(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換面を円錐構造となし、入射した光が前記円錐構造内部で多重反射を繰り返し、該反射の回数が多くなるにつれて、より多くの入射光成分の光電子への変換がなされる光電変換面を具備する光電子増倍装置。
【請求項２】
請求項１記載の光電子増倍装置において、前記光電変換面の材料がアルカリ金属又は半導体材料からなる光電子増倍装置。
【請求項３】
請求項２記載の光電子増倍装置において、１回当たりの光電変換の効率に応じて、前記光電変換面の円錐の頂角をパラメータとして、多重反射の回数を制御することを特徴とする光電子増倍装置。
【請求項４】
請求項３記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面を円錐状の突起の表面に作製することを特徴とする光電子増倍装置。
【請求項５】
請求項３記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面を円錐状の窪みの表面に作製することを特徴とする光電子増倍装置。
【請求項６】
請求項５記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の窪みの表面に作製した前記光電変換面の下地を高反射率の鏡構造とすることにより、前記光電変換面を透過した光を再度該光電変換面に反射吸収させる構造を有する光電子増倍装置。
【請求項７】
請求項５記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の窪みの表面に作製した光電変換面を成長しているガラス基板の裏面を高反射率の鏡構造とすることにより、前記光電変換面を透過した光を再度該光電変換面に反射吸収させ、そこで、さらに透過した光は、前記ガラス基板と光電変換面の両者を通過する際、屈折して、再び円錐状の反対面方向に向かい、吸収される構造を有する光電子増倍装置。
【請求項８】
請求項４、５又は６記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面から発生した光電子の軌道を変え、前記光電子増倍面に入射する際には、該光電子増倍面に対して最も効率の良い入射角度になるように電子レンズ系を導入したことを特徴とする光電子増倍装置。
【請求項９】
請求項５又は６記載の光電子増倍装置において、円錐状の窪んだ光電変換面に光を入射させるために、第１ダイノードを光反射面として用いて、さらに、光電面に発生した光電子を該ダイノードと前記光電変換面との間に電圧を印加することで引き出し、さらに電子増倍を起こさせる構造を有する光電子増倍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一現象では効率の低い光検出器に対して、入射光を光電変換面との間で多重反射させることで、見かけ上の光検出効率を向上させることができる光電子増倍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来の光検出器の模式図である。
【０００３】
この図において、１は入射光、２は鏡面、３は光電変換面、４は光電子、５は電子増倍部、６は光検出器の電流出力である。
【０００４】
従来の光検出器は、基本的には平面型の光電変換面を有しており、この構造を活かしたままで、入射光を効率良く検出するためには、図８に示すように、多重反射をさせる鏡面２を、光電変換面３に対して傾けて配置し、その間に光を入射させる必要があった。
【０００５】
一方、粒子を検出する装置としてチャンネルトロンという装置がある。これは、かたつむりの貝殻の様な渦巻き構造をしたセラミックの管をつくり、その表面で粒子との相互作用により電子を放出するものである。この装置は、検出効率を向上させるのが目的で螺旋構造をとったのではなく、主に発生した電子の増倍機構を提供するのが目的であった。よって、粒子と構造の表面との相互作用は基本的には１回である。これは、粒子と表面の相互作用率は高く、ほとんどの粒子が１００％に近い検出効率を有するために、多重散乱を用いる必要がない。
【０００６】
また、半導体素子は、主に平面検出構造を有しており、また、その検出率が６０〜８０％以上と高いため、特に多重構造による検出を必要としていない。必要な場合は、その表面に無反射コーティングを施すことが多い。これにより、約２０％程度ある表面反射を減らし、さらに検出効率を向上させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光検出器では、光を検出し内部光電効果により、電子に変換できても、その電流を増幅する手法が、電気的増幅の手法である以上、増幅器を構成するそれぞれの素子における熱雑音などに起因したノイズの影響は避けることができない。
【０００８】
光子一つ一つを高い効率にて検出し、ノイズとの弁別が容易であることは、ハイゼンベルグの不確定性原理に基づく量子光学的計測には不可欠である。しかしながら、半導体材料からなる光検出器は、光−電子変換効率が７０〜９０％と高いにもかかわらず、その電子信号を増幅する手段の中で発生するノイズの影響が大きく、高い信号／ノイズ比を達成するのは困難である。
【０００９】
一方、高い信号／ノイズ比が一つ一つの光電子に対して得られる光電子増倍管は、その変換効率（量子効率）が最大でも２５％程度に留まっている。これは、光電変換面内部で発生する電子が、面からの脱出確率が低いことと、入射面での反射と、入射光が光電変換面を透過してしまうことに起因している。
【００１０】
本発明は、このような光電子増倍管の高い信号／ノイズ比の特性を活かして、より高い光検出効率を達成可能な光電子増倍装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光電子増倍装置において、光電変換面を円錐構造となし、入射した光が前記円錐構造内部で多重反射を繰り返し、その反射の回数が多くなるにつれて、より多くの入射光成分の光電子への変換がなされる光電変換面を設けるようにしたものである。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の光電子増倍装置において、前記光電変換面の材料がアルカリ金属又は半導体材料からなるようにしたものである。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の光電子増倍装置において、１回当たりの光電変換の効率に応じて、前記光電変換面の円錐の頂角をパラメータとして、多重反射の回数を制御するようにしたものである。
【００１４】
〔４〕上記〔３〕記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面を円錐状の突起の表面に作製するようにしたものである。
【００１５】
〔５〕上記〔３〕記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面を円錐状の窪みの表面に作製するようにしたものである。
【００１６】
〔６〕上記〔５〕記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の窪みの表面に作製した前記光電変換面の下地を高反射率の鏡構造とすることにより、光電変換面を透過した光を再度この光電変換面に反射吸収させる構造を備えるようにしたものである。
【００１７】
〔７〕上記〔５〕記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の窪みの表面に作製した光電変換面を成長しているガラス基板の裏面を高反射率の鏡構造とすることにより、前記光電変換面を透過した光を再度この光電変換面に反射吸収させ、そこで、さらに透過した光は、前記ガラス基板と光電変換面の両者を通過する際、屈折して、再び円錐の反対面方向に向かい、吸収される構造を備えるようにしたものである。
【００１８】
〔８〕上記〔４〕、〔５〕又は〔６〕記載の光電子増倍装置において、前記円錐状の光電変換面から発生した光電子の軌道を変え、前記光電子増倍面に入射する際には、この光電子増倍面に対して最も効率の良い入射角度になるように電子レンズ系を導入するようにしたものである。
【００１９】
〔９〕上記〔５〕又は〔６〕記載の光電子増倍装置において、円錐状の窪んだ光電変換面に光を入射させるために、第１ダイノードを光反射面として用いて、さらに、光電面に発生した光電子をこのダイノードと前記光電変換面との間に電圧を印加することで引き出し、さらに電子増倍を起こさせる構造を有するようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例を示す光電子増倍装置の構成図である。ここでは、ガラス体１１に円錐状の窪み部１２を設け、その窪み部１２に光電変換面１３を形成した場合を示している。
【００２２】
例えば、パルス状の入射光２１がこのような円錐状の光電変換面１３に透過光強度が少なくなるように、適当に入射すると、（１）の部分で一部反射され、残りがガラスを透過して光電変換される。次に、（１）の部分で反射された光は、（２）の部分に入射し、同様に反射成分と透過成分に分かれていく。これが、（３）の部分、（４）の部分と繰り返され、最終的には、入射した光のほとんどが円錐状の光電変換面１３にて吸収され、光電子に変換されていく。
【００２３】
光電子は、第１の加速電極１４と第２の加速電極１５を介して、その軌道が曲げられて、光電子増倍部１６に垂直に入射する。そこで、電子増倍された後、読み出し電極１７により光電子電流出力１８として外部に取り出される。この際、光電変換面１３における光の多重反射の過程と、光電子の放出との電子の速度が有限であるために、（１）の部分からの光電子と、（４）の部分からの光電子の光電子増倍面に到達する時間が異なるために、入射した光パルスの形状とこれらの光と電子の飛行時間に起因した出力波形となって現れる。この際、円錐の形状と、加速電極の配置と形状、さらにこれらの電極に印加する電圧を最適化することにより、この出力電子波形が最も入射波形に近くなるように電子軌道を設計することが可能である。
【００２４】
図２ではビーム状の光入射を考慮しているが、実際には、広がった光の入射があるときには、これらの多重反射が各所で起こるので、さらに複雑な出力波形になる可能性があるが、これも、電子軌道解析により最適化が可能である。
【００２５】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００２６】
図２は本発明の第２実施例を示す光電子増倍装置の構成図である。
【００２７】
上記した第１実施例では、円錐状の窪みを付けたガラス面を用いているが、この実施例では、円錐状のガラス体３１を用いている。他の部分は図１と同様であるので、同じ番号を付してそれらの説明は省略する。
【００２８】
このような構造では、円錐体に予め光電変換面３２を作製してから、後でこれを電子レンズと光電子増倍部と検出部とからなる部分に取り付けるという手法をとることができる。さらに、この構造により、光電変換面３２と円錐状のガラス体３１の屈折率の違いのみにより反射の方向や反射率が決定されるので、第１実施例のような大気中の光の伝搬と反射の影響を考慮する必要がなくなるメリットが存在する。
【００２９】
さて、このような基本構造を有する本発明の光電子増倍装置の光検出効率について検討を加える。
【００３０】
まず、図３に示すような光電変換面（楔構造）に平行に光線が入射した場合についての光線の軌道と、その各反射点での反射角を示している。この図から明らかであるように、頂角２θの楔構造に平行に入射光４１が入射すると、反射点における反射光の軌道の平面に対する角度は、θ、２θ、４θ、６θとなっていることがその幾何学的考察から解かる。よって、その角度が９０度を越えると、その面以降の反射では入射方向に光が戻っていくこととなる。４２は光電変換面である。
【００３１】
このことから、光が多重反射の後に入射方向に戻るまでの最低の回数は、
２ｍθ＜９０°
で決まる。ここで、ｍは反射の回数に対応する。すなわち、最低１０回の多重反射を得ようとすると、円錐の頂角は、θ＝４．５°以下である必要がある。
【００３２】
よって、円錐状のガラスの頂角は、その倍の９度であることが必要条件になる。
【００３３】
このガラス面に光電変換面材料である、アルカリ金属類（マルチアルカリ、バイアルカリなど）や半導体材料（シリコン、ガリウム砒素など）を、蒸着成長または、塗布することで光電変換面を作製し、入射光の反射の度に光電変換面に吸収された分が光電子に変換され放出される。
【００３４】
次に、光電変換効率の違いにより、このような多重反射を用いることによって、高い光検出効率を得ることができることを示すために、変換効率と反射回数を変えたときの全体の光検出効率の変化を計算した。その結果を図４に示す。
【００３５】
図４は光増倍装置の多重反射に伴う光検出効率の計算を行ったものであり、横軸に反射回数、縦軸に全量子効率を示している。
【００３６】
この計算では、光電変換面での量子効率を２０、２５、５０％として、光電変換面で吸収されなかった分は全て反射するものと仮定した。よって、一回目の反射の時は、例えば２５％光電子に変換され、残りの７５％が反射され、次の面で、その２５％が変換され、残りが反射するというふうである。
【００３７】
この図から、１回あたりの量子効率が高ければ、全体の光検出効率は数少ない反射回数で、高い値を達成することができる。例えば、９０％光検出効率を達成するためには５０％の量子効率では４回、２０％では１０回、２５％では８回となっていることが分かる。通常の光電変換面（マルチアルカリ）では、最高の量子効率が２０％程度であるので、やはり１０回以上の反射を必要とする。
【００３８】
ところで、光電変換面の作製に当たり、二つの場合があり得る。すなわち、図１や図２に示したように、円錐の突起面側に変換材料を作る場合と、逆に、円錐の内面である窪みの方に変換材料を作る場合である。
【００３９】
図５は本発明の第３実施例を示すガラス体に形成される窪みの方に光電変換面を形成する光電子増倍装置の構成図、図６は図５のＡ部の拡大図である。
【００４０】
この実施例では、入射光５１は、一旦、鏡５２により反射されてから円錐状の光電変換面５３に入射する形を取っているが、さまざまな手法、例えば、電子軌道を操作することで光電子を曲げて、さらに、光電子増倍部（ダイノード又はマルチチャンネルプレート）５８をその軌道上のみに配置し、これにより移動して、空いた部分から直接円錐状の光電変換面５３に光を入射するなどが可能であるが、ここでは、その説明は省略する。なお、５６は第１の加速電極、５７は第２の加速電極、５９は読み出し電極、６０は光電子電流出力である。
【００４１】
このように、第３実施例（図５）では、光の入射方向と電子の出射方向が同じであるために、第１実施例（図１）や第２実施例（図２）と異なる構造になっている。このような実施例では、図６に示すような光電変換面５３の作製構造、つまり、ガラス基板５５に反射鏡５４を介して光電変換面５３を形成する構成をとることにより、光電変換面５３を透過する成分を反射させて、再び光電変換面５３にて吸収させることが可能となり、より現実的に高い効率を達成することができる構造となる。
【００４２】
次に、これらの実施例（構造）から発生する光電子の時間応答を考えてみると、図１と図５の光電子電流出力の時間波形として示したように、光の入射する位置と電子増倍部との幾何学的位置や、電子や入射光の飛行距離により、複雑な応答を見せることになる。
【００４３】
図３に示すような幾何学的配置と幾何光学を用いた計算により、円錐の頂角との入射光の位置が決まれば、その光線の軌道が自動的に決まり、計算できることになる。これは、第２実施例（図２）に示したような円錐体を用いても、その屈折率などの情報があれば同様に決定できる。第３実施例では、その計算を特に示さないが、容易に計算できることが分かる。それぞれの反射位置とその軌道から光の飛行距離が計算され、これから、光の各反射位置への到達時間を計算する。
【００４４】
次に、入射した光に対応して、光電子はほぼ一瞬にして光電面内に発生し、第１の加速電極５６と光電変換面５３の間に印加された電界により、真空中に放出される。
【００４５】
その後、その電界により加速され、最終的には光電子増倍部５８に到達することになる。その際の、電子の飛行時間は、電子軌道解析により決定される軌道の長さと、それを決定している電界や電極の配置により決定できる。
【００４６】
そこで、これらの光と電子の飛行時間を、それぞれのパラメータを変えることで整合させることができれば、例えばパルス光入射の場合でも、最も時間応答広がりの少ない円錐構造と電極配置とを決めることが可能である。
【００４７】
この詳細は、実際の電子軌道計算を行う必要があり、その妥当な構造は、現在決めることができていないが可能である。ただし、円錐の窪み側に光電変換面を付けた場合には、図５で示したような入射位置では、（１）の部分に時間的に早く光が到達し、それにより発生した電子も、いち早く光電子増倍部に到達することになる。
【００４８】
よって、その出力電流の波形は、図５に示すような形状になるものと予測が可能である。このような時間応答を避けるには、逆に、光を円錐の中心に入射させて、円錐の広がる方向光を反射させて取り出すようにすれば問題は解消する。
【００４９】
光電子増倍部であるが、その構造は、従来のダイノード構造やマイクロチャンネルプレートを用いることができるのは明らかである。ただし、それぞれの増倍部に必要な入射角度にて、光電子が入射できるように、第１と第２の加速電極を設計配置することが必要なのはいうまでもない。この軌道計算も、ここでは行っていないが、すでに実在する軌道計算ソフトを用いれば容易である。
【００５０】
最後に、上記のダイノード構造を有する電子増倍部を用いた例を図７に示す。図７において、７１は入射光、８１は第１ダイノード、７２は円錐状の光電変換面、７３は第１加速電極、８２〜８５は順次のダイノード、８６は光電子電流出力を示している。
【００５１】
ここでは、第１ダイノード８１の鏡面反射を用いて、入射光７１を円錐状の光電変換面７２に入射させた場合を示している。このような構造をうまく用いることにより、さまざまな応用例を考えることができる。ここでは、第１の加速電極７３を用いて光電子をより多く引き出すことを行っているが、第１ダイノード８１のみで電子を引き出す電界を印加することも可能である。
【００５２】
また、上記したダイノード構造に代えて、図６における光電子増倍部としてマイクロチャンネルプレートを用いるようにしてもよい。
【００５３】
上記した本発明の光電子増倍装置は、量子光学におけるスクイーズド状態の観測や、単一光子領域の計測に好適である。
【００５４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５６】
（１）請求項１記載の発明によれば、光電子増倍管の高い信号／ノイズ比の特性を活かして、より高い光検出効率を達成することができる。
【００５７】
特に、入射光を光電変換面との間で多重反射させて、光検出効率の大幅な向上を図ることができる。
【００５８】
（２）請求項２記載の発明によれば、簡単な構成により、高い光検出効率を達成することができる。
【００５９】
（３）請求項３記載の発明によれば、多重反射の回数を制御することにより、所望の高い光検出効率を得ることができる。
【００６０】
（４）請求項４記載の発明によれば、円錐状の突起（ガラス体）とその光電変換面との屈折率の違いのみにより反射の方向や反射率が決定されるので、大気中の光の伝搬と反射の影響を考慮する必要がなくなり、設計が容易である。
【００６１】
（５）請求項５記載の発明によれば、円錐状の窪みの表面に光電変換面を形成するようにしたので、簡単な構成で高い光検出効率を得ることができる。
【００６２】
（６）請求項６記載の発明によれば、光電変換面を透過した光を再度その光電変換面に反射吸収させることができ、より高い光検出効率を得ることができる。
【００６３】
（７）請求項７記載の発明によれば、多重の反射の回数を増加させ、より高い光検出効率を得ることができる。
【００６４】
（８）請求項８記載の発明によれば、入射光の効率の良い入射角度を選定することができる。
【００６５】
（９）請求項９記載の発明によれば、光電子をより多く引き出し、電子の増倍を起こさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光電子増倍装置の構成図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す光電子増倍装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例を示す光電変換面（楔構造）に平行に光線が入射した場合についての光線の軌道と、その各反射点での反射角を示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す変換効率と反射回数を変えたときの全体の光検出効率の変化を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例を示すガラス体に形成される窪みの方に光電変換面を形成する光電子増倍装置の構成図である。
【図６】図５のＡ部拡大図である。
【図７】第１ダイノードを入射光反射面として用いた光電子増倍装置の構成図である。
【図８】従来の光検出器の模式図である。
【符号の説明】
１１    ガラス体
１２    円錐状の窪み部
１３，３２，４２，５３，７２    光電変換面
１４，５６，７３    第１の加速電極
１５，５７    第２の加速電極
１６，５８    光電子増倍部
１７，５９    読み出し電極
１８，６０，８６    光電子電流出力
２１，４１，５１，７１    入射光
３１    円錐状のガラス体
５２    鏡
５４    反射鏡
５５    ガラス基板
８１    第１ダイノード
８２，８３，８４，８５    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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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