JPH08190889A

JPH08190889A - 冷却型光電子増倍管

Info

Publication number: JPH08190889A
Application number: JP1749295A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Irisawa; 昭好入澤; Naoharu Niki; 尚治仁木
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、冷却を必要とする電極を直接的に
冷却する構造とすることで、結露の発生が無く、かつ低
消費電力で冷却できる小型の冷却型の光電子増倍管を実
現することを目的とする。【構成】光電子増倍管２０の真空容器内に収容し、光
電面２１にペルチェ素子１４の冷却面を接合し、他方の
放熱面を伝熱板１６に接合するペルチェ素子１４を設
け、光電子増倍管２０のガラス容器に接合して、光電子
増倍管２０内部の真空を形成し、外部へ熱伝導を与える
放熱用伝熱板１６を設け、伝熱板１６からの熱を放熱す
る放熱板３２を設ける構成手段。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光電子増倍管におい
て、熱雑音電流を低減して感度を向上する冷却型構造を
有する光電子増倍管に関する。

【０００２】

【従来の技術】光電子増倍管とは、２次電子放出比の高
いダイノードの加速電極を数段設けて、陰極光電面から
の外部光電効果で放出された光電子を２次電子増倍作用
により数百万倍に増幅して陽極から出力する高感度の光
検出器である。入射光の形態により、頭部窓形（ヘッド
オン形）と側部窓形（サイドオン形）とがある。光電子
放出が確率過程であるショット雑音と暗電流雑音があ
り、暗電流雑音は、動作温度に強く依存する。光電子増
倍管において、光電陰極及びダイノード面から放出され
る熱電子流密度ｉdは、ｅ：電荷単位、ｍ：電子質量、
ｋ：ボルツマン定数、ｈ：プランク定数、φ：仕事関
数、Ｔ：絶対温度、とするとｉd ＝｛４πｅｍｋ²Ｔ²／ｈ³｝exp（−φ／ｋＴ）のリチャードソンの式で与えられる。この式から、絶対
温度Ｔを下げることにより熱雑音電流を低減できること
がわかる。例えば、室温２０℃から０℃にすると約１／
１０に、−２０℃では更に１／１０程度に低減できる。
この為、光子が離散的確率で入射する程度の微弱な光を
検出する場合、光電子増倍管の熱雑音電流の影響を低減
する為に、光電子増倍管を冷却した状態で使用される。

【０００３】従来技術の例としては、特開平６−８８７
４７の冷却式光検出装置の例がある。これについて、図
３を参照して説明する。装置の構成は、光電子増倍管１
１０と、冷却ブロック１１６と、ペルチェ素子１１８
と、光入射窓１１２と、放熱板１３０と、放熱フィン１
３２と、ファン１３４と、ボックス１２０とで構成して
いる。

【０００４】光電子増倍管１１０は、市販の光電子増倍
管を使用したヘッドオン形の光電変換素子であり、この
光電子増倍管１１０全体、特に光電面１１０ａ周辺に冷
却用の冷却ブロック１１６を配置し、これを冷却するペ
ルチェ素子１１８を面接合して配置することで、光電子
増倍管１１０全体を冷却して、光電面１１０ａやダイノ
ード部を冷却する構造になっている。光電面１１０ａや
ダイノード部の各電極には、陰極接地の場合であるか
ら、負電源−Ｖkを抵抗分割した所定の加速電圧が与え
られている。

【０００５】ボックス１２０は、断熱容器であり、光電
子増倍管１１０と、冷却ブロック１１６と、ペルチェ素
子１１８と、光入射窓１１２を収容し、内部空間には断
熱材を充填して断熱用及び暗箱としている。冷却動作
は、ペルチェ素子１１８に通電することにより、光電子
増倍管１１０と、冷却ブロック１１６の熱を吸収して放
熱板１３０から放熱フィン１３２へ伝熱し、この熱をフ
ァン１３４で空冷することで光電子増倍管１１０が冷却
される。

【０００６】本構造では、ボックス１２０内部全体が冷
却される為に外気との温度差で結露を生じる場合があ
る。この結露による光の入射面が不良となるのを防止す
る為、光透過性で断熱構造を有する真空セル型光入射窓
１１２が外部と光電子増倍管１１０の間に設置されてい
る。この光入射窓１１２の一方は冷却された温度とな
り、他方は室温となり内部は真空にして断熱性を良くし
ている。また、真空セル型光入射窓１１２の入射光面側
は、放熱板１３０からの伝熱により暖められて結露しな
い程度に加熱されるので結露防止となっている。このよ
うにして光電子増倍管１１０の光電面１１０ａは冷却さ
れた状態に維持でき、結露の心配の無い構造を形成して
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記説明のように、断
熱容器であるボックス１２０内に収容して光電子増倍管
１１０のガラス管周囲から冷却する構造である為、装置
全体が大きくなり、熱容量も大きい為冷却能力の大きな
冷却装置が必要となる難点がある。また、真空セル型光
入射窓１１２を設けて内外温度差による結露によって生
じる窓の曇り対策や、電極１４２とボックス１２０間で
水分の侵入を防止する気密封止１４４構造が必要となっ
たり、また電極１４２が高インピーダンスである為、結
露による絶縁低下対策が必要となる難点があった。そこ
で、本発明が解決しようとする課題は、冷却を必要とす
る電極を直接的に冷却する構造とすることで、結露の発
生が無く、かつ低消費電力で冷却できる小型の冷却型の
光電子増倍管を実現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】上記課題を解決するため
に、本発明の構成では、光電子増倍管２０の真空容器内
に収容し、光電面２１にペルチェ素子１４の冷却面を接
合し、他方の放熱面を伝熱板１６に接合するペルチェ素
子１４を設け、光電子増倍管２０のガラス容器に接合し
て、光電子増倍管２０内部の真空を形成し、外部へ熱伝
導を与える放熱用伝熱板１６を設け、伝熱板１６からの
熱を放熱する放熱板３２を設ける構成手段にする。これ
により、入射光線を受けて光電子を放出する光電面２１
を冷却する光電子増倍管を実現する。

【０００９】上記構成に加えて、一端をペルチェ素子１
４の冷却面に接合し、他端を光電面２１からの光電子を
受ける第１ダイノード２２に電気的に絶縁して接合し、
第１ダイノード２２を冷却伝熱するアーム１５を光電子
増倍管２０の真空内に設ける構成手段がある。また、上
記構成に加えて、光電面２１に係合して光電面２１の温
度を検出する温度センサ１７を設け、温度センサ１７か
らの信号を受けて、ペルチェ素子１４に供給する電流を
制御して光電面２１の温度を制御する冷却制御部４０を
設ける構成手段がある。

【００１０】

【作用】ペルチェ素子１４の一方に接着した伝熱板１６
は、ペルチェ素子１４自体の印加電力と光電面２１の熱
を外部に排熱する熱伝導板として作用する。真空容器内
に収容して光電面２１を直接冷却するペルチェ素子１４
は、真空内の為断熱性が良い為、小さい冷却能力のペル
チェ素子１４で良く、小型な冷却型の光電子増倍管２０
構造を実現できる。また、光電子増倍管２０外部に特別
に断熱容器構造を設ける必要が無くなる。第１ダイノー
ド２２の冷却構造を設けたアーム１５においては、真空
内である為、断熱性が良く、小容量の冷却能力で容易に
第１ダイノード２２も冷却実現できる。光電面２１の温
度を検出する温度センサ１７を設けた場合には、周囲温
度の変化に影響されずに、光電面２１の温度を所望の冷
却温度に制御する作用がある。

【００１１】

【実施例】

（実施例１）本発明の実施例は、サイドオン型光電子増
倍管のカソード電極をペルチェ素子の片側に接合して真
空容器内に収容した構造の光電子増倍管の例である。こ
れについて、図１を参照して説明する。本構造は、光電
子増倍管２０内に、光電面２１と、ダイノード２２〜２
８と、陽極２９と、ペルチェ素子１４とを設け、ペルチ
ェ素子１４からの熱を外部に伝達する伝熱板１６を設け
て真空内に封入する構造としている。この外部には、放
熱板３２と、冷却ファン３４と冷却制御部４０とを設け
て伝熱板１６を冷却する構成としている。

【００１２】光電面２１と、ダイノード２２〜２８に
は、負電源−Ｖkを抵抗分割した所定の加速電圧が与え
られている。陽極２９からは増幅された２次電子の電流
として取り出される。光電面２１は、従来同様の光電変
換素子であり、側面の入射光窓１１２から入射してきた
光子（photon：フォトン）１００を受けて、光電子を放
出し、第１ダイノード２２との電位差により加速され、
第１ダイノード２２に衝突する。この衝突により第１ダ
イノード２２からはＮ倍の２次電子が発生し、第２ダイ
ノード２３方向へ加速される。これを順次繰り返して増
幅し、陽極２９から増幅した検出信号を得る。各ダイノ
ードでの増幅度Ｎは５倍程度ある為、光電面２１からの
熱雑音電流の放出が支配的要因である。そこで、本発明
では、光電子増倍管内に光電面２１の電極を直接冷却す
るペルチェ素子を接合して設置した一体内蔵構造とする
ことで光電面２１の冷却を実現している。

【００１３】この光電面２１の熱の拡散は、薄い極小熱
容量の電極であり、かつ真空中に有る為、対流による伝
熱は無く断熱が不要である、また、ペルチェ素子１４を
除き光電面２１の伝熱は、カソード電極２１ｂへのリー
ド線のみである。光電面２１はペルチェ素子１４の片面
に絶縁されて接着支持固定されているので、光電面２１
とカソード電極２１ｂの間を電気的に接続するのみで良
いので極細のリード線２１ａが使用でき、これによりリ
ード線からの熱抵抗は十分無視できる程度にできる。こ
れらの結果、熱の逃げる部分が殆ど無い為、冷却に必要
な冷却能力は、極めて小さな冷却能力、例えば数十ｍＷ
〜数百ｍＷ程度で良いことになり、形状の小さなペルチ
ェ素子１４が使用でき光電子増倍管２０内に容易に内蔵
可能となる。ここで、ペルチェ素子１４とは、異種半導
体の接触部に電流を流すと、熱の移動現象を発現するも
のであり、これにより６０度程度の温度差が容易に与え
られ、しかも結露の心配のない冷却型の光電子増倍管と
することができる。

【００１４】ペルチェ素子１４の他方の接面には、金属
製の伝熱板１６が接着してある。この伝熱板１６は、ペ
ルチェ素子１４自体の印加電力と光電面２１の熱を外部
に排熱する伝熱板であり、かつ内部を真空封止する為に
ガラス容器とで密閉した真空容器を形成している。放熱
板３２は、伝熱板１６からの熱を受けて、空気中に熱を
逃がす放熱器であり、一端は伝熱板１６と密着係合して
いて、他端側は、冷却用フィンを設けて、冷却ファン３
４により空冷する。冷却制御部４０は、ペルチェ素子１
４に直流定電流を与え、また、冷却ファン３４を駆動す
る電源を供給する。

【００１５】（実施例２）本発明の実施例は、実施例１
の構成に第１ダイノード２２も冷却する構造を設け、冷
却温度センサを設けた構成である。これについて、図２
を参照して説明する。第１ダイノード２２は、光電面２
１に次いで熱雑音の影響を受けるダイノード電極であ
る。この為、この電極も冷却することにより、熱雑音を
低減でき一層の検出感度向上が計れる。本構造は、実施
例１の構成要素に、アーム１５と温度センサ１７を追加
した構造としている。

【００１６】アーム１５は、第１ダイノード２２を電気
的に絶縁して支持固定する為と、第１ダイノード２２を
冷却する為の伝熱材として使用し、例えば熱伝導の良い
アルミナ材で形成する。第１ダイノード２２の冷却は、
ペルチェ素子１４の冷却側の一部をアーム１５に一端に
接合し、真空容器内部で熱伝導性材料でアーム１５を第
１ダイノード２２迄延ばし、これに接合して支持固定す
る。第１ダイノード２２の外部電極とは、実施例１と同
様に、外部リード電極２２ｂとの間で極細のリード線２
２ａで接続してリード電極２２ｂからの伝熱を極力防止
する。

【００１７】温度センサ１７は、光電面２１の温度を検
出して冷却制御部４０に供給して光電面２１の温度を制
御するものであり、例えば熱電対を使用して、光電面２
１の端部に絶縁して接着固定する。冷却制御部４０は、
この温度信号を受けて、環境温度の変化に影響されずに
所望の一定温度となるように、ペルチェ素子１４に印加
する電流を制御する。

【００１８】上記実施例１、２の説明では、サイドオン
型光電子増倍管にペルチェ素子１４を設けた場合で説明
したが、ヘッドオン型光電子増倍管の場合でもカソード
電極の一片にペルチェ素子を接合し伝熱構造とすること
で容易に冷却可能であり、同様にして実施できる。

【００１９】上記実施例の説明では、冷却ファン３４を
設けて強制空冷とした場合で説明したが、冷却ファン３
４の代わりに液冷手段やヒートパイプ冷却手段としても
良い。また、放熱板３２による自然空冷でも間に合う場
合には、所望により、冷却ファン３４を削除した構成と
しても良く、同様にして実施できる。

【００２０】上記実施例２の説明では、温度センサ１７
を設けて温度制御する場合で説明したが、所望により、
この温度センサ１７を削除し、ペルチェ素子１４の印加
電流を制御しない構成としても良く、同様にして実施で
きる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記に記載されるような効果を奏する。ペ
ルチェ素子１４を真空容器内に収容して、小熱容量の光
電面２１を直接冷却する真空断熱構造とすることで、ペ
ルチェ素子１４を容易に内蔵可能となり、小型な冷却型
の光電子増倍管２０を実現でき、かつ小さな冷却能力、
例えば従来より数十分の１から数百分の１程度の冷却能
力のペルチェ素子１４で済む効果が得られる。また、冷
却部位が真空容器内のみであり、光電子増倍管２０容器
自体が周囲温度から大きく低下する部位がない為、断熱
容器を設ける必要が無くなる効果があり、このことは、
結露の心配のない冷却型の光電子増倍管２０構造を実現
できる効果もある。第１ダイノード２２の冷却構造を設
けたアーム１５においては、真空断熱構造の第１ダイノ
ード２２を容易に冷却でき、光電子増倍管２０の熱雑音
をさらに低減でき、一層の検出感度向上が計れる効果が
得られる。光電面２１の温度を検出する温度センサ１７
を設けた場合には、周囲温度の変化に影響されずに所望
の一定冷却温度に光電面２１の温度を制御実現できる効
果がある。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の、光電子増倍管のカソード
電極にペルチェ素子を接合して真空容器内に収容した冷
却型光電子増倍管の構造図である。

【図２】本発明の実施例２の、第１ダイノード２２も冷
却する構造を設け、冷却温度センサを設けた冷却型光電
子増倍管の構造図である。

【図３】従来の、特開平６−８８７４７の冷却式光検出
装置の構造図である。

【符号の説明】

１４、１１８ペルチェ素子１５アーム１６伝熱板１７温度センサ２０、１１０光電子増倍管２１、１１０ａ光電面２１ｂカソード電極２１ａ、２２ａリード線２２、２８ダイノード２２ｂリード電極２９陽極３２、１３０放熱板３４冷却ファン４０冷却制御部１００光子（photon：フォトン）１１２窓１１６冷却ブロック１２０ボックス１３２放熱フィン１３４ファン１４２電極１４４気密封止

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光線を受けて光電子を放出する光電
面（２１）を冷却する光電子増倍管において、光電子増倍管（２０）の真空容器内に収容し、光電面
（２１）にペルチェ素子（１４）の冷却面を接合し、他
方の放熱面を伝熱板（１６）に接合するペルチェ素子
（１４）を設け、光電子増倍管（２０）のガラス容器に接合して、光電子
増倍管（２０）内部の真空を形成し、外部へ熱伝導を与
える放熱用伝熱板（１６）を設け、伝熱板（１６）からの熱を放熱する放熱板（３２）を設
け、以上を具備していることを特徴とした冷却型光電子増倍
管。
【請求項２】請求項１記載の構成手段に加えて、一端をペルチェ素子（１４）の冷却面に接合し、他端を
光電面（２１）からの光電子を受ける第１ダイノード
（２２）に電気的に絶縁して接合し、第１ダイノード
（２２）を冷却伝熱するアーム（１５）を光電子増倍管
（２０）の真空内に設け、以上を具備していることを特徴とした冷却型光電子増倍
管。
【請求項３】請求項１、２記載の構成手段に加えて、光電面（２１）に係合して光電面（２１）の温度を検出
する温度センサ（１７）を設け、温度センサ（１７）からの信号を受けて、ペルチェ素子
（１４）に供給する電流を制御して光電面（２１）の温
度を制御する冷却制御部（４０）を設け、以上を具備していることを特徴とした冷却型光電子増倍
管。