JPS6142847A - 光電子増倍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分！Ｆ） 本発明は、微弱な光を光電子に変換してこれを多段増倍
して電気信号として検出する光電子増倍装置、さらに詳
しくいえば応答性に改善を施した光電子増倍装置に関す
る。

（従来の技術） まず従来の光電子増倍管の構造と動作を図面を参照して
説明する。

第３図は典型的な光電子増倍管の構成を示す略図である
。

光電面２１から放出された光電子は集束電極２２により
集束されアパーチャ電極２３を介して第１ダイノード２
４に衝突させられ２次電子を放出させる。

さらに電位の高い、第２．第３ダイノードで順次２次電
子増倍され、増幅された電流パルスが、アノード３２か
ら取り出されるようになっている。

このような形式の光電子増倍管において、非常に短いパ
ルス光が入射したとき、出力電流パルスがそのパルス幅
より広がってしまうことがある。

また光の光電面に入射する位置が変ると同じ強さの光で
も、異なる大きさの電流パルス出力が得られるという問
題がある。

なお各部に印加される電圧は次のとおりである。

アノード３２　　　　　　　　　　　０Ｖ光電面２１　
　　　　　　　　　−１１１０Ｖ集東電極２２　　　　
　　　　　　−１１５０Ｖアパーチヤ電極２３　　　　
　　　−９００Ｖ第１ダイノード２４　　　　　　−８
００Ｖ第２ダイノード２５　　　　　　−７００Ｖ第３
ダイノード２６　　　　　　−６００Ｖ第４ダイノード
２７　　　　　　−５００Ｖ第５ダイノード２８　　　
　　　−４００Ｖ第６ダイノード２９　　　　　　−３
００Ｖ第７ダイノード３０　　　　　　−２００Ｖ第８
ダイノード３１　　　　　　−１００Ｖこの原因の大部
分は、光電面２１ど第１ダイノード２４、第２ダイノー
ド２５の部分で生じていることが分かった。その理由を
説明する。

第４図は前記光電子増倍管の光電面２１と第１ダイノー
ド２４の間の光電子の軌道を示す略図である。

光電子が光電面２１上の同一点、例えばＭ点から放出さ
れてもその電子の第１ダイノード２４までの電子軌道は
光電子ごとに異なる。

放出された光電子は色々なエネルギーをもっている。そ
のエネルギーが０のものの軌道を主軌道と呼び、光電面
２１に立てた法線とθ（０≦θ≦９０”）の角度をなし
、ＥｅＶ　（可視光線では０くＥ≦数ｅＶ）のエネルギ
ーのものの軌道をβ軌道と呼ぶことにする。

Ａ１はＭ点から放出された電子の主軌道、β１゜β１　
′は前記軌道を挟んで放出された電子のβ軌道であるン β１．β１　′については、光電面の法線からの放出時
の領むきθが大きい程、またエネルギーＥが大きい程主
軌道Ａ１より隔たり、大きな広がりのｕＬ道をたどる。

このため第１ダイノード２４に入るまでの走行時間の差
が発生することが容易に理解できる。

またＮ点から放出され光電子群についても同様のことが
いえる。

Ａ２はＮ点から放出された電子の主軌道、β２゜β２′
は前記軌道を挟んで放出された電子のβ軌道である。

しかも、Ｍ点の軌道とＮ点の軌道は第１ダイノード２４
に入る位置も異なり走行距離も異なるので当然、Ｍ点で
発生した光電子とＮ点でのそれとは走行時間差が出てく
る。

これ等が、出力パルスの幅が広がってしまい時間特性が
悪くなる原因である。

また第４図のβ２軌道のように、第１ダイノード２４に
ぶつからないで、次のダイノードや、ガラスバルブ壁に
ぶつかるものもある。

−Ｊｌｌｌｋ的にいって第４図の第１ダイノードのＥの
示す領域に入射した光電子による２次電子は第２ダイノ
ード２５に到達し得るが、第４図に示すＡ１゜β　ｒ、
β２′軌道の電子のようにＵの示す領域に入射すると、
２次電子は発生しない。

この理由を第５図を参照して説明する。

第５図は前記光電子増倍管のアパーチャ電極２３゜第１
ダイノード２４．第２ダイノード２５を取り出して示し
た図である。

第１ダイノード２４で飛び出した２次電子がアパーチャ
電極２３の方に戻らず、第２ダイノード２５の方に向か
うようアパーチャ電極２３には第１ダイノード２４より
１００■低い一９００ｖの電圧が印加されている。

一方第２ダイノード２５にはこれらの２次電子を引き込
んで、さらに２次電子を放出させるよう第１ダイノード
２４より１００Ｖ高い電圧−７００■が印加されている
。

このため第１ダイノード２４のアパーチャ電極２３に近
い側（第５図のＵの示す領域）は、アパーチャ電極２３
の負電圧に押えられて２次電子が出に（くなる。

一方、第２ダイノード２５に近い側は、第２ダイノード
２５の陽電圧によって、陽電位がしみ込んできているの
で、２次電子が放出されやすい。

同様の理由で、第２ダイノード２５にも２次電子の放出
される部分とされない部分がある。

したがって、第１ダイノード２４上で、２次電子が放出
されて、しかもその２次電子が第２ダイノード２５の２
次電子が放出される部分に到達するような場所は、第５
図の第１ダイノード２４上のＭＥの示す点を含む限られ
た領域に制限される。

このような理由から従来の光電子増倍管では、第１ダイ
ノード２４に入射できない光電子、第１ダイノード２４
に入射しても有効な２次電子を発生させることができな
い所に入射してしまう光電子があり、応答速度と感度の
むらを発生させていた。

（発明の目的） 本発明の目的は、前述した問題を解決した光電子増倍装
置を提供することにある。

（発明の構成と作用） 前記目的を達成するために、本発明による光電子増倍装
置は、入射窓を有するガラス気密容器、およびその中に
軸対称な光電面、光電面に近接、対向したメツシュ電極
、集束電極、アパーチャ電極を管軸に沿って配置した光
電子増倍管を用いる。

光電面とメツシュ電極の間に、数１００〜数ＫＶの電圧
を印加して放出光電子群のうちのβ軌道の電子を主軌道
よりに近づける。

光電面上の任意の一点から放出された光電子群の第１ダ
イノードに入射する時の広がりを非常に小さく　（実質
的にスポット状に）する。

さらに軸対称の電位分布を光電面と、アパーチャ電極の
間に形成して、かつ光電面と第１ダイノードの間の加速
電圧を、アパーチャ電極と第１ダイノード、第２ダイノ
ードで形成される電位分布によって、アパーチャ電極を
通過したあとの光電子の軌道が、アパーチャ電極から第
１ダイノードにぶつかるまでの間で実質的には曲げられ
ない程度に太きく（５００■以上）し、光電面上のすべ
ての点から放出された光電子の主軌道を、第１ダイノー
ド上の実質的に一点に集まるようにする。

さらにこの点を第５図の第１ダイノード上の、２次電子
が放出されてしかも第２ダイノードの２次電子放射効率
の良い部分に、それらの２次電子が到達するような場所
（ＭＥ）にくるように選ぶ。

これは、前記電極群の形状、間隔、電圧配分を選ぶこと
によって可能である。

さらに、曲面光電面の形状を適当に選び、光電面上のす
べての点からの主軌道を通る光電子の光電面と第１ダイ
ノード上に形成されたクロスオーバーの間の走行時間を
実質的に等しくする。β軌道を主軌道から近いようにし
ているので光電面上の任意の点から放出された光電子の
光電面と第１ダイノード間の走行時間を、実質的に等し
くできる。

さらにその結果、これら光電子は第１ダイノード上の同
一場所に入射させられるので、光電面上の発生場所によ
る増倍度の差はなくなる。

前記メツシュ電極に不本意に光電面が形成されることが
ある。これから光電子が放出されると、２次パルスが発
生するおそれがある。

本発明では、集束電極にメツシュ電極より負電圧を印加
することにより、メツシュ電極と、第１ダイノードの間
にメツシュ電極電位より負の電位面を形成して、メツシ
ュ電極からの光電子が第１ダイノードに到達しないよう
にする。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は本発明による光電子増倍装置の実施例を示すブ
ロック図である。

この装置に用いられる光電子増倍管の外周はガラス気密
容器１で、直径４０ｍｍ、長さ２００ｍｍの円筒状の容
器である。

前記ガラス気密容器１の入射窓１ａの内面の曲率半径は
６０ｍｍである。

この曲面にＳ−２０（米国電子機械工業組合ＥＩＡの規
格）と呼ばれる高感度の光電面が形成されている。

光電面２に対向、近接して光電子を急加速するメツシュ
電極３が配置されている。

光電面２とメツシュ電極３の間隔は、中央部で約５ｍｍ
であり、またメツシュ電極３は縦横のグリッド状のワイ
ヤーで形成され、細かさは単位ｍｍあたり約４（１００
サイクル／インチ）である。

さらにメツシュ電極３とアパーチャ電極５の間には内径
的３０ｍｍ、長さ３５ｍｍの集束電極４が配置されてい
る。

またメツシュ電極３からアパーチャ電極５の中心までの
距離は４５ｍｍである。

アパーチャ電極５の後は、通常の光電子増倍管と同様の
ダイノード群６〜１３およびアノード１４が配置されて
いる。

これらの電極には電源回路１５から動作電圧が印加され
ている。なお各部に印加される電圧はこの実施例では次
のとおりである。

アノード１４　　　　　　　　　０■ 光電面２　　　　　　　　　　　−１４００Ｖメツシユ
電極３　　　　　　　　　−８００Ｖ集東電極４　　　
　　　　　　　−１１００Ｖアパーチヤ電極５　　　　
　　　　−９００Ｖ第１ダイノード６−８００Ｖ 第２ダイノード７　　　　　　　　−７００Ｖ第３ダイ
ノード８　　　　　　　　−６００Ｖ第４ダイノード９
　　　　　　　　−５００Ｖ第５グイ／−）’１０　　
　　　　　−４００Ｖ第６ダイノード１１　　　　　　
　−３００Ｖ第７ダイノード１２　　　　　　　−２０
０Ｖ第８グイ／−）’１３　　　　　　　−１００Ｖ光
電面２には一１４００Ｖの電圧が印加され、メッシュ電
極３に一８００ｖが印加されているので、この間に６０
０■の電圧が印加され、放出された光電子は急速に加速
される。

そのためβ軌道の電子は主軌道に近づけられる。

さらに、集束電極４には一１ｉｏｏｖの電圧、アパーチ
ャ電極５には−９００Ｖ、第１ダイノード６には一８０
０ｖが印加され、以下順次１００■ずつ高い電圧が印加
されている。

この電圧配分により、メツシュ電極３と、アパーチャ電
極４の間には集束型の電子し°ンズが形成される。そし
て第２図に示すように第１ダイノード６の所定の位置に
主軌道のクロスオーバ一点をつくることができる。

アパーチャ電極５は−９００Ｖ、第１ダイノードは一８
００■であるので、光電子は光電面の一１４００■の電
位から、５００ｅＶ以上加速されているのでアパーチャ
電極５．第１ダイノード６間はほぼ直進する。

またアパーチャ電極５までは軸対称電界となっているの
で、電子軌道も光電面２と第１ダイノード６間は、実質
的に軸対称となる。

クロスオーバ一点も実質的にスポット状となる。

この軸対称性と光電面２の曲率半径を適当に選ぶ（この
場合は６０ｍｍ）ことにより主軌道のクロスオーバ一点
までの走行時間を光電面２上の任意　　　′の点で実質
的に等しくできる。

前述のように、β軌道は、メツシュ電極で横方向に放出
された光電子を急加速して、各主軌道に非常に密接する
ようにしているので、光電面２からクロスオーバ一点ま
での走行時間は、光電面２上の任意点で放出されるすべ
ての光電子に対して、実質的に等しくすることができる
。

また第１ダイノード６のほぼ一点から２次電子が放出さ
ることになるので、第１〜第２ダイノード間で生じる走
行時間差も当然小さくなる。

また、前記第１ダイノード６上のクロスオーバ一点は第
１ダイノード６の最も２次電子放出効率の良い所（発生
した電子が必ず第２ダイノード７に導かれる点）に光電
子がすべて入射するので、光電面２上の場所による電子
増倍率のムラも小さくおさえることができる。

また、集束電極４の電位は、メツシュ電極３より３００
■低い電圧が印加しであるので、メツシュ電極３とアパ
ーチャ電極５間には、メツシュ電極３の電位より負の電
位が形成される。

入力窓１ａの内面に光電面２を作成する時、メツシュ電
極３に光電面が作成されてしまうことがある。

したがってここからも光電子が発生させられる可能性が
ある。

しかし、アパーチャ電極５の電位はメツシュ電極３の電
位より負であるから、この負電圧により第１ダイノード
６に達することができない。

（発明の効果） 以上説明したように本発明では、光電面に対向してメツ
シュ電極を配置して、光電子を急加速し、β軌道を主軌
道に近接させている。

そして、軸対称電界を光電面一アパーチャ電極間に設け
であるから″集束された電子はさらに集束される。

光電面、第１ダイノード間の光電子の加速電圧をアパー
チャ電極、第１ダイノード、第２ダイノード部で形成さ
れる電位分布によって、アパーチャ電極、第１ダイノー
ド間で光電子が実質的に曲げられない状態で主軌道のク
ロスオーバ一点に集められる。

このクロスオーバ一点は第１ダイノードの一点に形成さ
れる。

この一点は軌道設計により２次電子放出効率が一番良い
所に選んである。

さらに光電面の曲率を適当に選ぶことによって、主軌道
の走行時間を実質的に等しくし、結果として走行時間差
が非常に小さくて、時間応答の良いしかも光電面上の場
所による利得のバラツキが小さい光電子増倍管が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光電子増倍装置の実施例を示すブ
ロック図である。 第２図は前記実施例装置の電子軌道を示す略図である。 第３図は従来の光電子増倍管の構成を示す概略断面図で
ある。 第４図は前記光電子増倍管の光電面と第１ダイノード間
の電子軌道を示す略図である。 第５図は前記光電子増倍管の第１ダイノード、第２ダイ
ノード、第３ダイノード間の電子軌道を示す略図である
。 １・・・真空容器 ２・・・光電面 ３・・・メツシュ電極 ４・・・集束電極 ５・・・アパーチャ電極 ６〜１３・・・第１〜８ダイノード １４・・・アノード １５・・・電源回路 特許出願人　浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 ２１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空気密容器の入射窓に形成された光電面の発生
   した光電子を集束電極およびアパーチャ電極を介して多
   段ダイノードの第１段ダイノードに入射し前記多段ダイ
   ノードで増倍された電子をアノードから取り出す光電子
   増倍管と、前記光電子増倍管に動作電圧を供給する電源
   回路からなる光電子増倍装置において、前記光電面を軸
   対称の回転曲面に形成し、前記軸に直角にメッシュ電極
   を配置し、電源回路により前記光電面、メッシュ電極、
   集束電極、アパーチャ電極、第１ダイノードの電圧を前
   記光電面の任意の位置で発生した光電子が前記第１ダイ
   ノードの一定の点に入射するように印加して構成した光
   電子増倍装置。
2. （２）前記第１ダイノードの一定の点は、前記光電面の
   総ての点から発生した電子の主軌道が交差する位置であ
   る特許請求の範囲第１項記載の光電子増倍装置。
3. （３）前記第１ダイノードと前記第２ダイノードは前記
   第１ダイノードの前記一定の点で発生させられた電子が
   必ず第２ダイノードに到達しかつそこで発生させられた
   電子が第３ダイノードに送出される関係をもつ形状と電
   圧が接続されている特許請求の範囲第１項記載の光電子
   増倍装置。
4. （４）前記光電面の曲率、メッシュ電極、集束電極、ア
   パーチャ電極、第１ダイノードの位置関係およびそれら
   に前記電源回路から印加される電圧は光電面上の任意の
   点から放出された主軌道の光電子の光電面と第１ダイノ
   ード間の走行時間が等しくなるように設定されている特
   許請求の範囲第１項記載の光電子増倍装置。
5. （５）前記電源装置はアパーチャ電極にメッシュ電極電
   位より低い電位を形成するような電圧を印加している特
   許請求の範囲第１項記載の光電子増倍装置。