(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、
所定方向に並んで形成された複数の電子増倍孔を有する板状のダイノードが複数段に積層されて成り、第１段目の前記ダイノードが前記光電陰極に対向して配置されており、前記光電陰極から放出された前記電子を増倍する電子増倍部と、
増倍された前記電子を収集する陽極と、
前記光電陰極と前記第１段目のダイノードとの間に配置され、前記光電陰極から放出された前記電子を前記第１段目のダイノードの前記電子増倍孔へ向けて集束する集束電極と
を備え、
前記集束電極が、
前記複数の電子増倍孔に対応する間隔をあけて前記所定方向に並んで配置されて前記電子を集束する複数の電極線から成る集束部と、
前記集束部の周囲に設けられて前記電極線を支持するフレーム部と
を有し、
前記所定方向において前記集束部の両脇に位置する前記フレーム部の一対の部分が、前記光電陰極側から見て前記第１段目のダイノードと重ならないように配置されていることを特徴とする、光電子増倍管。
【請求項２】
前記集束電極の前記フレーム部が、前記集束部よりも厚く形成されており、
前記集束部が、前記フレーム部における前記光電陰極側の端面寄りに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光電子増倍管。
【請求項３】
前記フレーム部の前記一対の部分のそれぞれと前記集束部との間隔が、前記複数の電極線同士の間隔よりも広いことを特徴とする、請求項１または２に記載の光電子増倍管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光電子増倍管の一例として、特許文献１に開示されたものがある。この光電子増倍管は、受光面板と、受光面板の内側に形成された光電面とを備える。また、この光電子増倍管は、複数段にわたって積層された平板状のダイノードからなる電子増倍部を、光電面と対向する位置に備える。各ダイノードは、電子を増倍するための複数の電子増倍孔を有する。電子増倍部の後段には、電子増倍部からの電子を収集するための陽極が設けられている。光電面と電子増倍部との間には、平板状の集束電極が配置されている。集束電極は、複数のスリット状のチャンネル開口部からなる集束部と、集束部の周囲に配置されたフレーム部とを有する。
【０００３】
また、他の光電子増倍管の例としては、特許文献２に記載されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２０５１１
【特許文献２】特開２０００−３６９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば光ＣＴといった技術分野においては、数ピコ秒程度の極短パルス光を生体に照射し、生体内で散乱して再び生体表面に現れた微弱な光を検出する。このような極短時間且つ微弱な光量変化を検出するためには、数ピコ秒程度の時間分解能を実現できる光電子増倍管が好適に用いられる。そして、より高速且つ高精度に光を検出するために、光電子増倍管における応答速度や光電変換効率の向上が求められている。
【０００６】
光電子増倍管の応答速度を高めるためには、第１段目のダイノードの電圧配分を高めることが効果的である。また、光電子増倍管の光電変換効率を高めるためには、光電陰極から放出された電子を収集する効率を高めることが効果的であり、例えば集束電極においてチャンネル開口部の境界となる電極線を細くすることで電子の収集効率を高めることができる。しかし、従来の光電子増倍管では、第１段目のダイノードの電圧配分を高めると、フレーム部を通じて集束部付近の電界（電子レンズ）を歪めてしまうおそれがある。そして、この傾向は、集束電極の電極線を細くすることにより、さらに顕著となる。
【０００７】
本発明は、応答速度および光電変換効率を向上できる光電子増倍管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による光電子増倍管は、入射した光を光電変換して電子を放出する光電陰極と、所定方向に並んで形成された複数の電子増倍孔を有する板状のダイノードが複数段に積層されて成り、第１段目のダイノードが光電陰極に対向して配置されており、光電陰極から放出された電子を増倍する電子増倍部と、増倍された電子を収集する陽極と、光電陰極と第１段目のダイノードとの間に配置され、光電陰極から放出された電子を第１段目のダイノードの電子増倍孔へ向けて集束する集束電極とを備え、集束電極が、複数の電子増倍孔に対応する間隔をあけて所定方向に並んで配置されて電子を集束する複数の電極線から成る集束部と、集束部の周囲に設けられて電極線を支持するフレーム部とを有し、所定方向において集束部の両脇に位置するフレーム部の一対の部分が、光電陰極側から見て第１段目のダイノードと重ならないように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
上記した光電子増倍管においては、所定方向において集束部の両脇に位置するフレーム部の一対の部分が、光電陰極側から見て第１段目のダイノードと重ならないように配置されている。これにより、フレーム部と第１段目のダイノードとの距離を十分に確保できるとともに、フレーム部と集束部との距離も十分に確保できるので、第１段目のダイノード電圧による集束部の電子レンズへの影響を低減できる。従って、上記した光電子増倍管によれば、第１段目のダイノードの電圧配分を高め、且つ集束電極の電極線を従来より細くすることが可能となるので、応答速度および光電変換効率を向上できる。
【００１０】
また、光電子増倍管は、集束電極のフレーム部が、集束部よりも厚く形成されており、集束部が、フレーム部における光電陰極側の端面寄りに配置されていることを特徴としてもよい。このように、集束電極のフレーム部が集束部よりも厚く形成されていることにより、電子の収集効率を高めるために集束部の電極線を細くしても集束電極の機械的強度を好適に維持できる。また、集束部の電極線を細くすると電子レンズの焦点距離が長くなるが、この光電子増倍管によれば、フレーム部における光電陰極側の端面寄りに集束部が配置されているので、焦点距離が長くなることによる光電子増倍管の外形寸法への影響を抑えることができる。
【００１１】
また、光電子増倍管は、フレーム部の一対の部分のそれぞれと集束部との間隔が、複数の電極線同士の間隔よりも広いことを特徴としてもよい。これにより、第１段目のダイノード電圧による集束部の電子レンズへの影響を更に低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による光電子増倍管によれば、応答速度および光電変換効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明による光電子増倍管の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す側面断面図である。また、図２は、図１において受光面板１１を省略した場合の光電子増倍管１の平面図である。なお、図１は、図２に示す光電子増倍管１のＩ−Ｉ断面を示している。また、各図には説明の便宜の為にＸＹＺ直交座標系が示されている。
【００１５】
この光電子増倍管１は、真空容器１０の内部に複数段ダイノードからなる電子増倍部２４を配設して構成されている。真空容器１０は、入射光を受ける円形の受光面板１１と、受光面板１１の外周部に配設される円筒形の金属側管１２と、基台部を構成する円板状のステム１３とによって構成されている。
【００１６】
受光面板１１は、光電子増倍管１に入射した光を取り入れるための窓部材である。受光面板１１は、真空容器１０の外側に位置して入射光を受ける光入射面１１ａと、真空容器１０の内側に位置する内面１１ｂとを有する。図１においては、受光面板１１の光入射面１１ａ及び内面１１ｂは共にＸＹ平面と平行に設けられている。受光面板１１の内面１１ｂには、ＧａＡｓといった半導体からなる光電陰極２０が形成されており、電位０Ｖに保持されている。この光電陰極２０の組立時における熱的損傷を防ぐために、受光面板１１及び金属側管１２はインジウムシール１４によるコールドシールによって接合され、その外側は保持リング１４ａによって保持されている。
【００１７】
電子増倍部２４は、光電陰極２０から放出された光電子を二次電子増倍するための部材である。電子増倍部２４は、方形の平板状の金属部材に複数の電子増倍孔２８が形成され、電子増倍孔２８の内壁に二次電子放出面が形成されたメタルチャンネル型のダイノード２５をＺ軸方向に複数段積層して構成されている。複数の電子増倍孔２８は、それぞれＹ軸方向に沿って延びており、Ｘ軸方向（所定方向）に並んでスリット状に配列されている（図２参照）。複数段のダイノード２５のうち、最上部（Ｚ軸正方向における最端部）に位置する第１段目のダイノード２５ａは、光電陰極２０に対向して配置されている。また、複数段のダイノード２５の下方（Ｚ軸負方向）には、アノード電極２６及び最終段ダイノード２７（ともに図１参照）が順に配設されている。
【００１８】
光電陰極２０と第１段ダイノード２５ａとの間には、集束電極２１が配設されている。ここで、図３は、本実施形態の集束電極２１の構成を示す斜視図である。また、図４（ａ）は、図３のII−II断面における集束電極２１の周辺構造を示す側面断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ部分の拡大図である。図３及び図４を参照すると、集束電極２１は、光電子を集束するための集束部２３と、集束部２３の周囲に設けられたフレーム部２２とを有する。集束部２３は、Ｙ軸方向に沿って延びる複数の電極線２３ａからなる。複数の電極線２３ａは、第１段ダイノード２５ａの複数の電子増倍孔２８に対応する間隔ｄ２をあけてＸ軸方向に並んで配置されている。複数の電極線２３ａによって、集束部２３にはスリット状に配列・形成された複数のチャンネル開口部２３ｂが形成される。複数のチャンネル開口部２３ｂは、第１段目のダイノード２５ａの複数の電子増倍孔２８（図４参照）にそれぞれ対応している。
【００１９】
フレーム部２２は、集束部２３を囲むように方形状に形成されており、Ｘ軸方向に延びる二辺によって各電極線２３ａの両端を支持している。また、フレーム部２２は、集束部２３の各電極線２３ａよりも厚く（Ｚ軸方向の外形寸法が大きく）形成されている。そして、集束部２３（各電極線２３ａ）は、フレーム部２２の枠内において、光電陰極２０側の端面（上面）２２ｅ寄りに配設されている。
【００２０】
また、フレーム部２２は、Ｘ軸方向において集束部２３の両脇に位置する一対の部分２２ａ及び２２ｂを有する。この一対の部分２２ａ及び２２ｂは、方形状のフレーム部２２においてＹ軸方向に延びる二辺を構成している。一対の部分２２ａ，２２ｂの側面２２ｃ，２２ｄと、集束部２３の両端に位置する電極線２３ａとの間隔ｄ１は、複数の電極線２３ａ同士の間隔（すなわちチャンネル開口部２３ｂの開口幅）ｄ２よりも広く設けられている。また、一対の部分２２ａ及び２２ｂは、光電陰極２０側から見て第１段ダイノード２５ａと重ならないように（すなわち、一対の部分２２ａ，２２ｂの側面２２ｃ，２２ｄからＺ軸下方へ延びる仮想面Ｂが第１段ダイノード２５ａの外側面よりも外側に位置するように）配設されている。
【００２１】
なお、本実施形態の集束電極２１及び電子増倍部２４の実施例は、例えば以下のとおりである。
フレーム部２２の厚さ：０．３［ｍｍ］
電極線２３ａの線幅：０．０３［ｍｍ］
間隔ｄ１：１．１［ｍｍ］
間隔ｄ２：１．０［ｍｍ］
第１段ダイノード２５ａの電圧値：２００．０［Ｖ］
【００２２】
再び図１、図２を参照する。集束電極２１は、光電陰極２０と同電位に保持されている。従って、光電陰極２０から放出された光電子は、集束部２３の電極線２３ａが形成する電界（電子レンズ）によって軌道を集束され、第１段ダイノード２５ａの電子増倍孔２８へ入射する。
【００２３】
ここで、本実施形態の光電子増倍管１によって得られる効果について説明する。図５〜図７は、本実施形態の光電子増倍管１の効果を説明するために、光電子増倍管１の創出過程を示す図である。なお、これらの図面は説明上において必要と思われる部位のみを簡略化して記載している。
【００２４】
ここで、本実施形態の光電子増倍管１によって得られる効果について説明する。図５〜図７は、本実施形態の光電子増倍管１の効果を説明するために、光電子増倍管１の創出過程を示す図である。なお、これらの図面は説明上において必要と思われる部位のみを簡略化して記載している。
【００２５】
図５（ａ）は、従来の光電子増倍管における集束電極付近の構造を示す断面図である。なお、図５（ａ）には、真空容器１１０、光電陰極１２０、第１段ダイノード１２５ａ、及び、光電陰極１２０と第１段ダイノード１２５ａとの間に配設された集束電極１２１が図示されている。集束電極１２１は、複数の電極線１２３ａとフレーム部１２２とを有する。フレーム部１２２の内側の側面１２２ｃは、第１段ダイノード１２５ａの両端の電子増倍孔１２８に対応して配置されており、電極線１２３ａとともにチャンネル開口部１２３ｂの一部を構成している。
【００２６】
この構成の光電子増倍管において、電極線１２３ａ同士の間隔（チャンネル開口幅）ｄ４に対して電極線１２３ａの幅ｄ３が比較的広いと、集束電極１２１の開口率（＝ｄ４／（ｄ３＋ｄ４））が低く抑えられてしまう。従って、本発明者らは、図５（ｂ）に示すように、電極線１２３ａの幅ｄ３を細くすることにより集束電極１２１ａの開口率をより大きくした。これにより、集束電極１２１ａの開口率は大きく改善され、光電陰極１２０から第１段ダイノード１２５ａへの光電子の収集効率が向上した。しかし、電極線１２３ａを細くしたことによって集束電極１２１ａの電界（電子レンズ）の曲率が小さくなり、光電子が収束する際の焦点距離が伸びてしまう。この焦点距離と集束部と第１段ダイノード１２５ａとの距離との関係が適切でないと、光電子の収集効率を低下させる要因となる。
【００２７】
そこで、本発明者らは、光電子が収束する際の焦点距離に応じて、図６（ａ）に示すように、集束電極１２１ｂの各電極線１２３ａを第１段ダイノード１２５ａから遠ざけた。つまり、各電極線１２３ａをフレーム部１２２における光電陰極１２０側の端面１２２ｂ寄りに配設した。これにより、光電子の収集効率が向上するとともに、集束電極１２１ｂ自体を第１段ダイノード１２５ａから遠ざけることなく、各電極線１２３ａを第１段ダイノード１２５ａから遠ざけることにより光電子増倍管の外形寸法への影響を抑えることに成功した。
【００２８】
しかし、電極線１２３ａを第１段ダイノード１２５ａから遠ざけて焦点距離を調整したことにより、次の新たな問題点が浮上した。フレーム部１２２は各電極線１２３ａよりも厚く形成されている為、両端に位置する電極線１２３ａとフレーム部１２２とによる焦点距離と、電極線１２３ａ同士による焦点距離とではその長さが異なる。そして、各電極線１２３ａを細くすることにより、そのような焦点距離の違いが更に顕著となってしまう。
【００２９】
そこで、本発明者らは、図６（ｂ）に示すように、フレーム部１２２の内径を拡大し、電極線１２３ａを追加することにより、集束電極１２１ｃにおけるフレーム部１２２に沿った領域にダミー開口部１２３ｃを設けた。これにより、電極線１２３ａからなる集束部からフレーム部１２２を遠ざけ、各電極線１２３ａ間の焦点距離を均一に近づけることを試みた。しかし、図６（ｂ）のように、電極線１２３ａ同士によるチャンネル開口部１２３ｂの開口幅よりもダミー開口部１２３ｃの開口幅が小さいと、フレーム部１２２が電極線１２３ａに近く、焦点距離が十分に均一とはならないことがわかった。また、フレーム部１２２と第１段ダイノード１２５ａとの距離が近いと、第１段ダイノード１２５ａのダイノード電圧がフレーム部１２２を介してチャンネル開口部１２３ｂの焦点距離に影響してしまう。
【００３０】
本発明者らは、この問題点を解決するため、図７に示す集束電極１２１ｄのように、電極線１２３ａからなる集束部の両脇に位置するフレーム部１２２の一対の部分１２２ａ，１２２ｂを、光電陰極１２０側から見て第１段ダイノード１２５ａと重ならないように配置した。この集束電極１２１ｄの形状が、すなわち図１〜図４に示した集束電極２１の形状である。この構成により、電極線１２３ａ同士による、電子増倍孔２８に対応するチャンネル開口部１２３ｂの開口幅よりもダミー開口部１２３ｃの開口幅を広くすることができるので、フレーム部１２２（すなわち図３のフレーム部２２）と集束部（電極線１２３ａ、図３に示す電極線２３ａ）との距離を十分に確保でき、フレーム部１２２（２２）による電極線１２３ａ（２３ａ）間の電界（電子レンズ）への影響を十分に低減できる。また、フレーム部１２２（２２）と第１段ダイノード１２５ａ（２５ａ）との距離も十分に確保できるので、第１段ダイノード１２５ａ（２５ａ）のダイノード電圧による影響を低減でき、第１段ダイノード１２５ａ（２５ａ）のダイノード電圧を高めることが可能となる。
【００３１】
以上に説明したように、本実施形態による光電子増倍管１によれば、第１段ダイノード２５ａの電圧配分を高め、且つ集束電極２１の電極線２３ａを従来より細くすることが可能となるので、応答速度および光電変換効率を向上できる。
【００３２】
また、本実施形態のように、フレーム部２２は集束部２３よりも厚く形成されていることが好ましい。これにより、光電子の収集効率を高めるために集束部２３の電極線２３ａを細くしても集束電極２１の機械的強度を好適に維持できる。
【００３３】
本発明による光電子増倍管は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではスリット状の開口を有する集束電極に本発明を適用しているが、本発明は例えばマトリクス状の開口を有する集束電極についても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した光電子増倍管のうち受光面板を省略した場合の光電子増倍管の平面図である。
【図３】集束電極の構成例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）図３のII−II断面における集束電極の周辺構造を示す側面断面図である。（ｂ）（ａ）におけるＡ部分の拡大図である。
【図５】（ａ），（ｂ）光電子増倍管の創出過程を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）光電子増倍管の創出過程を示す図である。
【図７】光電子増倍管の創出過程を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…光電子増倍管、１０…真空容器、１１…受光面板、１１ａ…光入射面、１１ｂ…内面、１２…金属側管、１３…ステム、１４…インジウムシール、１４ａ…保持リング、１７…ピン、１８…ハーメチックガラス、２０…光電陰極、２１…集束電極、２２…フレーム部、２３…集束部、２３ａ…電極線、２３ｂ…チャンネル開口部、２４…電子増倍部、２５…ダイノード、２５ａ…第１段ダイノード、２６…アノード電極、２７…最終段ダイノード、２８…電子増倍孔。
【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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