JP5345784B2 - 遷移時間を小さくする光電子増倍管 - Google Patents

Description

本発明は単一チャネル電子増倍管に関する。

光電子増倍管は一般に、密閉された真空エンベロープ内部に、感光性電極、所謂光電陰極、電子集束光学系、光電陰極によって放出される電子を増倍する電子増倍管、及び増倍された電子を集めるアノード、を有する。

ラジオコーポレーション・オブ・アメリカ(Radio Corporation of America)社に付与された特許に係る特許文献1は、1枚の図で、密閉されたエンベロープ10を有する単一チャネル光電子増倍管について説明している。その密閉されたエンベロープ10は透明窓12を形成する壁を有する。窓12は外側面及び内側面を有する。その内側面は中心軸を有する凹面を有する。その凹面はその増倍管の内側を向いている。その増倍管は、その中心軸を有する対称面を有する。

光電陰極14は、透明窓を通り抜ける光子を受光するため、透明窓を形成する壁の内側面上に備えられている。

複数の電極を有する集束光学系は、電子の進行方向からみて光学系の下流に位置する集束線形構造によって、光電陰極からの電子を電子増倍管へ集束する。増倍管は、第1ダイノード31、中間ダイノード、最後から2番目のダイノード及び最後のダイノードを有する複数のダイノード31-40を有する。その増倍管はまたアノード42をも有する。接続手段18は、密閉されたエンベロープ10を貫通し、エンベロープ10と外部接続するためのそれ自体は内側と電気的に接続しているコンタクト18を有し、かつダイノード、光電陰極14、一緒になることで集束光学系を形成する電極16、電極20、電極22、電極16、及びアノード42を、それぞれ各対応する動作電圧で接続することを可能にする。

本願で説明されている単一チャネル増倍管は、電子が光電陰極によって放出される時間と、この電子が増倍管によって増幅される結果一群の電子が発生する時間との間で遷移時間の均一性が重要な因子となるような用途で用いられるために設計されている。完全な増倍管は、光電陰極上での放出位置及び放出される電子が最初に有するエネルギーに関係なく、互いに等しい遷移時間を有する。上述の単一チャネル増倍管では、増倍管の光電陰極と第1ダイノードとの間の遷移時間の分散は、光電陰極が半球状表面の上にマウントされるため減少する。この形状のおかげで、光電陰極の様々な点と中心との間の距離は等しくなる。この幾何学的形状は、光電陰極上での電子放出位置に従って遷移時間の分散を減少させるのに寄与する。
仏国特許第1288477号明細書

本発明は従来技術より既知である単一チャネル増倍管と比較して時間分解能が改善された単一チャネル光電子増倍管に関する。

この目的は、その光電子増倍管が電子増倍管を含み、その電子増倍管は複数の増倍部で構成され、その複数の増倍部は、互いが物理的に区別され、かつ凹面の中心軸に対して回転対称性を有するので、実現される。実際各増倍部は独立した増倍部を構成する。

よって半球状の光電陰極は実質的に、増倍部が存在するほど多くの陰極部分に分割される。光電陰極が軸の周りを回転する形状を有するとき、その光電陰極部分は角度で区分けされた部分であって、その頂点は回転軸と一致する。各光電陰極部は専用の増倍部に対応する。回転対称性のため、その部分は互いに等しい。よって本発明に従うと、各光電陰極部によって放出される電子が、通常は共通の集束光学系によって集束される領域内では、存在する区域の数と同数の第1ダイノードが存在する。第1ダイノードの各々は、このダイノードに対応する光電陰極部からの電子を増倍する独立した増倍部のダイノードである。すべてのダイノードのように、各増倍部に係るこれらの第1ダイノードは、光電子増倍管の軸に対して回転対称性を有する。

1の光電陰極部のみからの電子は、陰極全体からの電子の軌道による発散角よりも小さな発散角を有する軌道を有する、つまり移動距離の差が小さいため、光電陰極から各増倍部の第1ダイノードへの電子の遷移時間差は小さくなる。

それに加えて、各増倍部の第1ダイノードD1と第2ダイノードD2との間の電子の軌道に係る移動距離の差異もまた、単一の大きな第1ダイノードが電子を単一の大きな第2ダイノードへ送る際の移動距離の差異よりも小さい。従って、各増倍部の第1ダイノードと第2ダイノードとの間での電子の移動時間の差異もまた減少する。同じことは、たとえその程度が小さいにしても、各増倍部の連続する段の間での移動時間についても当てはまる。

よって、従来技術の光電子増倍管よりも小さな遷移時間に係る分散を有する単一チャネル光電子増倍管を得られる。

要約すると、本発明は、遷移時間変化の小さな単一チャネル光電子増倍管に関する。当該光電子増倍管は：
外側面及び内側面を有する透明窓を形成する壁を有する密閉されたエンベロープであって、前記内側面は中心軸を有する内側に凹の面を有し、当該増倍管の内側を向き、かつ前記中心軸を含む対称面を有する、密閉されたエンベロープ；
前記透明窓を通り抜ける光子を受光するように前記透明窓を形成する前記の壁の内側面上に備えられている光電陰極；
1以上の電極を有する集束光学系；
電子の進行方向からみて前記光学系の下流に位置する、焦点合わせされた線形構造を有する電子増倍管であって、第1ダイノード、中間ダイノード、最後から2番目のダイノード及び最後のダイノードを含む複数のダイノードを有する電子増倍管；
アノード；及び
前記密閉されたエンベロープを貫通し、かつそれ自体は内側で電気的に接続している、前記エンベロープと外部接続するコンタクトを有する接続手段であって、前記ダイノード、前記光電陰極、一緒になることで前記集束光学系を形成する電極、及び前記アノードを、それぞれ各対応する動作電圧で接続する接続手段；
を有し、
前記電子像倍部は互いが物理的に区別されている部品で構成され、
各部品は各独立した増倍部を形成し、かつ
前記各独立した増倍部は互いに、凹面の前記中心軸に対して回転対称である、
ことを特徴とする。

ある実施例では、密閉されたエンベロープは円柱状の絶縁性さやを有し、そのさやは凹面の中心軸を中心として光電陰極を保持する。透明窓を形成する壁は前記さやの端部と接続し、かつ集束光学系は加速及び集束電極を有し、集束補正電極は、そのさやの内側壁上に成膜された円柱状の表面部分の形状をとる導電性薄膜によって形成され、そのさやは光電陰極と加速及び集束電極との間に位置する領域内でかつその光電陰極付近に端部を有する。それにより、周辺領域内での光電子の初期加速が、その光電子周辺での電場を増大させることによって促進される。

好適実施例では、その光電子増倍管は2の増倍部を有し、その凹面は半球状で、かつ集束光学系及びその2の増倍部は対称面を有し、その対称面は凹面の対称面である。この解決法により、2の増倍部を対称面上の共通軸と平行に備えることが可能となる。

この実施例では、180°の角度で区分けされている。

好適実施例の代替型では、各増倍部の第1ダイノードは光電陰極に最近接する部分を有し、その光電陰極は前記対称面と同一点で接し、各増倍部は凹面を有する。第1ダイノードの各々の各対応する凹面は対向していない。この解決法により、2の増倍部を対称面上の共通軸と平行に備えることが可能となる。

ここで添付の図を参照しながら本発明を説明する。

図1は、本発明に従った2の増倍管を有する光電子増倍管1の縦の断面を図示している。

光電子増倍管1は密閉されたエンベロープ4を有する。そのエンベロープ4は1組の壁が1つになることによって形成される。図示された例では、第1壁3は、軸AA’を有する円柱状のさや形状を有する。円柱状のさやは、たとえばガラスのような絶縁性材料で作られていることが好ましい。さやは透明窓を形成する壁5によって一端が完成する。他端は底部壁8によって完成する。密閉されたエンベロープ4の内部に設けられている様々な電極用の接続ピン12は密閉するようにしてこの底部壁8を貫通する。このような貫通の仕方それ自体は既知である。増倍管が動作するとき、これらのピン12はそれぞれ電圧源と結合することで、その増倍管の様々な電極に動作電圧を印加する。

その増倍管の透明窓を形成する壁5は、外側平面6及びその増倍管の内側を向く凹面を有する内側面7を有する。この凹面は、図示された例では、中心がその増倍管の軸AA’上に位置する球状のキャップである。従ってこの凹面は、図1に図示されているように、軸AA’に対する対称面を有する。図1は、この対称軸を含む面に従った軸方向の断面図である。光電陰極2は、透明窓5を通過する光子を受光するように、その透明窓5を形成する壁5の内側面7上に備えられている。既知の方法で、光電陰極2は、発光材料層によって構築される。発光材料とはたとえば、マルチアルカリ材料、又は銀-酸素-セシウム、又はセシウム-アンチモンの層である。別な発光材料であっても良い。材料は、光電子増倍管が使用される、発光スペクトル特性及び光子の波長に従って選択される。仮想的には、光電陰極2は、対称面に対して互いに対称である2の部分21、22を有する。対称面と図の面との交点は、球状キャップの対称軸AA’によって図1に図示されている。

光電陰極2から底部壁8まで、その増倍管は、加速及び集束電極13を、その順序通りに有する集束光学系9を有する。集束光学系9はまた、図示された例では、焦点補正電極15を有する。図示された例では、この焦点補正電極15は、さやの下側面上に堆積された導電性薄膜によって形成される。焦点補正電極15は、光電陰極2に近い端部を、軸方向について、光電陰極2と加速及び集束電極13の最上流である部分との間の領域内に有する。本明細書では、上流及び下流の語は、最初、つまり上流である光電陰極からの電子流の進行方向、及び、下流へ進む、つまりアノードへ向かう電子流の進行方向を意味する。よって集束光学系9は、その増倍管1の2のそれぞれ独立した増倍管24、26について共通している。

集束光学系9の下流では、その増倍管1は電子増倍管11を有する。その電子増倍管11は2の増倍部24、26を1つにすることによって形成される。その2の増倍部24、26は、互いに物理的に区別でき、その増倍管1の対称面に対して対称である。これらの増倍部は独立した増倍部を構成する。各増倍部24、26は所謂ライヒマン線形集束構造ダイノードを有する。物理的に区別できる、というのは、各増倍部を構成するダイノードが、他の増倍部を構成するダイノードと物理的に区別できることを意味している。このことは、2の増倍部24、26と同一のレベルを有するダイノードが同一電源と接続する可能性、つまり共通の接続部が存在する可能性を排除するものではない。この共通の接続部はエンベロープ4の内側であっても又は外側であっても良い。同様に、2の増倍部24、26の各々と同一のレベルを有する2のダイノードが互いに接する点又は領域を有する可能性も排除されない。

各電子増倍管24、26は、電子の進行方向に従って、第1ダイノード31、32、第2ダイノード23、25、中間ダイノード33、34、最後から2番目のダイノード35、36、及び最後のダイノード37、38、の順に設けられている複数のダイノードを光学系9の下流に有する。

電子の進行方向に従った、最後のダイノード37、38の下流で、その増倍管1は、2の導体17、18によって形成されるアノード16を有する。その2の導体17、18は互いに電気的に接続して、増倍管11の単一アノードを形成する。

よってその増倍管1の第1増倍チャネルは、光電陰極2の第1半分21、共通光学系9、第1増倍部24、及びアノード16の部品17によって形成される。その増倍管1の第2増倍チャネルは、光電陰極2の第2半分22、共通光学系9、第2増倍部26、及びアノード16の部品18によって形成される。

図1に図示されている例では、2の増倍部24、26と同一レベルを有するダイノード32、34、36、38及び31、33、35、37は、それぞれ単一の接続ピンと接続する。ただし各増倍部のゲイン設定ダイノード30、39は除く。その2のダイノード30、39の各々の設定ダイノード30、39は、互いに独立な電圧設定が可能となるように接続している。

図1に図示されている例では、各増倍部24、26の第1ダイノード31、32は、それぞれ透明窓5の凹面の対称面に対して対称である。これらの第1ダイノード31、32の各々は、部品27、28をそれぞれ有する。各部品27、28は光電陰極に最も近い。第1ダイノード31、32の各々の部品27、28は、それぞれ互いに同一箇所で接する。また各部品27、28は前記対称面に接する。第1ダイノード31、32は凹面を有する。その各凹面の曲面中心は対称面に対して対称である。第1ダイノード31、32の各々の曲面中心はそれぞれ、対応するダイノードと同一な対称面の側部に位置している。図1から、第1ダイノードの各々が1組である4の面部分によって構成される。曲面は、2連続する面部分が2面角を形成するため生成される。図示された断面では、2面角の曲面中心は、2面角を形成する面部分のうちの2面の各々と接する円の中心であると考えられる。

動作は以下の通りである。

既知の方法では、電子が光電陰極から放出されるとき、この電子は、光学系9によって、第1ダイノード31、32のいずれかへ向けて加速され、かつ導かれる。図1には、光電陰極2の部分21によって、それぞれ異なるタイミングで放出された電子の軌道が図示されている。その部分21からの電子の大部分は、第1増倍部24に属する第1ダイノード31へ導かれる。電子は、第1増倍部24の第1ダイノード31によって増倍される。第1ダイノード31からの電子は、第1増倍部24の第2ダイノード23上に投影される。よって電子はダイノード間で増倍され、増倍された電子流は単一アノード16の部品17へ到達する。

光電陰極2と第1増倍部24の第1ダイノード31との間の様々な電子の移動時間の平均は、光電陰極2上での電子の最初の移動時間とは全く異なっている。これらの平均移動時間は、6.24から6.40ナノ秒の間で変化する。従って移動時間の最初の差異は非常に小さい。移動時間におけるこれらの差異もまた増倍する間に減少する。移動時間の均一性が改善されるのは、光電陰極の21又は22のような部分からの電子と各増倍部の第1ダイノードとの間での移動に係る変化が小さいことに起因する。同じことは、各増倍部の第1ダイノードと第2ダイノードとの間でも当てはまる。

光電子増倍管が対称性を有するので、前記の第1増倍チャネルに係るすべては必要な変更を加えた上で、第2増倍チャネルにも適用される。光電陰極の第2部分22によって放出される電子の大部分は、第2増倍部26の第2ダイノード32へ向けて導かれる。信号は、単一アノード16の部品18上で受信される。

2チャンネル間で最大の可能な対称性を有するために注意が払われているにもかかわらず、製造に係る許容度を認めるため、その2チャンネルは所望であるような対称性を有しない。従って、増倍部24、26の各々にゲイン設定ダイノード30、39を供することが有利となる。ゲイン設定ダイノードは、同一レベルを有する、各増倍部の他のダイノードとは異なり、同一の値を有する電圧源と接続していない。従ってこれらのダイノード30、39の各々は、それら自身の接続ピン12を有する。それらの接続ピン12は、各ゲイン設定ダイノードに特定の電圧源と接続して良い。ダイノード30、39により、増倍部24、26の各々の全体のゲインのバランスを取り、かつ増倍チャネル間で等しい遷移時間を得ることが可能となる。

本発明に従った光電子増倍管の縦方向の断面を図示している。その断面は、その増倍管の対称面に従って生成された。この対称面では、第1光電陰極の半分と第1電子増倍管の第1ダイノードとの間の電子経路も図示されている。

Claims (5)

1. 遷移時間変化の小さな単一チャネル光電子増倍管であって：
   平坦な外側面、及び内側面を有する透明窓を形成する壁を有する密閉されたエンベロープであって、前記内側面は中心軸を有する単一の半球状内側凹面を有し、当該増倍管の内側を向き、かつ前記中心軸を含む対称面を有する、密閉されたエンベロープ；
   前記透明窓を通り抜ける光子を受光するように前記透明窓を形成する前記の壁の内側面上に備えられている、半球状の光電陰極；
   1以上の電極を有する集束光学系；
   電子の進行方向からみて前記光学系の下流に位置する、焦点合わせされた線形構造を有する電子増倍管であって、第1ダイノード、中間ダイノード、最後から2番目のダイノード及び最後のダイノードを含む複数のダイノードを有する電子増倍管；
   アノード；及び
   前記密閉されたエンベロープを貫通し、それ自体は内側で電気的に接続している、前記エンベロープを外部接続するためのコンタクトを有する接続手段であって、前記ダイノード、前記光電陰極、一緒になることで前記集束光学系を形成する電極、及び前記アノードを、それぞれ各対応する動作電圧で接続する接続手段；
   を有し、
   前記電子増倍管は、相互に物理的に区別される部品で構成され、
   各部品は各独立した増倍部を形成し、
   前記各独立した増倍部は互いに、前記凹面の中心軸に対して回転対称であることを特徴とする光電子増倍管。
2. 各増倍部の前記ダイノードのうちの1がゲイン設定ダイノードで、
   前記ゲイン設定ダイノードの各々は独自の接続手段を有することを特徴とする請求項1に記載の光電子増倍管。
3. 前記密閉されたエンベロープは円柱状の絶縁性さやを有し、
   前記さやは前記凹面の中心軸を中心として前記光電陰極を保持し、
   前記透明窓を形成する前記壁は前記さやの端部と接続し、
   前記集束光学系は加速集束電極及び集束補正電極を有し、
   前記集束補正電極は、前記さやの内側壁上に堆積された円柱状の表面部分の形状をとる導電性薄膜によって形成され、
   前記集束補正電極は、前記光電陰極と前記加速集束電極との間に位置する領域内の、前記光電陰極付近に端部を有することを特徴とする請求項1又は2のいずれか一つに記載の光電子増倍管。
4. 前記電子増倍管は、相互に物理的に区別できる2つの部分で構成され、
   各部分は、自身の増倍部を形成し、
   前記集束光学系は、前記内側凹面の対称面である対称面を有し、
   前記2つの部分は、前記内側凹面の前記対称面に対して対称であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の光電子増倍管。
5. 各増倍部の前記第1ダイノードは、前記光電陰極に最近接する部分を有し、
   前記第1のダイノードの各々の前記部分は、前記内側凹面の対称面に、相互に同じ点で接し、
   前記第1ダイノードの各々の凹部は相互に対向していないことを特徴とする請求項4に記載の光電子増倍管。

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