JPH0935680A - 光電子増倍管 - Google Patents
光電子増倍管Info
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- JPH0935680A JPH0935680A JP7184022A JP18402295A JPH0935680A JP H0935680 A JPH0935680 A JP H0935680A JP 7184022 A JP7184022 A JP 7184022A JP 18402295 A JP18402295 A JP 18402295A JP H0935680 A JPH0935680 A JP H0935680A
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- stage dynode
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
- H01J43/04—Electron multipliers
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- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
Abstract
るダイノードのうち、第1段ダイノードDy1に対向す
る第2段ダイノードDy2を、印加電圧に対する2次電
子放出比がほぼ飽和する特性の材質で形成する。
Description
段のダイノードで増倍する光電子増倍管に関する。
1622号など)では、レーザパルスを検出する場合な
ど、光電子増倍管をパルス検出モードで動作させた場
合、信号に対する出力パルス(メインパルス)が検出さ
れる直前に、小さな疑似パルスが検出されることがあ
る。この疑似パルスはプリパルスとよばれており、TT
S(Transit Time Spread )を悪化させる原因の1つと
なっている。
のように考えられていた(図4)。光電子増倍管100
にパルス光が入射すると、光電陰極101において電子
に変換されて軌道aを進み、第1段ダイノードDy1に
衝突する。光電子増倍管100の直径を8インチとする
と、この電子は、光電陰極101から第1段ダイノード
Dy1までを約21nsecで走行する。第1段ダイノード
Dy1に衝突した電子は、ここで2次電子を発生させ
る。発生された2次電子は、第2段ダイノードDy2以
降の電子増倍部102において次々に増倍され、前述し
たメインパルスとして出力される。
光電陰極101を透過することで発生すると考えられて
いた。この場合、光子として軌道b(直進)を進むた
め、光電陰極101から第1段ダイノードDy1まで
を、約0.44nsecで走行する。そして、光子として第
1段ダイノードDy1に衝突し、ここで2次電子を発生
させる。発生された2次電子は、以降の電子増倍部10
2において次々に増倍され、プリパルスとして出力され
る。
スは、メインパルスの20.56nsec前に現れることに
なる。
リパルスを低減させるため、光電陰極101を透過し
て、直接第1段ダイノードDy1に入射する光子を除去
すべく、遮光するなどの対策を講じたが、プリパルスの
発生を抑制することはできなかった。
されたものであり、その目的は、このプリパルスの発生
原因を特定すると共に、この発生原因を踏まえて、プリ
パルスの発生を抑制し得る光電子増倍管を提供すること
にある。
る光電子増倍管では、光電陰極から放出された光電子を
カスケード増倍する電子増倍部を備えた光電子増倍管の
うち、光電子が入射する第1段ダイノードの次段となる
第2段ダイノードを、印加電圧に対する2次電子放出比
がほぼ飽和する特性の材質で形成する。
エネルギーが増大するほど、2次電子放出比も増大する
傾向にあるが、上記した「2次電子放出比がほぼ飽和す
る特性」とは、大きなエネルギーの電子が入射した場合
にも、2次電子放出比が大きく変化しない特性をいう。
ような特性を有する材質として、Al,Cu,Be,N
i,Fe,Mo,W及びステンレス鋼が挙げられ、これ
らのうちいずれかの材質で第2段ダイノードを形成す
る。
性基板上に、Al,C,Cr,Fe,Zn,Ni,Wの
うちいずれかの材質によって薄膜を形成することで、上
記した特性の第2段ダイノードを構成する。
段ダイノードと第2段ダイノードとの間の電位差を20
0V以上として使用する。
反射によるものであることが明らかになった。これは下
記において詳述するが、光電子が第1段ダイノードで弾
性反射して第2段ダイノードに入射することによるもの
である。第2段ダイノードに入射する光電子は、光電陰
極と第1段ダイノードとの間の電位差によって加速され
るため、第1段ダイノードから放出されて第2段ダイノ
ードに入射する2次電子に比べて大きなエネルギーを持
っている。通常のダイノードの特性では、入射する電子
のエネルギーが増大するほど、ダイノードの2次電子放
出比も増大する傾向にある。この点、本発明では、第2
段ダイノードの2次電子放出比がほぼ飽和しているた
め、大きなエネルギーを持った光電子が入射しても、2
次電子放出比が大きく変化することはない。このため、
プリパルスの発生原因となっていた、弾性反射によって
大きなエネルギーを持つ光電子の影響が軽減される。
で掲げた材料によって形成することで、印加電圧に対す
る2次電子放出比がほぼ飽和した特性のダイノードが得
られる。
ドとの間の電位差を200V以上、すなわち、この間の
電位差を増大させて使用することで、第1段ダイノード
から第2段ダイノードへ向かう2次電子の走行時間が短
くなり、弾性反射して第2段ダイノードへ入射する光電
子との時間差が減少するように作用する。
原因について説明する(図4参照)。
の光電子増倍管のTTS(TransitTime Spread )をシ
ングルフォトンイベントにおいて詳しく調べた。その結
果、メインパルスの電子分布に比べ、電子走行時間が約
5〜6nsec速い分布が検出されることがあり(プリパル
ス)、これは、メインパルスに対して約1/100の確
率で検出された。なお、従来、このように電子走行時間
が約5〜6nsec速い電子分布は、メインパルスで形成さ
れた電子分布の一部と考えられていた。
陰極101から平均で40個の光電子が放出され、これ
がメインパルスを形成するようにした。この結果、メイ
ンパルスに対して約1/100の確率で検出された上記
の電子分布が、40倍の約40/100の確率で検出さ
れた。
の電子分布が従来考えられていたようなメインパルスの
一部であれば、入射フォトンを増やしたとしても、出現
確率は一定となるはずである。しかし、メインパルスの
電子分布に比べ約5〜6nsec速い電子分布は、入射フォ
トン数にほぼ比例して増加しており、明らかにメインパ
ルスの一部ではないと考えられる。
1を透過して、直接第1段ダイノードDy1に光が入射
することでプリパスルが発生したとすると、プリパルス
は、メインパルスの20.56nsec前に現れることにな
り、この現象に基づいて、上記の電子分布が発生したも
のとは考えられない。
1に入射した光電子が弾性反射して第2段ダイノードD
y2に入射し、これが原因となってプリパルスが発生す
ると予想した。このような予想を行うことで、以下の
(1)〜(3)の結果が得られる。
ぼ一致する。先ず、第3段ダイノードDy3までに要さ
れる電子走行時間を求める。メインパルスを形成する電
子は、光電陰極101から第1段ダイノードDy1まで
が21nsec、第1段ダイノードDy1から第2段ダイノ
ードDy2までが8nsec、第2段ダイノードDy2から
第3段ダイノードDy3までが3nsecとなり、光電陰極
101から第3段ダイノードDy3までの合計の電子走
行時間は32nsecとなる。
光電子が弾性反射すると、第1段ダイノードDy1から
第2段ダイノードDy2までの電子走行時間が3nsecと
なる。これは、第1段ダイノードDy1で弾性反射し第
2段ダイノードDy2へ向かう際の光電子の初速度が、
第1段ダイノードDy1から放出される2次電子の初速
度に比べて大であり、この分、電子走行時間が短縮され
るためである。また、光電陰極101と第1段ダイノー
ドDy1との間、及び、第2段ダイノードDy2と第3
段ダイノードDy3との間に要する時間は、前記の数値
と同じであり、光電陰極101から第3段ダイノードD
y3までの合計の電子走行時間は27nsecとなる。
射によるパルス電子分布(プリパルス)がメインパルス
の5nsec前に現れることとなり、前述した実際の測定結
果と略一致する。
パルスとメインパルスの比が増加する。第1段ダイノー
ドDy1で弾性反射して第2段ダイノードDy2へ入射
する光電子は、通常、入射電子の10%程度である(発
生確率が1/10)。さらに、第1段ダイノードDy1
で反射して第2段ダイノードDy2へ取り込まれる確率
も1/10程度である。このため、シングルフォトンイ
ベントにおいて、弾性反射に起因して出力パルスが発生
する確率は1/100程度となり、この値も前述した実
測結果とほぼ一致する。
5nsec前の電子分布を持つパルスは、上記のように1/
100の確率で発生するが、40個の光電子を放出さ
せ、これでメインパルスを形成するようにしたところ、
このプリパルスが100回中に40回発生することが実
際の測定で確認された。これは光電子数の増加により、
弾性反射する電子の数が増加したためであると考えられ
る。
tion Level)をメインパルスの電荷量まで上げると、メ
インパルスの5nsec前に発生する電子分布は検出されな
くなる。これにより、メインパルスの5nsec前に発生す
る電子分布の電荷量は、メインパルスの電荷量よりも小
さいことが分かる。これは、弾性反射を考慮すると、第
1段ダイノードDy1における増倍がないために、メイ
ンパルスよりも小さな値となると考えられる。
時間、発生確率及び電荷量が、いずれも前述の予想から
得られる結果が、実際の測定値と略一致した。したがっ
て、メインパルスの5nsec前に発生する電子分布は、入
射する光電子が第1段ダイノードDy1において弾性反
射することで発生することが判った。
ついて説明する。図1に、本実施例にかかる光電子増倍
管の断面を示す。この光電子増倍管は、入射光を受ける
球形の受光面1、バルブ2及び基台部を構成する円筒形
のステム3によって真空容器を形成している。また、受
光面1の内壁には、光電陰極5を形成しており、受光面
1を介して入射する光が光電陰極5に照射され、受光部
位から光電子が放出される。また、光電陰極5と対向し
た位置には、放出された光電子を増倍する電子増倍部6
を配設している。
増倍部6は、光電陰極5から放出された光電子の軌道を
収束させるフォーカス電極7を備えており、その中央の
入射開口部7aには、網目状のメッシュ電極9を設けて
いる。これらフォーカス電極7とメッシュ電極9とは互
いに電気的に接続され、第1段ダイノードDy1よりも
高い電位が与えられる。
イノードDy1を配設しており、光電陰極5から放出さ
れた光電子は、フォーカス電極7により収束されて第1
段ダイノードに入射する。なお、メッシュ電極9と第1
段ダイノードDy1との間には、紙面に対して垂直方向
に延びる棒状のポール電極10及び平板状のプレート電
極11を配設している。また、ダイノードDy1に対向
して第2段ダイノードDy2を配置しており、第3段以
降のダイノードDy3、Dy4・・と共にラインフォー
カス型のダイノード群Dyを構成している。
子は、第1段ダイノードよりも高い電位が与えらた、メ
ッシュ電極9、ポール電極10及びプレート電極11に
よって第2段ダイノードDy2に導かれる。そして、第
2段ダイノードDy2から放出された電子は、第3段ダ
イノードDy3に入射し、以降、次々と後段のダイノー
ドでカスケード増倍され、アノード電極12より出力が
取り出される。
イノードDy1、Dy3、Dy4・・・は、いずれもス
テンレス素材で形成されており、第2段ダイノードDy
2を除く他段のダイノードDy1、Dy3・・は、その
内側の面にSbを蒸着して2次電子放出面を形成してい
る。また、第2段ダイノードDy2も、他のダイノード
と同様にステンレス素材で形成しているが、Sbの蒸着
は行っていない。なお、この場合、第1段ダイノードD
y1と第2段ダイノードDy2との電位差は、249V
であり、一般的な光電子増倍管ではこの間の電位差が1
00V程度であり、本実施例では一般の光電子増倍管の
2倍以上の電位差に設定している。
とステンレス素材のままのダイノード(第2段ダイノー
ドのみ)につき、入射する1次電子のエネルギー変化に
対する2次電子放出比δの推移を図3に示す。なお、図
中、横軸は電子に印加される電圧(V)を示し、横軸は
2次電子放出比δを示す。また、Sbを蒸着したダイノ
ードのV−δ曲線を、図中に「SbのV−δ曲線」とし
て記し、ステンレス素材のままのダイノードのV−δ曲
線を「SUSのV−δ曲線」と記す。
イノードは、入射する電子のエネルギーが増大すると、
これに連れて2次電子放出比δも次第に大きく増加する
傾向にある。一方、本実施例の第2段ダイノードのよう
なステンレス素材のままのダイノードでは、入射する1
次電子のエネルギーが増加しても、対応する2次電子放
出比δの増加は極く僅かである。これは、いわゆる飽和
特性を示している。特に、1次電子のエネルギーが約4
00eVを越えると、2次電子放出比δは略一定となっ
ている。
和特性を示すダイノードを、第2段ダイノードとして使
用した場合の作用を、通常のSb蒸着ダイノードの場合
と比較して説明する。
て、メインパルスに対するプリパルスの電子数比につ
き、第3段ダイノードDy3に入射するまでを計算で求
める。
使用した場合を想定し、第1段ダイノードDy1に80
0V、第2段ダイノードDy2に900Vが印加されて
いるとする。この場合、図3のグラフより、第1段ダイ
ノードDy1における2次電子放出比δは「24」とな
る。また、第1段ダイノードと第2段ダイノードとの電
位差が100Vであるため、第2段ダイノードDy2で
の2次電子放出比δは、図3のグラフより「5」とな
る。従って、この時発生するメインパルスは、24×5
=120となる。また、前述した弾性反射を考慮する
と、800Vで加速された電子が第1段ダイノードで弾
性反射して、さらに第2段ダイノード900Vで加速さ
れる。従って、第2段ダイノードDy2の2次電子放出
比δは「24.5」となり、これがプリパルスとなる。
従って、プリパルス/メインパルス=24.5/120
≒0.2となる。
放出比δが飽和特性を示すダイノードを第2段ダイノー
ドに使用した場合を想定し、第1段ダイノードDy1に
800V、第2段ダイノードDy2に1049Vが印加
されているとする。この場合、第1段ダイノードDy1
での2次電子放出比δは、図3のグラフより「25」で
ある。また、第1段ダイノードと第2段ダイノードとの
電位差が249Vであり、図3のグラフより、第2段ダ
イノードDy2での2次電子放出比δが「4」となる。
従って、この時発生するメインパルスは、25×4=1
00となる。また、前述した弾性反射を考慮すると、8
00Vで加速された電子が第1段ダイノードで弾性反射
して、さらに第2段ダイノード1049Vで加速され
る。従って、図3のグラフより、第2段ダイノードDy
2の2次電子放出比δは「5」となり、これがプリパル
スとなる。従って、プリパルス/メインパルス=5/1
00=0.05となる。
に2次電子放出比δが飽和特性を示すダイノードを使用
することで、LLDを0とすれば、シングルフォトン時
のプリパルスは、0.05/0.2=1/4に減少する
ことになる。
スを除去するために、LLDをメインパルスの2割以上
に設定することが必要であったが、本実施例の光電子増
倍管では、プリパルス/メインパルス=0.05であ
り、LLDをメインパルスの1割程度に設定すれば、プ
リパルスを十分に除去できる。従って、このように構成
する光電子増倍管では、結果的にLLDを下げることが
でき、これによってシングルフォトンから数百フォトン
までの広い範囲に亘って光を検出する場合には、LLD
を従来よりも下げることで、より微弱な光の検出が可能
となる。また、プリパルスがメインパルスの数百分の1
のオーダになり、光電陰極に入射するフォトン数が増加
しても、TTSは、1/N0.5 (Nはフォトン数)で減
少し増加することはない。
1段ダイノードDy1と第2段ダイノードDy2との間
の電位差を、従来の一般の光電子増倍管に比べて2倍以
上となる200V以上に設定して使用することも可能で
ある。これにより、第1段ダイノードから第2段ダイノ
ードへ向かう2次電子の走行時間が短くなり、弾性反射
して第2段ダイノードへ入射する光電子との時間差が減
少するため、電子走行時間のバラツキを低減させること
ができる。
ドDy2を、ステンレス素材で形成する例を示したが、
このステンレス鋼は、SUS記号で分類されるいずれの
ステンレス鋼であってもほぼ同等の特性を示すため、第
2段ダイノードとして適用することが可能である。ま
た、このようなステンレス鋼以外にも、Al,Cu,B
e,Ni,Fe,Mo及びWの金属の2次電子放出比δ
も、図3におけるステンレスとほぼ同様な推移を示し、
入射する電子のエネルギーに対してほぼ飽和する特性を
示す。従って、このような金属によって第2段ダイノー
ドを形成した場合にも、同様の効果が得られる。
r,Fe,Zn,Ni,Wのいずれかの金属によって薄
膜を蒸着しダイノードを形成した場合にも、2次電子放
出比δは、図3におけるステンレスとほぼ同様な推移を
示すため、本実施例における第2段ダイノードとして使
用することが可能である。
を、半導体ダイノードで形成することも可能であり、例
えば、GaAs、GaIn等の半導体で2次電子放出面
を形成してもよい。
電子増倍管によれば、第2段ダイノードの2次電子放出
比がほぼ飽和する特性を有しているため、入射エネルギ
ーが大きく異なる電子が入射しても、第2段ダイノード
の2次電子放出比が大きく変化することはない。このた
め、弾性反射による、大きなエネルギーを持って電子が
入射することで生じていた、プリパルスの発生を低減す
ることが可能となる。
に示す縦断面図である。
大図である。
出比δを示すグラフである。
面図である。
第1段ダイノード、Dy2…第2段ダイノード。
Claims (4)
- 【請求項1】 入射する光を受けて光電子を放出する光
電陰極と、 放出された前記光電子を順にカスケード増倍する電子増
倍部とを備えた光電子増倍管であって、 前記電子増倍部は、 前記光電陰極から放出された光電子が入射する第1段ダ
イノードと、 前記第1段ダイノードから放出された電子が入射する第
2段ダイノードとを備えており、 前記第2段ダイノードは、印加電圧に対する2次電子放
出比がほぼ飽和する特性を有することを特徴とする光電
子増倍管。 - 【請求項2】 前記第2段ダイノードは、Al,Cu,
Be,Ni,Fe,Mo,W及びステンレス鋼のうち、
いずれかの材質で形成されることを特徴とする請求項1
記載の光電子増倍管。 - 【請求項3】 前記第2段ダイノードは、導電性基板上
に、Al,C,Cr,Fe,Zn,Ni,Wのうち、い
ずれかの材質によって薄膜を形成してなることを特徴と
する請求項1記載の光電子増倍管。 - 【請求項4】 使用時における前記第1段ダイノードと
第2段ダイノードとの間の電位差が、200V以上であ
る請求項1〜3のいずれかに記載の光電子増倍管。
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