部が見通せないように互いに近接して配置されている。

このような光電子増倍管によれば、光入射面から入射した入射光が、光電変換部の反射型光電面によって光電子に変換され、光電子は電子増倍部の貫通孔に入射することにより増倍され、増倍電子が計測されることにより入射光が検出される。この際、反射型光電面は光入射面に対して傾斜する傾斜部の光入射面側に形成され、複数の傾斜部が光入射面側から電子増倍部を見通せないように配置されている。従って、光電子の増倍時にガス分子に由来して電子増倍部で発生したイオンが光電変換部側に戻ってきても光電面に衝突しにくいので、光電面の劣化が少なくなり入射光の検出感度を維持することができる。

複数の傾斜部の光入射面に沿った配列ピッチは、複数の貫通孔の光入射面に沿った配列ピッチよりも大きいことが好適である。この場合、反射型光電面から出射した光電子が複数の貫通孔に導かれるので、ガスによる増倍時に１つの貫通孔で発生する電子及びイオンを少なくすることができ、貫通孔付近における放電によるノイズの発生を抑制することができる。

また、光入射面と光電変換部との間には、入射光に応じて光電面から発生した光電子を電子増倍部に導くための制御電極をさらに備える、ことも好適である。かかる構成を採れば、光電変換部で発生した光電子を効率的に電子増倍部に導くことができるので、入射光の感度をより高めることができる。

本発明によれば、光電面に対するイオンのフィードバックを防止して感度を維持することができる。

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光電子増倍管１の縦断面図、図２は、図１の光電子増倍管１の要部を拡大して示す断面図である。

図１及び図２に示す光電子増倍管１は、アルゴン、キセノン等の希ガス、或いは希ガスとクエンチングガスの混合ガスが封入された筐体２の内部に、光電変換部３、電子増倍部４、アノード５、及び制御電極６を収容して構成されている。光電子増倍管１は、筐体２の一方の端面に設けられた入射面板７から入射する入射光を光電子に変換し、この光電子を希ガスによる電子増倍作用により増幅することにより入射光を検出する。

電子増倍部４は、入射面板７に対向して設けられたガラス製の平板状部材であり、その両面はＡｌ、Ｎｉなどの金属膜によって成膜されている。さらに、電子増倍部４には、入射面板７の光入射面７ａに平行な方向に沿って配列された複数の貫通孔８が、光入射面７ａにほぼ垂直な方向に貫通するように形成されている。この電子増倍部４の厚さは、例えば300μｍに設定され、貫通孔８は、レーザ加工、プラズマエッチングやマイクロブラスト加工により、径が数10〜数100μｍ程度、配列ピッチが25μｍ〜800μｍとなるように形成されている。

光電変換部３は、入射面板７と電子増倍部４とで挟まれた位置に、入射面板７に対向するように配置されており、Ｎｉ等の金属板の一部に複数の傾斜部９が近接して設けられた構造を有している。詳細には、複数の傾斜部９は、光入射面７ａに沿って一定のピッチで配列されるようにプレス加工等により形成され、光入射面７ａに対してその配列方向に沿って傾斜している。また、隣接する２つの傾斜部９はスリット状に分離されることにより、傾斜部９の入射面板７側の面から出射した光電子が電子増倍部４側に通過できるようになっている。この傾斜部９の入射面板７側の面には、入射光を光電子に変換する反射型の光電面１０が形成され、この光電面１０は、入射面板７側からの入射光の入射角度に対するほぼ反射方向に向けて光電子を放出する。また、入射傾斜部９の光電面１０と反対側の面は、２次電子の放出を抑制するＺｎＯやＳｎＯ等の酸化物で被覆されている。

ここで、光電変換部３における傾斜部９の入射面板７に対する傾斜角θ_１、及び傾斜部９の光入射面７ａに沿ったピッチＰ_１は、入射面板７から光入射面７ａに垂直な方向に沿って見たときに電子増倍部４が光電変換部３によって覆われて見通せないような値に設定されている（図２）。すなわち、傾斜部９のピッチＰ_１に対して傾斜部の傾斜角θ_１が所定角以下になるように加工される。さらに、傾斜部９のピッチＰ_１は、電子増倍部４の貫通孔８の光入射面７ａに沿ったピッチＰ_２よりも大きくなるようにされている。

この光電変換部３と入射面板７との間には、光入射面７ａに沿ってメッシュ状の制御電極６が設けられている。この制御電極６は、光電面１０から発生した光電子を電子増倍部４に導くための電界を発生させる。すなわち、制御電極６には、光電面１０から出射した光電子を電子増倍部４側に反射させるような光電変換部３よりも低い電位が印加される。このメッシュ状の制御電極６は、光入射面７ａに沿ったピッチＰ_３が、傾斜部９のピッチＰ_１よりも十分小さくなるように形成されている。

このような光電子増倍管１では、光入射面７ａから入射した入射光Ｌが、光電変換部３の反射型光電面１０によって光電子Ｅ_１に変換され、光電子Ｅ_１は光電面１０から電子増倍部４の貫通孔８に向けて入射する。電子増倍部４には貫通孔８の開口部間に電界が印加されており、光電子Ｅ_１はこの電界からエネルギーが与えられる結果、貫通孔８内部のガス分子に衝突して電離及び衝突を繰り返してなだれ式に増倍される。その後、増倍電子Ｅ_２がアノード５によって外部に取り出されることにより入射光が検出される。このとき、貫通孔８の内部ではガス分子の電離によってイオンＩ_１が発生し、そのイオンＩ_１が光電変換部３に戻るが、大部分は傾斜部９の光電面１０と反対側の面に吸収されるため、光電面１０におけるイオンの衝突による劣化が極めて少なくされる。特に、光電面１０の材料としてバイアルカリ等のアルカリ金属を用いる場合にイオンのフィードバックによる劣化の影響が大きいが、このような光電面を電子増倍部４と組み合わせた場合もその劣化を防止することができ、光電面１０の材料の選択の自由度が高まる。その結果、様々な波長帯域の入射光の検出感度を安定して維持することができる。さらには、傾斜部９の光電面１０と反対側の面は２次電子の放出を抑制する材料で覆われているので、イオンの入射によるノイズの発生も防止される。

さらに、電子増倍部４では、電子とイオンの再結合による発光も起こりうるが、光電面１０から電子増倍部４が見通せないような構造になっているので、フォトンのフィードバックによるノイズの発生も低減されることになる。

また、傾斜部９の光入射面７ａに沿った配列ピッチＰ_１は、貫通孔８の光入射面７ａに沿った配列ピッチＰ_２よりも大きいので、光電面１０から出射した光電子Ｅ_１が複数の貫通孔８に導かれるので、電子増倍時に１つの貫通孔８で発生する電子−イオン対を少なくすることができ、貫通孔８付近における放電によるノイズの発生を抑制することができる。

また、入射面板７と光電変換部３との間には制御電極６が設けられているので、光電変換部３で発生した光電子を効率的に電子増倍部４に導くことができ、入射光の感度をより高めることができる。さらに、この制御電極６のピッチＰ_３が傾斜部９のピッチＰ_１よりも十分小さくされることで、光電子をより効率的に電子増倍部４に導くことが可能である。

図３は、制御電極６と光電変換部３との間の電位差［V］に対する入射光の相対検出効率の変化を示すグラフである。なお、この場合の制御電極６と光電面１０との間の距離は０．５mmである。同図に示すように、制御電極６と光電変換部３との間の電位差が0より大きく〜約8Vの範囲においては、電位差をかけない場合と比較して検出効率が向上していることが分かる。

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、電子増倍部４の材料としてはガラス基板以外にも、ポリイミドフィルム等の樹脂シートを用いてもよいし、両面に成膜する金属薄膜としてはＣｕ等を用いてもよい。

また、制御電極６に関して、図４に示す本発明の変形例である光電子増倍管１０１のように、入射面板７の内側に沿って配置された透光性を有する導電性膜１０６で代用してもよい。このような導電性膜１０６としては、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電膜、Ｃｒ、Ａｕ等の金属薄膜等が用いられる。

本発明の好適な一実施形態に係る光電子増倍管の縦断面図である。 図１の光電子増倍管１の要部を拡大して示す断面図である。 図１の制御電極と光電変換部との間の電位差に対する入射光の相対検出効率の変化を示すグラフである。 本発明の変形例に係る光電子増倍管の縦断面図である。

符号の説明

Ｅ_１…光電子、Ｌ…入射光、Ｐ_１，Ｐ_２…配列ピッチ、１，１０１…光電子増倍管、３…光電変換部、４…電子増倍部、６，１０６…制御電極、７…入射面板、７ａ…光入射面、８…貫通孔、９…傾斜部、１０…光電面。

Claims (3)

1. ガスによる電子増倍作用を利用した光電子増倍管において、
   入射光が入射する光入射面に対向して設けられており、前記光入射面に対して傾斜する複数の傾斜部が、前記光入射面に沿って配列され、該傾斜部の前記光入射面側に反射型の光電面が形成された光電変換部と、
   前記光電変換部を挟んで前記光入射面に対向して設けられ、前記光入射面に沿って複数の貫通孔が形成された電子増倍部とを備え、
   前記複数の傾斜部は、前記光入射面側から前記電子増倍部が見通せないように互いに近接して配置されている、
   ことを特徴とする光電子増倍管。
2. 前記複数の傾斜部の前記光入射面に沿った配列ピッチは、前記複数の貫通孔の前記光入射面に沿った配列ピッチよりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
3. 前記光入射面と前記光電変換部との間には、前記入射光に応じて前記光電面から発生した光電子を前記電子増倍部に導くための制御電極をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電子増倍管。

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