JP5951203B2

JP5951203B2 - 検出器

Info

Publication number: JP5951203B2
Application number: JP2011185208A
Authority: JP
Inventors: 孝行住吉; 冬樹門叶; 杉山　浩之; 浩之杉山; 晃行岡田
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: JP2013044732A

Description

本発明は、ガスによる電子増倍作用を利用した検出器に関する。

従来から、微細加工によって製造されるガス検出器（MPGD：Micro Patterned Gas Detector）の研究開発が進められている。このガス検出器は、ガス中における電子増倍作用を用いて光、Ｘ線等の放射線や荷電粒子等を検出するものであり、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、大面積で薄型の検出器が安価に製造できる等の利点がある。このような利点を生かして素粒子物理学実験や宇宙放射線計測などの研究分野等で開発が精力的に進められている。例えば、この種の検出器として、グリッド状の薄い電気伝導性の板である陰極と陽極とをチャンバー内に有する検出器が知られている（下記特許文献１参照）。この検出器では、陰極と陽極との間のギャップに電界が形成されることにより、電子増倍作用が引き起こされ、チャンバー内に入射した電離粒子が検出される。また、メッシュ構造の２段の電極を互いの孔の位置がずれるように配置した光検出器も知られている（下記非特許文献１参照）。

特表平１１−５１３５３０号公報

F. Jeanneau et al., "Ion back-flow gating in a micromegas device", NuclearInstruments and Methods in Physics Research A 623 (2010) pp.94-96

しかしながら、上述した従来の検出器では、電子増倍作用によって生じたイオンが電子増倍領域から上流側にフィードバックしてしまう傾向にあった。そのため、フィードバックしたイオンにより、検出器の検出感度が劣化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、イオンのフィードバックを低減して検出感度を維持することが可能な検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一側面に係る検出器は、ガスによる電子増倍作用を利用した検出器において、複数の貫通孔が表面上の一方向に沿って規則的に設けられ、ガス中に電子増倍領域を生成するための電界を形成する第１の平板電極と、第１の平板電極に平行に配置され、複数の貫通孔が一方向に沿って規則的に設けられ、ガス中に電子増倍領域を生成するための電界を形成する第２の平板電極と、第１の平板電極の反対側で第２の平板電極に対向して配置され、電子増倍領域によって増倍された電子を取り出す陽極とを備え、第１の平板電極の貫通孔の幅は、第２の平板電極の貫通孔の幅より狭く、第１の平板電極の貫通孔の中心位置は、第２の平板電極の貫通孔の中心位置に対して、一方向に沿ってずれており、第１及び第２の平板電極は、表面に沿った外側に中心部より肉厚が厚く形成された縁部を有し、縁部に取り付けられた支持部材によって支持されている。

このような検出器によれば、第１の平板電極、第２の平板電極、及び陽極に必要な電圧を印加することにより、第１の平板電極と第２の平板電極との間の間隙、及び第２の平板電極と陽極との間の間隙に電界が形成される結果、それらの間隙において電子増倍領域が形成される。第１の平板電極に向けて光や放射線等に伴って発生した電子が入射すると、電子が第１及び第２の平板電極の貫通孔を通過しながら電子増倍領域において増倍されて陽極で取り出されることにより、光や放射線等が検出される。その際、第２の平板電極の貫通孔の付近から第１の平板電極に向かってフィードバックするイオンは第１の平板電極に吸収されやすい構造になっているので、イオンが第１の平板電極の貫通孔を通過してフィードバックすることを防止することができる。それと同時に、第２の平板電極から陽極に向けて増倍電子を効率よく通過させることができる。これにより、電子増倍率を高めつつイオンフィードバックに起因する検出感度の低下を防止することができる。

ここで、第２の平板電極の貫通孔は、第１の平板電極の一方向に隣り合う２つの貫通孔の中心に配置されている、ことが好適である。こうすれば、イオンが第１の平板電極の貫通孔を通過してフィードバックすることを一層防止することができる。

また、第１の平板電極の貫通孔と第２の平板電極の貫通孔とは、第１の平板電極の表面から見て千鳥配置されている、ことも好適である。この場合、第１の平板電極の表面全体においてその貫通孔を通過してイオンがフィードバックすることを防止することができる。

さらに、第１又は第２の平板電極の貫通孔は、第２又は第１の平板電極の一方向に垂直な方向に隣り合う２つの貫通孔の中心にさらに配置されている、ことも好適である。かかる構成を採れば、イオンのフィードバックを低減しながら、検出感度も高めることができる。

またさらに、第１及び第２の平板電極は、表面に沿った外側に中心部より肉厚が厚く形成された縁部を有し、縁部に取り付けられた支持部材によって支持されている、ことも好適である。この場合、第１及び第２の平板電極の機械的強度を高めることができ、印加電界によって接触不良を起こすことも防止できる。

さらにまた、第１及び第２の平板電極は、金属平板にエッチング加工が施されることにより、縁部及び貫通孔が形成される、ことも好適である。かかる構成により、平板電極の加工が容易となり、製造効率を高めることができる。

本発明によれば、イオンのフィードバックを低減して検出感度を維持することが可能な検出器を提供できる。

本発明の好適な一実施形態に係る光検出器を示す斜視図である。図１の光検出器の内部構成を示す一部破断斜視図である。図１の光検出器の内部構成を示す断面図である。図１の平板電極の貫通孔を窓部側から見た平面図である。図１の光検出器における入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。図１の光検出器と比較例におけるイオンフィードバック率及びゲインのシミュレーション結果を示すグラフである。本発明の変形例に係る放射線検出器の内部構成を示す断面図である。本発明の変形例に係る平板電極の貫通孔を窓部側から見た平面図である。本発明の変形例に係る平板電極の貫通孔を窓部側から見た平面図である。本発明の比較例に係る光検出器における入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。本発明の比較例に係る光検出器における入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。本発明の比較例に係る光検出器における入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る検出器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検出器を示す斜視図、図２は、図１の光検出器の内部構成を示す一部破断斜視図、図３は、図１の光検出器の内部構成を示す断面図である。図１に示す光検出器１は、ガスによる電子増倍作用を利用して外部から入射する光を検出する装置である。この光検出器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直方体状の筐体２の内部に、２段の電子増倍領域生成用の平板電極３Ａ，３Ｂ、及び増倍電子の取り出し用の平板電極である陽極５を収容して構成されている。この筐体２の一端面には、外部からの入射光を内部に透過する窓部６が形成されており、筐体２の内部には、窓部６側から順に平板電極３Ａ、平板電極３Ｂ、及び陽極５が配置されている。さらに、この窓部６の内面には、窓部６に入射する光を電子に変換して筐体２の内部に向けて放出する透過型の光電面７が形成されている。

平板電極３Ａ，３Ｂのうちの１段目の平板電極３Ａは、複数の円形の貫通孔８Ａを有する金属板であり、窓部６に対して所定の距離を空けて略平行になるように配置されている。平板電極３Ａ，３Ｂのうちの２段目の平板電極３Ｂは、複数の円形の貫通孔８Ｂを有する金属板であり、１段目の平板電極３Ａに対して窓部６の反対側に所定の距離を空けて略平行になるように配置されている。陽極５は、この２段目の平板電極３Ｂに対して第１段目の平板電極３Ａの反対側に所定の距離を空けて対向するように配置されている。

これらの平板電極３Ａ，３Ｂには、それぞれ、窓部６側の表面９Ａ，９Ｂに沿った外側において、中心部より肉厚が厚い縁部１０Ａ，１０Ｂが形成されている。詳細には、この縁部１０Ａ，１０Ｂは、それらの窓部６側の表面１１Ａ，１１Ｂが中心部側の表面９Ａ，９Ｂから窓部６側に盛り上がるように形成され、それらの窓部６の反対側の裏面１２Ａ，１２Ｂが中心部側と面一となるように形成されている。そして、平板電極３Ａと平板電極３Ｂとは、縁部１０Ａの裏面１２Ａと縁部１０Ｂの表面１１Ｂとの間に取り付けられた支持部材１３によって、筐体２内で互いに所定の距離ほど離れた状態で支持されている。同様に、平板電極３Ｂと陽極５とは、縁部１０Ｂの裏面１２Ｂと陽極５との間に取り付けられた支持部材１４によって、筐体２内で互いに所定の距離ほど離れた状態で支持されている。これらの支持部材１３，１４は、例えばセラミック等の絶縁体によって構成される。

なお、平板電極３Ａ，３Ｂの縁部１０Ａ，１０Ｂは、表面９Ａ，９Ｂ上の一方向に沿った両端部に形成されており、それぞれに支持部材１３，１４が設けられている。この縁部１０Ａ，１０Ｂと同様な支持構造は、平板電極３Ａ，３Ｂの表面９Ａ，９Ｂ上の中央部にその一部の肉厚を厚くすることによってさらに設けられていてもよい。また、縁部１０Ａ，１０Ｂは、窓部６の反対側に盛り上がるように形成されていてもよい。このような構造の平板電極３Ａ，３Ｂを加工する際には、まず、平板状の金属プレートにマスク材を貼り付けた状態でエッチング加工を施すことにより、縁部１０Ａ，１０Ｂの表面１１Ａ，１１Ｂから窪んだ表面９Ａ，９Ｂを形成する。その後、平板電極３Ａ，３Ｂの表面９Ａ，９Ｂの反対側の裏面１２Ａ，１２Ｂにマスク材を貼り付けた状態でエッチング加工を施すことにより、貫通孔８Ａ，８Ｂを形成する。この際、平板電極３Ａと平板電極３Ａとでマスク材のパターンを変更することにより、貫通孔８Ａ，８Ｂを、その大きさや配置が異なるように形成させる。

次に、平板電極３Ａ，３Ｂの貫通孔８Ａ，８Ｂの位置関係について詳細に説明する。図４は、平板電極３Ａ，３Ｂの貫通孔８Ａ，８Ｂを窓部６側から見た平面図である。同図においては、窓部６に沿った一方向をＸ軸方向とし、、窓部６に沿ったＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸に垂直であって窓部６に向かう方向をＺ方向としている。

同図に示すように、複数の貫通孔８Ａは、窓部６に沿って同一の直径（幅）Ｗ_１の断面を有しており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って中心点が一定距離を空けて規則的に並ぶように、２次元的に配置されている。これに対して、複数の貫通孔８Ｂは、貫通孔８Ａの直径Ｗ_１よりも広い同一の直径（幅）Ｗ_２の断面を有しており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って中心点が一定距離を空けて規則的に並ぶように、２次元的に配置されている。このような貫通孔８Ａと貫通孔８Ｂとは、互いの中心位置がＹ軸方向に沿ってずれるように形成されている。すなわち、全ての貫通孔８Ａの中心位置は、Ｙ軸方向に隣り合う２つの貫通孔８Ｂの中心に配置されている。逆に言えば、全ての貫通孔８Ｂの中心位置は、Ｙ軸方向に隣り合う２つの貫通孔８Ａの中心に配置されている。このような貫通孔８Ａ，８Ｂは、Ｚ軸方向に沿って一定の直径を有していてもよいし、直径が徐々に変化するように、つまり、窓部６側或いはその反対側から見てテーパ状に形成されていてもよい。貫通孔８Ａ，８Ｂの直径が徐々に変化している場合には、貫通孔８Ａの窓部６側の開口の直径が、貫通孔８Ｂの窓部６側の開口の直径に比較して狭くされる。

以上説明した光検出器１によれば、平板電極３Ａ、平板電極３Ｂ、及び陽極５に対して給電用ピン１５から所定の電位が与えられることにより、平板電極３Ａと平板電極３Ｂとの間の貫通孔８Ａの直下の領域に強電界が生成されてガス中に電子増倍領域が形成されるとともに、平板電極３Ｂと陽極５との間の貫通孔８Ｂの直下の領域に強電界が生成されてガス中に電子増倍領域が形成される。このような状態で窓部６から光が入射すると、窓部６の内側の光電面７によって変換された電子が平板電極３Ａに入射する。そうすると、入射電子は平板電極３Ａの貫通孔８Ａを通過した後に平板電極３Ａの直下の電子増倍領域において増倍されて平板電極３Ｂに入射する。その後、増倍電子が平板電極３Ｂの直下の電子増倍領域においてさらに増倍されて陽極５で取り出されることにより、窓部６に入射する入射光が高感度で検出される。その際、各電子増倍領域においては電子増倍に伴って必然的にイオンが発生し、電子増倍領域の電界によって窓部６に向かう方向にフィードバックする。

ここで、平板電極３Ａ，３Ｂの貫通孔８Ａ，８Ｂの直下の電子増倍領域付近から平板電極３Ａに向かってフィードバックするイオンが平板電極３Ａに吸収されやすい構造になっているので、イオンが平板電極３Ａの貫通孔８Ａを通過してフィードバックすることを防止することができる。すなわち、平板電極３Ａの貫通孔８Ａの直下では、電子は電界に垂直な方向に揺らぎながら進行するので、電子増倍領域は平板電極３Ｂに近づくにつれて電界に垂直な方向に拡がる。このような電子増倍領域で発生したイオンは、電界中の電気力線に沿ってフィードバックするので、平板電極３Ａの裏面１２Ａで吸収されやすくなる。また、平板電極３Ｂの直下の電子増倍領域で発生したイオンのうち貫通孔８Ｂを通過したイオンも、貫通孔８Ａの大きさが貫通孔８Ｂよりも小さく、かつ貫通孔８Ａ，８Ｂの位置がずれているために平板電極３Ａの裏面１２Ａで吸収されやすくなる。また、それと同時に、貫通孔８Ａ，８Ｂの大きさの関係によって、平板電極３Ｂから陽極５に向けて増倍電子を効率よく通過させることもできる。これにより、電子増倍率を高めつつイオンフィードバックに起因した光電面７の劣化に伴った検出感度の低下を防止することができ、Ｓ／Ｎが良く長期安定動作が可能なガス増倍型検出器が実現できる。結果として、従来のＸ線や荷電粒子などでガスを直接電離する領域しか感度を持たなかったガス検出器に、紫外から可視光用の光電面を組み合わせることが可能となり、薄型で安価な紫外〜可視光用の微弱光検出器を実現できる。また、平板電極３Ｂの貫通孔８Ｂは平板電極３Ａの隣り合う２つの貫通孔８Ａの中心に配置されているので、イオンが平板電極３Ａの貫通孔８Ａを通過してフィードバックすることを一層防止することができる。

図５は、光検出器１における入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。この図では、図４のＹ−Ｚ平面上における電子軌道Ｏ_ｅ及びイオン軌道Ｏ_ｉを示しており、平板電極３Ａ，３Ｂの厚さ50μm、貫通孔８Ａの窓部６側の開口直径80μm、貫通孔８Ａの窓部６と反対側の開口直径120μm、貫通孔８Ｂの開口直径200μm、平板電極３Ａと平板電極３Ｂとの距離300μm、平板電極３Ｂと陽極５との距離200μmを想定している。このように、１つの入射電子によって平板電極３Ａと陽極５の間の電子増倍領域で発生するイオンは平板電極３Ａに向けて進行し、そのほとんどが平板電極３Ａの裏面１２Ａに吸収されることが分かる。この場合のイオンフィードバック率は2.2×10^-5であり、ゲインは3.7×10⁴であった。

図１０〜図１２は、本実施形態に対する比較例において入射電子とそれに伴って発生するイオンの軌道のシミュレーション結果を示す図である。図１０には、１段の電子増倍領域生成用の平板電極９０３のみを有する光検出器９０１ａにおけるシミュレーション結果を示しており、平板電極９０３の直下の電子増倍領域で発生したイオンの多くが光電面７側にフィードバックしていることを表している。この場合のイオンフィードバック率は7.0×10^-2であり、ゲインは5.0×10³であった。１段の構造では、電子増倍領域生成用電極と陽極との間に印加できる電圧に限界があることから電子増倍率の向上は期待できない。また、図１１には、同一の大きさの貫通孔を有する２段の平板電極９０３を互いの貫通孔の中心がＺ軸方向に沿って重なるように配置された光検出器９０１ｂにおけるシミュレーション結果を示しており、２段目の平板電極９０３の直下の電子増倍領域で発生したイオンの多くが１段目の貫通孔を通過して光電面７側にフィードバックしていることを表している。この場合のイオンフィードバック率は1×10^-2であり、ゲインは約1.5×10⁴であった。また、図１２には、同一の大きさの貫通孔を有する２段の平板電極９０３Ａ，９０３Ｂを互いの貫通孔の中心がＹ軸方向にずれるように配置された光検出器９０１ｃにおけるシミュレーション結果を示しており、１段目の平板電極９０３Ａの直下の電子増倍領域で発生したイオンのフィードバックはある程度低減されているが、ゲインが本実施形態に比較して低下している。貫通孔の大きさが同じだと２段目の電子増倍領域への収集効率が低く十分な電子増倍率が得られない。この場合のイオンフィードバック率は4.1×10^-4であり、ゲインは約9.3×10³であった。図６には、本実施形態に係る光検出器１と比較例１，２，３に係る光検出器９０１ａ，９０１ｂ，９０１ｃにおけるイオンフィードバック率及びゲインのシミュレーション結果を示す。

また、本実施形態における１段目の平板電極３Ａと２段目の平板電極３Ｂとの間隔は例えば300μmであり、２段目の平板電極３Ｂと陽極５との間隔は例えば200μmであり、従来の２段構造の電子増倍領域生成用の電極を有する検出器（例えば、「“Ion back-flow gating in a micromegas device”, Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A 623 (2010) pp.94-96」記載の検出器）に比較すると大きくなっており、特に平板電極３Ａと平板電極３Ｂとの間隔が大きくなっている。このように電極間距離を大きくすることにより、２つの平板電極３Ａ，３Ｂの間の電子増倍領域を平板電極３Ｂの近傍で大きく拡げることができる。その結果、平板電極３Ａ，３Ｂの間の電子増倍領域で生じたイオンが平板電極３Ａに吸収されやすくなり、イオンフィードバック低減の効果をさらに顕著にすることができる。

さらに、光検出器１の平板電極３Ａ，３Ｂは、エッチングによって縁部１０Ａ，１０Ｂ及び貫通孔８Ａ，８Ｂを加工しているので、平板電極の製造の効率化が図れる。さらに、縁部１０Ａ，１０Ｂを支持部材１３，１４によって支持する構造を採用しているので、装置の組み立てが容易となり、電極間に印加する強電界によって電極間で接触不良を起こすことも防止できる。特に、支持部材１３，１４の材料としてセラミック等の絶縁体を使用しているので、光電面７の形成の際のアルカリ金属等による材料劣化を防ぐことができる。

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、本発明の検出器の検出対象は光に限定されず、Ｘ線やγ線等の放射線や荷電粒子を検出対象としてもよい。

図７には、本発明の変形例に係る放射線検出器１０１の内部構成を示している。この放射線検出器１０１は、窓部６の内面に光電面７を有さない点で光検出器１と異なっている。放射線検出器１０１に対して窓部６から放射線が入射すると放射線は筐体２内のガスによって光電変換される。そして、変換された電子は２段の平板電極３Ａ，３Ｂを通過しながら電子増倍領域（図７中に点線で示す）において増倍されて陽極５で検出される。或いは、放射線検出器１０１の平板電極３Ａの窓部６側の面に金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）から成る金属カソード１６を形成し、入射放射線をこの金属カソード１６で吸収させ、その結果金属カソード１６から放出される蛍光Ｘ線をガス中で光電変換させてもよい。

また、光検出器１における２段の平板電極３Ａ，３Ｂの貫通孔８Ａ，８Ｂの配置は次のように変更されても良い。すなわち、図８に示すように、複数の貫通孔８Ａと複数の貫通孔８Ｂとは窓部６側の平板電極３Ａの表面９Ａから見て千鳥配置されていてもよい。この場合は、１つの貫通孔８Ａが、Ｘ軸方向からＹ軸方向に傾斜する方向に隣り合った２つの貫通孔８Ｂの中心に配置されている。逆に言えば、１つの貫通孔８Ｂが、Ｘ軸方向からＹ軸方向に傾斜する方向に隣り合った２つの貫通孔８Ａの中心に配置されている。この場合、平板電極３Ａの表面９Ａ全体においてその貫通孔８Ａを通過してイオンがフィードバックすることを効果的に防止することができる。また、図９に示すように、図４の配置に加えて、貫通孔８ＡをＸ軸方向に隣り合う２つの貫通孔８Ｂの中心にさらに配置してもよい。同様に、図４の配置に加えて、貫通孔８ＢをＸ軸方向に隣り合う２つの貫通孔８Ａの中心にさらに配置してもよい。このような配置によれば、イオンのフィードバックを低減しながら、検出感度をより一層高めることができる。

１…光検出器、３Ａ…第１の平板電極、３Ｂ…第２の平板電極、５…陽極、８Ａ，８Ｂ…貫通孔、９Ａ，９Ｂ…表面、１０Ａ，１０Ｂ…縁部、１３，１４…支持部材、１０１…放射線検出器。

Claims

ガスによる電子増倍作用を利用した検出器において、
複数の貫通孔が表面上の一方向に沿って規則的に設けられ、前記ガス中に電子増倍領域を生成するための電界を形成する第１の平板電極と、
前記第１の平板電極に平行に配置され、複数の貫通孔が前記一方向に沿って規則的に設けられ、前記ガス中に電子増倍領域を生成するための電界を形成する第２の平板電極と、
前記第１の平板電極の反対側で前記第２の平板電極に対向して配置され、前記電子増倍領域によって増倍された電子を取り出す陽極とを備え、
前記第１の平板電極の前記貫通孔の幅は、前記第２の平板電極の前記貫通孔の幅より狭く、
前記第１の平板電極の前記貫通孔の中心位置は、前記第２の平板電極の前記貫通孔の中心位置に対して、前記一方向に沿ってずれており、
前記第１及び第２の平板電極は、表面に沿った外側に中心部より肉厚が厚く形成された縁部を有し、前記縁部に取り付けられた支持部材によって支持されている、
検出器。
前記第２の平板電極の前記貫通孔は、前記第１の平板電極の前記一方向に隣り合う２つの前記貫通孔の中心に配置されている、
請求項１記載の検出器。
前記第１の平板電極の前記貫通孔と前記第２の平板電極の前記貫通孔とは、前記第１の平板電極の表面から見て千鳥配置されている、
請求項２記載の検出器。
前記第１又は第２の平板電極の前記貫通孔は、前記第２又は第１の平板電極の前記一方向に垂直な方向に隣り合う２つの前記貫通孔の中心にさらに配置されている、
請求項２記載の検出器。