(57)【特許請求の範囲】
【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、
使用時に、前記第１段ダイノードへの印加電圧と前記第２段ダイノードへの印加電圧との電位差を２００Ｖ以上とし、
少なくとも前記第１段ダイノードを含む前記第２段ダイノード以外のダイノードは、アンチモンを有する２次電子放出面を形成し、
前記第２段ダイノードは、ステンレス鋼からなる２次電子放出面を形成することを特徴とする光電子増倍管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射する光電子を複数段のダイノードで増倍する光電子増倍管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような電子増倍管（特公昭５８−４１６２２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、ＴＴＳ  （Ｔｒａｎｓｉｔ  Ｔｉｍｅ  Ｓｐｒｅａｄ  ）を悪化させる原因の１つとなっている。
【０００３】
従来、このプリパルスの発生原因は、以下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。
【０００４】
一方、プリパスルは、入射したパルス光が光電陰極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１０２において次々に増倍され、プリパルスとして出力される。
【０００５】
このような原因によって発生するプリパルスは、メインパルスの２０．５６ｎｓｅｃ前に現れることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、このようなプ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。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１にかか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段ダイノードを含む第２段ダイノード以外のダイノードは、アンチモンを有する２次電子放出面を形成し、第１段ダイノードの次段となる第２段ダイノードは、ステンレス鋼からなる２次電子放出面を形成し、第１段ダイノードへの印加電圧と第２段ダイノードへの印加電圧との電位差を２００Ｖ以上として使用する。
【０００９】
なお、通常、ダイノードに入射する電子の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。
【００１０】
請求項２にかかる光電子増倍管では、このような特性を有する材質として、Ａｌ，Ｃｕ，Ｂｅ，Ｎｉ，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。
【００１１】
請求項３にかかる光電子増倍管では、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。
【００１２】
請求項４にかかる光電子増倍管では、第１段ダイノードと第２段ダイノードとの間の電位差を２００Ｖ以上として使用する。
【００１３】
【作用】
鋭意研究の結果、プリパルスの発生原因は弾性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。
【００１４】
また、第２段ダイノードを、請求項２、３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。
【００１５】
また、第１段ダイノードと第２段ダイノー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。
【００１６】
【実施例】
実施例に先立ち、上述したプリパルスの発生原因について説明する（図４参照）。
【００１７】
先ず、従来技術の説明で例示した８インチの光電子増倍管のＴＴＳ（Ｔｒａｎｓｉｔ  Ｔｉｍｅ  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。
【００１８】
そこで、入射フォトンを増加させて、光電陰極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。
【００１９】
この結果より、次のように考察できる。こ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。
【００２０】
また、既に説明したように、光電陰極１０１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。
【００２１】
以上の結果を基に、第１段ダイノードＤｙ１に入射した光電子が弾性反射して第２段ダイノードＤｙ２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。
【００２２】
（１）  電子走行時間が実際の測定値とほぼ一致する。
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。
【００２３】
一方、第１段ダイノードＤｙ１に入射した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Ｄｙ３までの合計の電子走行時間は２７ｎｓｅｃとなる。
【００２４】
このように想定して計算を行うと、弾性反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。
【００２５】
（２）  フォトン数を増加させると、プリ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。
【００２６】
さらに、シングルフォトンイベントでは、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。
【００２７】
（３）  ＬＬＤ（Ｌｏｗｅｒ  Ｌｅｖｅｌ  Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ  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。
【００２８】
以上の（１）〜（３）のように、電子走行時間、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。
【００２９】
＜実施例＞
以下、光電子増倍管の構造等について説明する。
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。
【００３０】
図２に電子増倍部６を拡大して示す。電子増倍部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。
【００３１】
また、入射開口部７ａに対向して第１段ダイノード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。
【００３２】
第１段ダイノードＤｙ１から放出された電子は、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。
【００３３】
また、各電極９、１０、１１及び各段のダイノード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Ｄｙ２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Ｄｙ１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１００Ｖ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。
【００３４】
ここで、通常のＳｂを蒸着したダイノード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。
【００３５】
図に示すように、通常のＳｂを蒸着したダイノードは、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４００ｅＶを越えると、２次電子放出比δは略一定となっている。
【００３６】
ここで、このように２次電子放出比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。
【００３７】
そこで、シングルフォトンイベントにおいて、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。
【００３８】
先ず、通常のＳｂ蒸着ダイノードを全段で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。
【００３９】
これに対し、本実施例のように、２次電子放出比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＝１００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Ｄｙ２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＝５／１００＝０．０５となる。
【００４０】
以上の結果より、第２段ダイノードＤｙ２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。
【００４１】
また、従来の光電子増倍管では、プリパル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。
【００４２】
さらに、本実施例の光電子増倍管では、第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。
【００４３】
以上説明した実施例では、第２段ダイノード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，Ｂｅ，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。
【００４４】
さらに、導電性基板上に、Ａｌ，Ｃ，Ｃｒ，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。
【００４５】
なお、第２段ダイノード以外のダイノードを、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。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる光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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例にかかる光電子増倍管の構造を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１の光電子増倍管の要部を取り出して示す拡大図である。
【図３】１次電子の入射エネルギーに対する２次電子放出比δを示すグラフである。
【図４】従来の光電子増倍管の構造を概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…光電面、５…光電陰極、６…電子増倍部、Ｄｙ１…第１段ダイノード、Ｄｙ２…第２段ダイノード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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