KR20170083599A - 반사 광음극 어레이를 가진 광전자 증배관(pmt) - Google Patents

반사 광음극 어레이를 가진 광전자 증배관(pmt) Download PDF

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Abstract

반사 광음극 어레이를 가진 광전자 증배관(PMT)의 내부, 및 상기 내부를 제조하는 방법이 제공된다. PMT의 내부는 반사 광음극의 어레이 및 상기 반사 광음극의 어레이에 대응하는 적어도 하나의 다이노드 구조를 포함한다. 각각의 반사 광음극은 광을 수신하고, 상기 광으로부터, 적어도 하나의 다이노드 구조를 향해 이동하는 광전자를 발생시킨다. 광전자가 상기 적어도 하나의 다이노드 구조와 접촉한 때, 광전자들이 증배된다.

Description

반사 광음극 어레이를 가진 광전자 증배관(PMT){PHOTOMULTIPLIER TUBE(PMT) HAVING A REFLECTIVE PHOTOCATHODE ARRAY}
관련 출원(들)
이 출원은 2014년 11월 14일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/079,985호에 대한 우선권을 주장하고, 상기 미국 가특허 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 광전자 증배관(PMT)에 관한 것이다.
광전자 증배관(PMT)은 광을 검출하기 위해 사용되는 장치이다. PMT는 광을 광전자로 변환하고, 광전자는 그 다음에 증배되고 검출된다. 과거에, 한가지 특수 유형의 PMT는 투과 광음극 및 다이노드 체인으로부터 형성되었다. 종래 기술에 따른 PMT의 내부 구조의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 광(102)은 투명 광음극(104)의 일측과 접촉하고, 그 결과로서 광전자(106)가 상기 투명 광음극(104)의 다른 측으로부터 방출된다. 그 다음에, 광전자(106)는 다이노드 구조(108)와 접촉하고, 이어서 다이노드 구조(108)는 광전자(106)를 증배시킨다.
불행하게도, 종래의 PMT(도 1에 도시된 것과 같은)는 각종 한계를 나타내었다. 예를 들면, 투과 광음극의 사용은, 반사 광음극과 비교할 때, 일반적으로 양자 효율이 낮고 가용 수명이 더 짧다. 그러나 반사 광음극의 사용은 주로 기하학적 이유(예를 들면, 고대역폭을 갖기 위해 소형 PMT를 가져야 함)로 PMT 장치에서 때때로 회피되었다.
따라서, 종래의 PMT와 관련된 상기 및/또는 다른 문제점들을 해결할 필요가 있다.
반사 광음극 어레이를 가진 광전자 증배관(PMT)의 내부, 및 상기 내부를 제조하는 방법이 제공된다. PMT의 내부는 반사 광음극의 어레이 및 상기 반사 광음극의 어레이에 대응하는 적어도 하나의 다이노드 구조를 포함한다. 각각의 반사 광음극은 광을 수신하고, 상기 광으로부터, 적어도 하나의 다이노드 구조를 향해 이동하는 광전자를 발생시킨다. 광전자가 상기 적어도 하나의 다이노드 구조와 접촉한 때, 광전자들이 증배된다.
도 1은 종래 기술에 따른, 투명 광음극을 구비한 광전자 증배관(PMT)의 내부를 보인 도이다.
도 2는 실시형태에 따른 반사 광음극 어레이를 구비한 PMT의 내부를 보인 도이다.
도 3a는 실시형태에 따른, 광이 정면에서(head-on) 입사하는 하우징을 구비한, 도 2의 PMT의 반사 광음극/다이노드 하위 구조를 보인 도이다.
도 3b는 실시형태에 따른, 광이 비스듬히(at an angle) 입사하는 하우징을 구비한, 도 2의 PMT의 반사 광음극/다이노드 하위 구조를 보인 도이다.
도 4는 실시형태에 따른, 반사 광음극 어레이를 구비한 PMT의 내부를 제조하는 방법을 보인 도이다.
도 2는 실시형태에 따른 반사 광음극 어레이를 구비한 PMT의 내부를 보인 도이다. 도시된 것처럼, PMT의 내부는 반사 광음극 어레이(204A-C)를 포함하고, 여기에서 각각의 반사 광음극(204A-C)은 광(202)을 수신하기 위한 것이고, 광전자(206A-C)가 반사 광음극(204A-C)에 의해 수신된 광(202)으로부터 발생된다. PMT의 내부는 반사 광음극(204A-C)의 어레이에 의해 발생된 광전자(206A-C)를 증배하기 위한, 반사 광음극(204A-C)의 어레이에 대응하는 적어도 하나의 다이노드 구조를 또한 포함한다.
도시된 실시형태에 있어서, 분리된 다이노드 구조(208A-C)는 대응하는 반사 광음극(204A-C)에 의해 발생된 광전자(206A-C)를 증배하기 위해 각각의 반사 광음극(204A-C)에 대응한다. 다른 예상되는 실시형태(도시 생략됨)에 있어서, 단일 다이노드 구조가 전체 반사 광음극(204A-C) 어레이에 의해 발생된 광전자(206A-C)를 증배하기 위해 어레이 내의 복수의(예를 들면, 모든) 반사 광음극(204A-C)에 대응할 수 있다. 물론, PMT는 종래 기술에 공지된 다른 하위 구조(sub-structure)를 또한 포함할 수 있다.
각각의 반사 광음극(204A-C)으로부터의 광전자(206A-C)가 다이노드 구조(208A-C)를 통과할 수 있도록 상기 반사 광음극(204A-C)들 사이에 갭이 제공된다. 반사 광음극 및 대응하는 다이노드 구조를 포함한 단지 3개의 하위 구조만이 어레이에 도시되어 있지만(즉, 하위 구조 204A와 208A, 하위 구조 204B와 208B, 및 하위 구조 204C와 208C), 임의 수의 이러한 하위 구조가 필요에 따라 PMT에 포함될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 다른 실시형태에 있어서, 반사 광음극(204A-C)의 어레이는 1보다 큰 임의 수일 수 있고, 반사 광음극(204A-C)은 임의 수(즉 1개 이상)의 다이노드 구조(208A-C)와 조합하여 사용될 수 있다.
각각의 반사 광음극(204A-C)은 광전자(206A-C)를 다이노드 구조(208A-C) 쪽으로 보내기 위해 PMT 내에서 비스듬히 배치될 수 있다. 또한, 각각의 다이노드 구조(208A-C)는 대응하는 반사 광음극(204A-C)으로부터 광전자(206A-C)를 수신할 수 있도록 PMT 내의 위치에 있을 수 있다. 전술한 하위 구조를 가진 실시형태에 있어서, 반사 광음극(204A-C) 및 대응하는 다이노드 구조(208A-C)를 포함한 PMT 내의 각각의 하위 구조는 동일할 수 있다(예를 들면, 위치, 재료 등).
각각의 반사 광음극(204A-C)은 자신에게 입사되는 광(202)으로부터 광전자(206A-C)를 반사할 수 있는 적어도 반사성 상부면을 구비한 임의의 광음극일 수 있다. 예를 들면, 반사 광음극(204A-C)은 종래 기술에 공지된 임의의 기존 반사 광음극일 수 있다.
또한, 각각의 다이노드 구조(208A-C)는 복수의 다이노드를 포함할 수 있고, 각각의 다이노드는 수신되는 광전자들을 증배시킬 수 있다. 예를 들면, 다이노드는 그 사이로 광전자(206A-C)들을 통과시키도록 체인으로 배치될 수 있다. 더 나아가, 다이노드 구조(208A-C)는 PMT와 관련하여 종래 기술에 공지된 것일 수 있다.
PMT에서 반사 광음극 어레이(204A-C)를 이용하면, 특히 반사 광음극(204A-C)의 반사성이, 종래 기술에서의 투명 광음극에 의해 포착 및 방출되는 광전자의 양보다 더 많은 광전자(206A-C)가 광(202)으로부터 포착되고 다이노드 구조(208A-C)로 투과되게 하기 때문에, (예를 들면 도 1에 도시된 바와 같이 종래 기술에서 사용되는 투명 광음극에 의해 제공되는 것보다) 더 높은 양자 효율이 제공될 수 있다.
또한, 반사 광음극(204A-C)은 종래의 투명 광음극보다 더 강한 재료로 형성될 수 있다. 특히, 반사 광음극(204A-C)은 임의의 바람직한 재료로 형성되고, 그 다음에 반사면으로 코팅될 수 있다. 따라서, 이것은 투명 광음극을 구비한 종래의 PMT와 대조적으로, 본 실시형태에서 설명하는 것처럼 PMT가 반사 광음극(204A-C)을 포함할 때 PMT의 수명을 증가시킬 수 있다.
사용자의 희망에 따라 전술한 프레임워크를 구현할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 각종의 선택적 구조 및 특징과 관련해서 이제 더 많은 예시적인 정보를 설명한다. 이하의 정보는 예시 목적으로 설명하는 것이고 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로서 해석되지 않는다는 점에 특히 주목해야 한다. 하기의 특징들 중의 임의의 특징은 다른 설명되는 특징들을 배제하거나 배제하지 않고 선택적으로 통합될 수 있다.
도 3a는 실시형태에 따른, 광이 정면(head-on)에서 입사하는 하우징을 구비한, 도 2의 PMT의 반사 광음극/다이노드 하위 구조를 보인 것이다. 비록 단일 반사 광음극(204) 및 대응하는 다이노드 구조(208)를 포함한 단지 하나의 하위 구조가 하우징(300) 내에 도시되어 있지만, 본 설명과 관련해서 하우징(300)은, 도 2와 관련하여 위에서 설명한 바와 같은 반사 광음극(204A-C)의 어레이 및 대응하는 다이노드 구조(208A-C)를 둘러쌀 것이라는 점에 주목하여야 한다.
도시된 것처럼, 반사 광음극(204)과 다이노드 구조(208)는 하우징(300) 내에 포함된다. 하우징(300)은 PMT와 관련하여 종래 기술에 공지된 것처럼 튜브 또는 임의의 다른 둘러싸인 구조일 수 있다. 게다가, 반사 광음극(204)은 하우징(300)의 단부측으로부터 비스듬한 각으로 위치된다. 하우징의 단부측은 적어도 부분적으로 광(202)이 통과할 수 있는 창일 수 있다. 도시된 실시형태에서, 광(202)은 하우징(300)의 단부측에 수직으로 지향되고 반사 광음극(204)에 비스듬히 입사한다. 이 경우에, PMT는 정면(head-on) PMT로서 생각할 수 있다.
도 3b는 실시형태에 따른, 광이 비스듬히 입사하는 하우징을 구비한, 도 2의 PMT의 반사 광음극/다이노드 하위 구조를 보인 것이다. 역시, 비록 단일 반사 광음극(204) 및 대응하는 다이노드 구조(208)를 포함한 단지 하나의 하위 구조가 하우징(300) 내에 도시되어 있지만, 본 설명과 관련해서 하우징(300)은, 도 2와 관련하여 위에서 설명한 바와 같은 반사 광음극(204A-C)의 어레이 및 대응하는 다이노드 구조(208A-C)를 둘러쌀 것이라는 점에 주목하여야 한다.
도시된 것처럼, 반사 광음극(204)과 다이노드 구조(208)는 하우징(300) 내에 포함된다. 하우징(300)은 PMT와 관련하여 종래 기술에 공지된 것처럼 튜브 또는 임의의 다른 둘러싸인 구조일 수 있다. 게다가, 반사 광음극(204)은 하우징(300)의 단부측으로부터 비스듬한 각으로 위치된다. 하우징의 단부측은 적어도 부분적으로 광(202)이 통과할 수 있는 창일 수 있다. 도시된 실시형태에서, 광(202)은 하우징(300)의 단부측을 향해 비스듬히 지향되고 반사 광음극(204)에 수직으로 입사하며, 이 경우 PMT는 정면(head-on) 또는 측면(side-on) PMT로서 생각되지 않는다. 옵션으로서, 하우징(300)의 단부측 및 하우징(300)에 포함된 창은 창(도시 생략됨)으로부터의 반사를 최소화하기 위해 입사광에 수직하게 되도록 배치될 수 있다.
이를 위해, 광은 도 2에 도시된 반사 광음극의 어레이에 비스듬히 입사할 수 있고, 또는 다른 실시형태에서 도 2에 도시된 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사할 수 있다. 선택적으로, 반사 광음극(204)이 하우징(300) 내에서 배치되는 각도는, 광이 (도 3a에 도시된 실시형태에서처럼) 반사 광음극의 어레이에 대하여 비스듬히 입사하는지 또는 (도 3b에 도시된 실시형태에서처럼) 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사하는지에 따라 다를 수 있다.
도 4는 실시형태에 따른, 반사 광음극 어레이를 구비한 PMT의 내부를 제조하는 방법을 보인 도이다. 도 4에 설명된 본 발명의 방법은 전술한 도면 및 관련 설명의 상황에서 구현될 수 있다는 점에 주목한다.
방법은, 동작 402에서, 광을 수신할 수 있는 위치에 각각 배치된 반사 광음극의 어레이를 하우징 내에 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 동작 404에서, 반사 광음극의 어레이에 대응하는 적어도 하나의 다이노드 구조를 하우징 내에 제공하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 다이노드 구조는 수신된 광으로부터 반사 광음극의 어레이에 의해 발생될 때 광전자를 수신할 수 있는 위치에 있다.
지금까지 각종 실시형태를 설명하였지만, 이러한 실시형태는 단지 예로서 제시된 것이고 제한하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 따라서, 바람직한 실시형태의 폭 및 범위는 전술한 예시적인 실시형태에 의해 제한되는 것이 아니라, 이하의 특허 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 규정되어야 한다.

Claims (25)

  1. 광전자 증배관(photomultiplier tube, PMT)의 내부에 있어서,
    각각이 광을 수신하고 수신된 광으로부터 광전자를 발생하는 반사 광음극의 어레이; 및
    상기 반사 광음극의 어레이에 대응하고, 대응하는 상기 반사 광음극의 어레이에 의해 발생된 광전자를 증배시키는 적어도 하나의 다이노드 구조
    를 포함한 PMT의 내부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사 광음극의 어레이 및 대응하는 적어도 하나의 상기 다이노드 구조는 하우징 내에 포함된 것인 PMT의 내부.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하우징은 튜브인 것인 PMT의 내부.
  4. 제2항에 있어서, 상기 반사 광음극 각각은 상기 하우징의 단부측으로부터 비스듬한 각도로(at a diagonal angle) 배치된 것인 PMT의 내부.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하우징의 단부측은, 적어도 부분적으로, 광이 통과할 수 있는 창인 것인 PMT의 내부.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이노드 구조 각각은 복수의 다이노드를 포함한 것인 PMT의 내부.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다이노드는, 그 사이에 광전자를 통과시키기 위해 체인으로 배치된 것인 PMT의 내부.
  8. 제6항에 있어서, 상기 다이노드 각각은, 이로써 수신된 광전자를 증배시키는 것인 PMT의 내부.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이노드 구조는, 상기 어레이 내의 복수의 반사 광음극에 대응하는 단일 다이노드 구조를 포함한 것인 PMT의 내부.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단일 다이노드 구조는 상기 어레이 내의 모든 반사 광음극에 대응하는 것인 PMT의 내부.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이노드 구조는, 상기 어레이 내의 각각의 반사 광음극에 대응하는 분리된 다이노드 구조를 포함한 것인 PMT의 내부.
  12. 제1항에 있어서, 상기 광은, 상기 반사 광음극의 어레이에 비스듬히(at an angle) 입사하는 것과, 상기 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사하는 것 중 하나인 것인 PMT의 내부.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광이 상기 반사 광음극의 어레이에 비스듬히 입사할 때 각각의 반사 광음극은 제1 각도로 위치되고,
    상기 광이 상기 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사할 때 각각의 반사 광음극은 상기 제1 각도와는 상이한 제2 각도로 위치되는 것인 PMT의 내부.
  14. 광전자 증배관(photomultiplier tube, PMT)의 내부를 제조하는 방법에 있어서,
    각각의 반사 광음극이 광을 수신할 수 있는 위치에 배치된 반사 광음극의 어레이를 하우징 내에 제공하는 단계;
    상기 반사 광음극의 어레이에 대응하는 적어도 하나의 다이노드 구조 - 상기 적어도 하나의 다이노드 구조는, 수신된 광으로부터 대응하는 반사 광음극의 어레이에 의해 발생될 때, 광전자를 수신할 수 있는 위치에 있음 - 를 상기 하우징 내에 제공하는 단계
    를 포함한 PMT의 내부 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하우징은 튜브인 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 반사 광음극 각각은 상기 하우징의 단부측으로부터 비스듬한 각도로 배치된 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하우징의 단부측은, 적어도 부분적으로, 광이 통과할 수 있는 창인 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 다이노드 구조 각각은 복수의 다이노드를 포함한 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 다이노드는 그 사이에 광전자를 통과시키기 위해 체인으로 배치된 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 다이노드 각각은, 이로써 수신된 광전자를 증배시키는 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 광은, 상기 반사 광음극의 어레이에 비스듬히 입사하는 것과, 상기 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사하는 것 중 하나인 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 광이 상기 반사 광음극의 어레이에 비스듬히 입사할 때 각각의 반사 광음극은 제1 각도로 위치되고,
    상기 광이 상기 반사 광음극의 어레이에 수직으로 입사할 때 각각의 반사 광음극은 상기 제1 각도와는 상이한 제2 각도로 위치되는 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  23. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이노드 구조는, 상기 어레이 내의 복수의 반사 광음극에 대응하는 단일 다이노드 구조를 포함한 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 단일 다이노드 구조는 상기 어레이 내의 모든 반사 광음극에 대응하는 것인 PMT의 내부 제조 방법.
  25. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이노드 구조는, 상기 어레이 내의 각각의 반사 광음극에 대응하는 분리된 다이노드 구조를 포함한 것인 PMT의 내부 제조 방법.
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