JPH07211280A

JPH07211280A - 位置検出型光電子増倍管

Info

Publication number: JPH07211280A
Application number: JP414694A
Authority: JP
Inventors: Seiji Suzuki; 誠司鈴木; Toshiichi Hakamata; 敏一袴田; Takanori Nakatani; 崇典中谷; Shinichi Muramatsu; 新一村松; Hiroyuki Kushima; 浩之久嶋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】光の入射位置に応じて出力される光検出信号
が電子増倍部の場所により生じる不均一性を低減すると
ともに、位置分解能に優れた位置検出型光電子増倍管を
提供する。【構成】電子を増倍する電子増倍部２００を構成する
各ダイノードは光電面１００における入射位置に対して
共通とし、加速経路におけるコレクタ電極４００の加速
前段に光入射位置に応じて配置された２次電子放出機能
を有するとともに独立に電位の印加が可能な複数のピク
セル電極からなるピクセル信号出力部３００を設置す
る。ピクセル電極ごとの印加電位を調整して、光の入射
位置に応じて出力される光検出信号が電子増倍部の場所
により生じる不均一性を入射位置に対して略均一化する
とともに、高い位置分解能で光入射位置検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の入射強度を入射位
置を含めて検出する位置検出型光電子増倍管に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】光電子増倍管は、微弱光を高感度かつ高
速に検出する光検出器として、広く使用されている。こ
うした光電子増倍管の利点を生かしつつ、光入射位置の
分解能を向上した位置検出型光電子増倍管が知られてい
る。こうした、従来の位置検出型光電子増倍管は、構造
から見て、次の２つのタイプが存在する。

【０００３】（１）段・経路独立ダイノード配置タイプ
（第１タイプ）このタイプの位置検出型光電子増倍管は、旧来の光電子
の加速・増倍経路が１つの光電子増倍管の加速・増倍機
構である多段ダイノード構造を並列に複数個、光電面の
光入射位置に応じて配置したものである。このタイプの
位置検出型光電子増倍管は、各ダイノードに独立に電位
を設定できるので、各経路ごとにダイノード印加電位を
調整して、各経路の電子増倍率を略一致させて使用する
ことが可能である。図５は、本タイプの光電子増倍管
（２経路のダイノード組（Ｄｙ１〜Ｄｙ１０およびＤｙ
１′〜Ｄｙ１０′）を内蔵した光電子増倍管）におい
て、経路ごとに電子増倍率すなわち光検出信号の波高の
調整を可能とした回路構成例を示す。図５と同様な構成
で、電子増倍率の均一化を図ることができる光電子増倍
管の例が、特開平５−３６３７２にも開示されている。

【０００４】（２）段独立・経路共通ダイノード配置タ
イプ（第２タイプ）このタイプの位置検出型光電子増倍管は、光入射位置に
応じて加速・増倍用のダイノードを個別には配設せず
に、電気的には分離できないが増倍電子の放出の指向性
を強くし、信号取り出しの陽極部を光入射位置に応じて
配置した複数の電極で構成することにより、位置分解能
を向上している。図６は、本タイプの光電子増倍管の要
部の構成例を示す図であり、カソードである光電面
（Ｋ）の光入射位置に応じて、アノード出力（Ａ₁〜Ａ
_N）として光検出信号をＧＮＤレベルで出力する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の第１タイプの位
置検出型光電子増倍管は、上記のように入射位置の検出
ブロックごとに１経路のダイノード構造を他の経路とは
分離して構築することが必要なので、入射位置の分解能
の向上が困難である、という問題点がある。

【０００６】また、従来の第２タイプの位置検出型光電
子増倍管は、加速・増幅経路ごとに増倍率を決定するダ
イノード電位の調節ができないので、増幅部の場所によ
る電子増幅率の不均一性により、夫々の陽極電極から出
力された検出信号が必ずしも対応する光電面の位置に入
射した光の強度を正確には反映できないという問題があ
った。この結果、シンチレータと組み合わせて、光電面
上のシンチレータを通過する荷電粒子の飛跡・入射強度
を観測する場合には、精度良く飛跡を決定できない。こ
の場合、各陽極電極から出力される光検出信号ごとに増
幅率が調整可能な増幅器を設置して出力信号と入射光強
度との対応を図ることが考えられるが、光電子増倍管の
高速・低雑音特性を維持する電子回路を構成するために
は、部品の選択に注意を払わなければならないし、部品
点数の増加に伴う信頼性の低下および装置の大型化とい
う問題がある。また、事前に各陽極電極間の不均一性を
測定し、光検出信号を収集後に演算処理する方法が考え
られるが、広い範囲の信号強度を計測する場合には専用
の演算回路による高速の処理が困難であるという問題点
がある。

【０００７】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、光の入射位置に応じて出力
される光検出信号が電子増倍部の場所により生じる増倍
率の不均一性を低減するとともに、位置分解能に優れた
位置検出型光電子増倍管を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出型光電
子増倍管は、光の入射強度と光の入射位置とを検出する
位置検出型光電子増倍管であって、（ａ）光の入射によ
って電子を放出する光電面と、（ｂ）電子を入射して増
倍するダイノードが、電子の加速方向に１段または２段
以上配設され、光電面から放出された電子を入力して電
子を増倍するとともに光電面の入射位置に応じた局所的
な位置から増倍された電子をを出力する電子増倍部と、
（ｃ）光電面の入射位置に応じて配設され、独立に電圧
の印加が可能な複数のピクセル電極からなり、夫々のピ
クセル電極で入力した電子増倍部から出力された電子を
増倍して放出するとともに、夫々のピクセル電極に応じ
た光電面の領域に入射した光の強度を、反映した光検出
信号を出力するピクセル信号出力部と、（ｄ）ピクセル
信号出力部から出力された電子を一括して入力し、入力
電子の総数に応じた信号を出力するコレクタ電極と、を
備えることを特徴とする。

【０００９】ここで、電子増倍部の各段のダイノード
は、電気的に一体の部材から構成される、ことを特徴と
してもよい。また、電子増倍部のダイノードは積層型ダ
イノードである、ことが好適である。

【００１０】また、コレクタ電極は、電子増倍部の最終
段のダイノードとピクセル信号出力部との間に配設さ
れ、かつ、前記電子増倍部から前記ピクセル信号出力部
へ向けて出力された電子を実質的透過するとともに、前
記ピクセル信号出力部の各ピクセル電極は反射型の２次
電子放出を行う、ことを特徴としてもよい。なお、コレ
クタ電極には、メッシュ形電極、グリッド形電極、また
は１次元若しくは２次元に配列されたワイヤ形電極を使
用することが可能である。

【００１１】また、ピクセル信号出力部の夫々のピクセ
ル電極に印加される電位は、夫々のピクセル電極に応じ
た前記光電面の領域での入射光強度に対応してピクセル
電極から出力される信号が、同一入射強度の場合、ピク
セル電極相互間で実質的に均一となるように調節され
る、ことを特徴としてもよい。

【００１２】

【作用】本発明の位置検出型光電子増倍管では、光電面
に光が入射すると入射位置から光電子が放出される。こ
の光電子は光電面から放出された時点では運動エネルギ
が比較的小さいので、光電面と電子増倍部（具体的には
初段ダイノード）との間に発生している電界の方向と略
平行方向に進行して、光電面の入射位置に応じた電子増
倍部の電子入射領域に入力する。電子増倍部では、各ダ
イノードは入射電子により２次電子を放出し信号を電子
増倍するとともに、各ダイノード間において２次電子の
空間的な広がりを抑止して、順次、電子増倍する。そし
て、最終段のダイノードからは電子増倍部としての増倍
率で増倍した電子を光電面の入射位置に応じた局所的な
領域から放出する。こうした、電子増倍部を構成するに
は、各ダイノードを積層型ダイノードとすることが好適
である。

【００１３】電子増倍部から出力された電子は、加速さ
れて、ピクセル信号出力部の光電面の入射位置に応じて
配置された１つあるいは複数のピクセル電極に到達す
る。これらのピクセル電極は、例えば、電位が各ピクセ
ル電極における電子の入射と２次電子の放出とで発生す
る光検出信号の波形（例えば、波高など）が光電面の各
ピクセル電極に対応した光電面の領域に入射した光の強
度に対して略均一化するように設定される。電子増倍部
からの電子を入射したピクセル電極は、ピクセル電極ご
とに入射電子数に応じた光検出信号を出力するととも
に、２次電子を放出する。この光検出信号を観測するこ
とにより、光電面における光入射位置を知ることができ
る。また、各ピクセル電極から出力される光検出信号
は、他の各ピクセル電極との相対的な関係においても、
各ピクセル電極に応じた光電面の位置（領域）に入射し
た光強度を反映している。各ピクセル電極から放出され
た電子は加速された後、一括してコレクタ電極に到達し
て、コレクタ信号となる。通常（各ピクセル電極におけ
る電子増倍率が１よりも充分大きい、あるいは、各ピク
セル電極における電子増倍率が同程度である場合）、こ
のコレクタ信号は、光電面に入射した光の全強度を反映
している。

【００１４】こうした、光入射からコレクタ信号の発生
までの過程における、ピクセル信号出力部の各ピクセル
電極が出力する光検出信号を収集することで、光電面へ
の光の入射位置を高分解能で、かつ入射位置によらない
入射光の強度を光検出信号へへ反映する実施できる。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら、本発明の実
施例を説明する。なお、図面の説明において同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【００１６】図１は、本発明の実施例である位置検出型
光電子増倍管の概略構成図である。図示のように、本実
施例の光電子増倍管は、（ａ）平板状に形成され、光を
受光して光電子を発生するカソードとしての光電面１０
０と、（ｂ）電子加速方向に多段に配置された２次電子
を放出する積層型ダイノード２１０₁〜２１０_Nを備
え、光電子を増倍して出力する電子増倍部２００と、
（ｃ）光電面の光入射位置に応じて配置された複数（図
１では１６個）のピクセル電極からなり、電子増倍部２
００から放出された電子を入力し２次電子を放出すると
ともに、各ピクセル電極から光検出信号を出力するピク
セル信号出力部３００と、（ｄ）電子増倍部２００とピ
クセル信号出力部３００との間に配設され、電子増倍部
２００ピクセルから放出された電子を実質的に透過する
とともに、信号出力部３００の各ピクセル電極から出力
された電子を一括して収集するコレクタ電極４００と、
（ｅ）（ａ）〜（ｄ）を収納し、内部を略真空に保つ容
器９００と、を備える。

【００１７】ここで、積層型ダイノード２１０₁〜２１
０_Nにはファインメッシュ型のダイノードを採用した。
ファインメッシュ型ダイノード以外にはグリッド型ダイ
ノード、メッシュ型ダイノード、ベネシアンブラインド
型ダイノード、メタルチャンネル型ダイノード、または
マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）型ダイノードな
どを採用することが可能である。

【００１８】図２は、コレクタ電極４００として採用可
能な構造例の説明図である。図２（ａ）は本実施例で採
用した四角形状のメッシュ構造を示し、図２（ｂ）は六
角形状の網型構造を示す。また、図２（ｃ）は、２次元
（Ｘ，Ｙ）に配列したワイヤ型電極で構成した構造を示
す。図２（ｃ）では、２次元状にワイヤを配列したが、
１次元状の配列も可能である。また、コレクタ電極４０
０の１つの開口はピクセル電極の大きさに一致する必要
はなく、電子増倍部２００から放出された電子を実質的
に透過するとともに、信号出力部３００の各ピクセル電
極から出力された電子を一括して効率良く収集するとい
った機能的な点から決定される。

【００１９】図３は、光電面１００、電子増倍部２０
０、ピクセル信号出力部３００、およびコレクタ電極に
印加される電位を生成する電圧分割部５００とピクセル
信号出力部３００の各電極３１０₁〜３１０_Mおよびコ
レクタ電極から出力される信号の出力形式を整える光検
出信号出力部６００との回路構成図である。

【００２０】電圧分割部５００は、直列接続された抵
抗器Ｒ₁〜Ｒ_Nと並列接続された可変抵抗器ＶＲ₁〜Ｖ
Ｒ_Mとが直列に接続された電圧分割回路と、コレクタ電
極４００をＧＮＤレベルとし、かつコレクタ電流信号を
取り出し可能とする抵抗Ｒと、高速信号の波形維持用
に必要に応じて付加されるＣ₁₀，Ｃ₁₁などと、から構成
される。図示のように、直列接続された抵抗器Ｒ₁〜Ｒ
_Nの抵抗器群の一方の端子には高圧電源から供給される
負極性の高電圧（−Ｈ．Ｖ．）が印加される。−Ｈ．
Ｖ．は、光電面１００にも印加される。直列接続された
抵抗器Ｒ₁〜Ｒ_Nの端子に生じる分圧された各電圧は夫
々タイノード２１０₁〜２１０_Nに印加される。可変抵
抗器ＶＲ₁〜ＶＲ_Mの夫々の一方の固定端子はＧＮＤに
接続され、他方の固定端子は抵抗器Ｒ_Nの端子に接続さ
れる。そして、可変抵抗器ＶＲ₁〜ＶＲ_Mの夫々の可変
端子からピクセル電極出力部３００の各ピクセル電極３
１０₁〜３１０_Mに個別に電圧が供給される。

【００２１】光検出信号出力部６００は、各ピクセル電
極３１０₁〜３１０_Mで発生した光検出信号（ピクセル
信号１〜ピクセル信号Ｍ）を直流的には絶縁し、交流的
には透過して、後の処理をＧＮＤレベルの信号として処
理可能とするコンデンサＣ₁〜Ｃ_Mを備える。また、コ
レクタ電極４００から出力される光検出信号（コレクタ
信号）は、そのまま出力される。

【００２２】本実施例よる光検出は以下のように実施さ
れる。実際の光検出に先立って、光電面１００に一様な
強度の短パルス光を照射して、各ピクセル信号の波高を
測定する。これらの波高に不均一があれば、可変抵抗器
ＶＲ₁〜ＶＲ_Mを操作し、可変端子からの出力電圧を制
御する。この可変端子からの出力電圧の制御により、各
ピクセル電極の印加電圧を調整してピクセル信号の波高
の略均一化を行う。図４は、ピクセル電極の電位をダイ
ノード２１０_Nの電位からコレクタ電極４００の電位
（すなわち、ＧＮＤレベル）に変化させた場合のピクセ
ル電極から出力される光検出信号の出力値の典型的な変
化例を示すグラフである。図４から明らかなように、最
大出力値の１／１０程度まで出力信号の制御が可能であ
る。以上の事前設定の後、光検出を行う。

【００２３】光が光電面に入射すると、光電面から光電
子が放出される。放出された光電子は電子増倍部２００
のダイノード２１０₁と光電面１００との間に発生して
いる電界により加速され電子増倍部２００に入力する。
電子増倍部２００では、入力した電子をダイノード２１
０₁〜２１０_Nで順次、加速・増倍して、最終ダイノー
ド２１０_Nの光電面１００の光入射位置に応じた局所的
な領域から電子を放出する。電子増倍部２００から放出
された電子は、まず、ダイノード２１０_Nとコレクタ電
極４００との間に発生している電界によって加速され、
コレクタ電極４００を通過後は、コレクタ電極４００と
各ピクセル電極との間に発生している電界によって減速
されて、最終的にはダイノード２１０_Nと各ピクセル電
極との電圧分加速されて信号出力部３００の光電面１０
０の光入射位置に応じた１つまたは複数のピクセル電極
に入射する。電子を入射したピクセル電極は、２次電子
を放出するとともに、放出２次電子数と入射電子数との
差に対応した光検出信号（ピクセル信号）を出力する。
ピクセル電極から放出された電子は、ピクセル電極とコ
レクタ電極４００との間に発生している電界に導かれて
コレクタ電極４００に一括して入射する。コレクタ電極
４００は、入射した電子数に応じた光検出信号（コレク
タ信号）を出力する。

【００２４】ピクセル信号をコンデンサＣ₁〜Ｃ_Mを介
して収集して処理・解析することにより、光電面１００
への光入射位置が測定できる。また、通常は、コレクタ
信号から入射光の総強度を得ることができる。また、コ
レクタ信号は、計測のトリガ信号としても使用できる。

【００２５】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の位
置検出型光電子増倍管によれば、電子を増倍する電子増
倍部を構成する各ダイノードは光電面における入射位置
に対して共通とし、加速経路におけるコレクタ電極の前
段に光入射位置に応じて配置された２次電子放出機能を
有するとともに独立に電位の印加が可能なピクセル電極
を複数設置したので、このピクセル電極ごとの印加電位
を調整することにより光の入射位置に応じて出力される
光検出信号が電子増倍部の場所により生じる増倍率の不
均一性（例えば、波高の依存性など）を光の入射位置に
たいして略均一化できるとともに、位置分解能に優れた
光入射位置検出が可能な位置検出型光電子増倍管を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の位置検出型光電子増倍管の構
成図である。

【図２】コレクタ電極の構成図である。

【図３】電圧印加および信号取り出しの回路の説明図で
ある。

【図４】ピクセル電極の電位の変化に対する出力値の変
化を示すグラフである。

【図５】従来の位置検出光電子増倍管（第１タイプ）の
電圧印加の例の回路図である。

【図６】従来の位置検出光電子増倍管（第２タイプ）の
構成図である。

【符号の説明】

１００…光電面、２００…電子増倍部、２１０…ダイノ
ード、３００…ピクセル信号出力部、３１０…ピクセル
電極、４００…コレクタ電極、５００…電圧分割部、６
００…光検出信号出力部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村松新一静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者久嶋浩之静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の入射強度と光の入射位置とを検出す
る位置検出型光電子増倍管であって、光の入射によって電子を放出する光電面と、電子を入射して増倍するダイノードが、電子の加速方向
に１段または２段以上配設され、前記光電面から放出さ
れた電子を入力して電子を増倍するとともに前記光電面
の入射位置に応じた局所的な位置から増倍された電子を
出力する電子増倍部と、前記光電面の入射位置に応じて配設され、独立に電圧の
印加が可能な複数のピクセル電極からなり、夫々の前記
ピクセル電極で入力した前記電子増倍部から出力された
電子を増倍して放出するとともに、夫々の前記ピクセル
電極に応じた前記光電面の領域に入射した光の強度を、
反映した光検出信号を出力するピクセル信号出力部と、前記ピクセル信号出力部から出力された電子を一括して
入力し、入力電子の総数に応じた信号を出力するコレク
タ電極と、を備えることを特徴とする位置検出型光電子増倍管。
【請求項２】前記電子増倍部の各段のダイノードは、
電気的に一体の部材から構成される、ことを特徴とする
請求項１記載の位置検出型光電子増倍管。
【請求項３】前記電子増倍部のダイノードは積層型ダ
イノードである、ことを特徴とする請求項１記載の位置
検出型光電子増倍管。
【請求項４】前記コレクタ電極は、前記電子増倍部の
最終段のダイノードと前記ピクセル信号出力部との間に
配設され、かつ、前記電子増倍部から前記ピクセル信号
出力部へ向けて出力された電子を実質的透過するととも
に、前記ピクセル信号出力部の各ピクセル電極は反射型
の２次電子放出を行う、ことを特徴とする請求項１記載
の位置検出型光電子増倍管。
【請求項５】前記コレクタ電極は、メッシュ形電極、
グリッド形電極、または１次元若しくは２次元に配列さ
れたワイヤ形電極である、ことを特徴とする請求項３記
載の位置検出型光電子増倍管。
【請求項６】前記ピクセル信号出力部の夫々のピクセ
ル電極には、夫々の前記ピクセル電極に応じた前記光電
面の領域での入射光強度に対応して前記ピクセル電極か
ら出力される信号が、同一入射光強度の場合、前記ピク
セル電極相互間で実質的に均一となるように調節するた
めに電位が供給される端子が設けられている、ことを特
徴とする請求項１記載の位置検出型光電子増倍管。