(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面板の内側に形成された光電面と、基台部を構成するステムと、前記ステムに固定された複数のステムピンとを有した電子管と、
前記電子管が内部に設置され、前記電子管の前記受光面板に対向する位置に入射窓が配置されるハウジングと、前記ハウジングの内部に設置されて前記電子管の前記光電面を冷却するペルチェ素子と、前記ペルチェ素子で発生した熱を放熱する放熱手段とを備えた電子管装置において、
前記ハウジングは、一方の端部に前記入射窓を有し他方の端部を開放端部とするケースと、前記ケースの前記開放端部側を封止するソケット部とから構成されて気密構造をなし、
前記電子管は、前記ステムピンを介して前記ソケット部に固定され、
前記ペルチェ素子は、前記電子管の前記受光面板側に吸熱部が位置し、前記ケースの前記一方の端部の内面側に放熱部が位置するように配置されて、前記ソケット部及び前記電子管による前記ケースへの押し付けによって保持されたことを特徴とする電子管装置。
【請求項２】
請求項１記載の前記電子管装置において、
前記ペルチェ素子は、中央に開口部を有する単一の素子であって、
前記開口部を介して前記ハウジングの前記入射窓が前記電子管の前記受光面板に対面するように配置されたことを特徴とする電子管装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の前記電子管装置において、
前記ソケット部は、前記電子管の前記ステムピンが接続・固定されるソケットピンと、前記ソケットピンが固定されるソケットと、前記ソケットピン及び前記ソケットが固定され前記ケースに接続・固定されるソケットホルダーとから構成されたことを特徴とする電子管装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項記載の前記電子管装置において、
前記ペルチェ素子の前記吸熱部は、吸熱側シートを介して前記受光面板に接合し、前記放熱部は、放熱側シートを介して前記ケースの前記一方の端部の内面に接合したことを特徴とする電子管装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項記載の前記電子管装置において、
前記電子管は、前記受光面板と前記ステムとの間に介在する金属側管と、内部に設置される電子増倍部とを有することを特徴とする電子管装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光に対応して光電面から電子が放出される電子管と、この電子管の光電面を冷却するためのペルチェ素子とを備えた電子管装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光電子増倍管は、外部から光が入射する受光面板を有し、受光面板の内部下面に形成された光電面において入射光を光電変換して電子を放出し、光電面より放出された電子を電子増倍部において二次電子放出により増倍し、増倍された二次電子流をアノード電極によって取り出して、入射光に対応した電気信号として出力する電子管である。
【０００３】
このような光電子増倍管においては、光電面は入射光がない場合においても熱電子を放出し、これら熱電子に起因する暗電流パルスを出力として生じる。このような暗電流パルスは、例えば室温で測定した場合、特に微弱光の測定において大きな問題となる。光電面による熱電子の放出を抑制し暗電流パルスを減少させるためには、光電面を冷却する冷却装置が必要である。熱電子の放出の抑制のための光電面の冷却の必要性は、光電子増倍管以外の電子管、例えばイメージ管においても同様である。なお、イメージ管とは、入射した光学像が光電面において光電変換によって光電子像に変換され、光電子像は電子レンズ系で加速・結像され、電子増倍部で増倍された後、蛍光面に入射して光学像として再生される電子管である。
【０００４】
従来一般の冷却手段においては、ハウジングの内部に光電子増倍管、冷却素子としてのペルチェ素子、及び冷却・放熱に必要な熱伝導装置等を設置し、光電面近傍の光電子増倍管の側壁外面とハウジングの側壁内面との間に、ペルチェ素子が光電子増倍管側を吸熱部、ハウジング側を放熱部として配置され、それによって光電面が冷却される。
【０００５】
このような装置において、冷却によって生じる温度差によって、ハウジングに設けられた入射窓面等に結露を生じるという問題がある。この問題を解決する手段としては、ヒータによる必要な部位への加温や、乾燥空気の吹き付けなどの方法があるが、これらの付加的装置を用いた場合には、それによって装置が複雑かつ大型化し、またコスト高となる。
【０００６】
付加的装置を用いずに結露の発生を防止した光電子増倍管の冷却手段としては、図４に示すような装置が知られている（特開平６−８８７４７号）。この装置では、光電子増倍管１０及びペルチェ素子３０などは、ボックス６２内に収容され、ボックス６２内の空間（図中の斜線領域）には、断熱材として発泡ウレタン６３が充填されている。冷却ブロック６１はペルチェ素子３０の吸熱部３０ａに接触しており、冷却ブロック６１を介して光電子増倍管１０の側面から光電面１２が冷却される。また、入射窓面２２ａはペルチェ素子３０の放熱部３０ｂに接触している放熱板３４からボックス６２を通じて、ペルチェ素子３０の放熱部３０ｂからの熱の一部によって加温され、これによって付加的装置を用いることなく結露の発生は防止される。
【０００７】
また、イメージ管に関して図５に示すような装置が知られている（特開平６−１０３９３９号）。このイメージ管装置においては、複数のペルチェ素子３０がイメージ管５０の受光面板５１の周縁部に配置され、ペルチェ素子３０の放熱部３０ｂはハウジング２０の入射窓２２の周縁部に固定されるとともに、ペルチェ素子３０の吸熱部３０ａはイメージ管５０の光電面５２の近傍に固定される。これによって、光電面５２の冷却と入射窓面２２ａ及びハウジング出射窓５６での結露の発生防止を効率良く行うことができる。また、この冷却手段においては、イメージ管５０はハウジング２０内の真空中でペルチェ素子３０のみによって保持されるので、外部からの熱的影響を最小限に抑えることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記二つの従来技術は共に、光電面を冷却し、かつ、付加的装置を用いることなく入射窓面等への結露を防止することができる。しかしながら、図４に示された光電子増倍管装置では、ペルチェ素子３０が側壁面に配置されているため、光電面１２の冷却及び入射窓面２２ａの加温の効率の点で問題がある。
【０００９】
一方、図５に示されたイメージ管装置では、複数のペルチェ素子３０を固定しているためその組立が複雑になり、部品個数が多くなって組立時の作業性が低下する。また、例えば光電子増倍管はその基台部を構成するステムに、光電子増倍管の内部に設置された各電極に所定の電圧を印加し、或いは、光電子増倍管からの信号を取り出すための複数のステムピンを有し、そのため、ステムピンを有しないイメージ管に関する上記イメージ管装置とは違った形態の冷却装置が必要である。ステムピンを有する型のイメージ管等の電子管についても同様である。
【００１０】
本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、光電子増倍管のような複数のステムピンを有する電子管において、冷却装置の効率化と小型化を実現し、それによる部品個数の減少によって組立時の作業性を向上する電子管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】
このような目的を達成するために、本発明による請求項１に記載の電子管装置は、受光面板の内側に形成された光電面と、基台部を構成するステムと、ステムに固定された複数のステムピンとを有した電子管と、電子管が内部に設置され、電子管の受光面板に対向する位置に入射窓が配置されるハウジングと、ハウジングの内部に設置されて電子管の光電面を冷却するペルチェ素子と、ペルチェ素子で発生した熱を放熱する放熱手段とを備えた電子管装置において、ハウジングは、一方の端部に入射窓を有し他方の端部を開放端部とするケースと、ケースの開放端部側を封止するソケット部とから構成されて気密構造をなし、電子管は、ステムピンを介してソケット部に固定され、ペルチェ素子は、電子管の受光面板側に吸熱部が位置し、ケースの一方の端部の内面側に放熱部が位置するように配置されて、ソケット部及び電子管によるケースへの押し付けによって保持されたことを特徴とする。
【００１２】
このような電子管装置においては、ペルチェ素子の吸熱部が電子管の受光面板近傍に位置して受光面板に熱的に接触し、放熱部がハウジングのケースの入射窓を有する端部の内面近傍に位置してケースに熱的に接触するようにペルチェ素子を配置することにより、電子管の光電面を効率良く冷却し、かつハウジングの入射窓面における結露の発生を防止することができる。
【００１３】
また、電子管のステムピンが固定され外部の電圧端子等と接続されるソケット部が、同時にハウジングの一部を構成し、またペルチェ素子の保持をソケット部及び電子管を介したケースへの押し付けのみによって行うことにより、装置の構造が簡略化して部品個数が減少し、組立時の作業性の向上と装置の小型化及び低価格化を実現できる。また、ハウジングに対する電子管の保持をステムピンのソケット部への固定によって行っていることにより、電子管とハウジングとの接触による外部からの熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の電子管装置は、請求項１記載の電子管装置において、ペルチェ素子は、中央に開口部を有する単一の素子であって、開口部を介してハウジングの入射窓が電子管の受光面板に対面するように配置されたことを特徴とする。
【００１５】
このように、ペルチェ素子を単一の素子とすることによって、ペルチェ素子の押し付けによる保持・組立方法をより簡略化することができ、また、受光面板付近のペルチェ素子の保持構造に起因する電気的ノイズの発生を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の電子管装置は、請求項１または２記載の電子管装置において、ソケット部は、電子管のステムピンが接続・固定されるソケットピンと、ソケットピンが固定されるソケットと、ソケットピン及びソケットが固定されケースに接続・固定されるソケットホルダーとから構成されたことを特徴とする。
【００１７】
このように、ソケット部をソケットとソケットホルダーとに分けることにより、既存の電子管のソケットを利用することができ、これによって従来知られた型式の電子管への本発明の適用を容易にすることができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の電子管装置は、請求項１〜３のいずれか一項記載の電子管装置において、ペルチェ素子の吸熱部は、吸熱側シートを介して受光面板に接合し、放熱部は、放熱側シートを介してケースの一方の端部の内面に接合したことを特徴とする。
【００１９】
ペルチェ素子の接合に、さらに、熱伝導性の良いシート部品を用いることにより、ケース、ペルチェ素子及び受光面板の接合部位の表面の凹凸をシート部品によって吸収し、熱伝導の効率を良くすることができる。
【００２０】
また、請求項５に記載の電子管装置は、請求項１〜４のいずれか一項記載の電子管装置において、電子管は、受光面板とステムとの間に介在する金属側管と、内部に設置される電子増倍部とを有することを特徴とする。
【００２１】
このような電子管による電子管装置においては、熱伝導性の良い金属製の側管を有する光電子増倍管などの電子管を用いることによって、電子管全体の温度が安定するまでの時間を短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による電子管装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１に本発明に係る電子管装置の、光電子増倍管装置における実施形態の構成の断面図を示す。また、図２は図１に示した光電子増倍管装置について破断し、ファンを除く各部分を展開して示す斜視図である。図中、符号１０は光電子増倍管を表している。光電子増倍管１０の外面は、入射光を受ける円形の受光面板１１と、円筒形の金属側管１３と、基台部となる円形のステム１４とから構成される。受光面板１１の内側には光電面１２が形成されている。ステム１４には、複数のステムピン１５が固定されている。
【００２４】
ハウジング２０は、熱伝導性の良い金属製、好ましくはアルミニウム製のケース２１と、電気絶縁性が良くかつ断熱性の良い合成樹脂製のソケット部２３とから構成される。
【００２５】
ケース２１の外形は直方体形であり、内部に円筒形の空洞が形成されている。この空洞部分は、収容部２１ａとソケット固定部２１ｂとから構成され、収容部２１ａの内径は、ソケット固定部２１ｂの内径に対して小さく形成されている。ケース２１の一方の端部（図１及び２においては左側）には、中央にケース内部の収容部２１ａよりも内径の小さい円形の入射開口部２１ｃが設けられ、他方の端部（図１及び２においては右側）は開放端部２１ｄとされる。入射開口部２１ｃの外側に形成された入射窓固定部２１ｅには入射光を透過する入射窓２２、好ましくはガラス製の入射窓２２、が取り付けられる。光電子増倍管１０は、ケース２１内の収容部２１ａに収容され、入射窓２２が光電子増倍管１０の受光面板１１に対向するように配置される。また、熱伝導性の良いケース２１は放熱板の機能をも有しており、ケース２１の一方の外側面には、空冷のためのファン３３が取り付けられる。
【００２６】
ソケット部２３は、ソケット２３ａと、ソケット２３ａに貫通・固定されている複数のソケットピン２３ｂと、ソケットホルダー２３ｃとから構成される。ソケットホルダー２３ｃにはソケットピン２３ｂが貫通・固定され、したがってソケット２３ａ及びソケットホルダー２３ｃはソケットピン２３ｂを介して固定される。光電子増倍管１０の各ステムピン１５は対応するソケットピン２３ｂに接続・固定され、ソケットピン２３ｂを介して外部の電圧端子或いは信号の読み出し線に接続される。
【００２７】
ハウジング２０の開放端部２１ｄ側を封止するソケット部２３は、ケース２１の開放端部２１ｄから挿入され、ケース２１の収容部２１ａ及びソケット固定部２１ｂの境界のネジ穴が設けられた段差２１ｆに固定される。これによってソケット部２３に固定された光電子増倍管１０は、ハウジング２０に対して固定され保持される。
【００２８】
ケース２１と入射窓２２との間は接着によって固定され、ケース２１とソケット部２３との間は固定用リング２４を介して保持用ネジ２５によって固定される。固定用リング２４はシリコーンゴム製で気密のためのシールとしての機能も有しており、したがって、ハウジング２０は気密構造をなしている。ハウジング２０の内部には乾燥ガス、好ましくは断熱性が良く取り扱いが安全なキセノンガス、が封入され、それによって光電子増倍管１０への外部からの熱的影響を最小限に抑え、また、光電子増倍管１０の金属側管１３あるいはステム１４等における結露の発生が防止される。
【００２９】
以上のような光電子増倍管１０、ケース２１、入射窓２２及びソケット部２３の構成において、ハウジング２０の入射窓２２を通して光電子増倍管１０の受光面板１１に光が入射すると、受光面板１１の内側の光電面１２から光電変換によって電子が放出され、その電子は光電子増倍管１０内に設置された電子増倍部において増倍されて、アノード電極によって電気信号として取り出される。この電気信号は、光電子増倍管１０の所定のステムピン１５及びこれに接続されたソケットピン２３ｂを経て出力される。
【００３０】
冷却のためのペルチェ素子３０は中央に開口部を有する単一の素子で、その開口部が受光面板１１と対向する位置になるようにハウジング２０内部において光電子増倍管１０及びケース２１の間に配置され、吸熱部３０ａが受光面板１１の周縁部に位置し、放熱部３０ｂがケース２１内側のペルチェ素子保持部２１ｇに位置するように配置される。これにより、吸熱部３０ａによって光電面１２が冷却され、放熱部３０ｂによって入射窓面２２ａが加温される。
【００３１】
ペルチェ素子３０はハウジング２０内部において、保持用ネジ２５によるソケット部２３及び光電子増倍管１０を介したケース２１への押し付けによって保持される。このとき、固定用リング２４は押し付けの圧力を緩衝・調節させる機能を果たす。
【００３２】
このように、開口部を有した単一のペルチェ素子３０を用い、また、ペルチェ素子３０の保持を押し付けのみによって行い、光電子増倍管１０をステムピン１５のソケット部２３への固定のみによって固定する構造を用いることによって、部品個数が大幅に減少し、組立時の作業性が向上する。それによって、装置の小型化及び低価格化を実現することができる。
【００３３】
また、このような保持構造において、ペルチェ素子３０の吸熱部３０ａは光電子増倍管１０の受光面板１１の周縁部に対して吸熱側シート３１によって接合され、放熱部３０ｂはケース２１内側のペルチェ素子保持部２１ｇに対して放熱側シート３２によって接合される。これら吸熱側シート３１及び放熱側シート３２には熱伝導性の良いシート部品が用いられ、それらを保持用ネジ２５によって押し付けることによって、ペルチェ素子保持部２１ｇ、ペルチェ素子３０及び受光面板１１の外面部の表面の凹凸が吸収される。これによってより効率良く熱を伝導させることができ、光電面の冷却を開始してから光電子増倍管が使用可能な安定した温度状態になるまでの時間を、短縮することができる。
【００３４】
吸熱側シート３１については、好ましくは電気伝導性の良いシート部品、より好ましくはアルミニウムを主成分とするシート部品、が用いられ、光電面１２と同電位である金属側管１３に接触している。これによって、吸熱側シート３１が配置されている受光面板１１の外面と、光電面１２が形成されている受光面板１１の内面とを同電位に保持することができ、受光面板１１近傍において生じる電気的ノイズを抑制することができる。一方、放熱側シート３２については、好ましくは電気絶縁性の良いシート部品が用いられる。これによって、光電子増倍管から外部へのリーク電流等を抑制することができる。
【００３５】
図３は、上記の実施形態によって示された構成を有する実施例による光電子増倍管の光電面及びハウジングのケースの温度変化を示している。なお、本実施例においては光電面としてＧａＡｓの半導体光電面を用いている。ＧａＡｓなどの半導体光電面はＳｂ−アルカリやバイアルカリなどの光電面に比べて暗電流が多く、特に冷却が有効な光電面である。光電面の温度は冷却開始の５分後にはおよそ３℃まで冷却され、光電子増倍管を測定に使用することが可能な安定した温度状態となる。これは、従来の光電子増倍管冷却装置において、使用可能な温度状態になるまでに２時間程度を要していたのに比べて、非常に早い。また、ケースの温度もファンによる空冷によって、３０℃程度までの上昇に抑えられている。このとき光電子増倍管の暗電流パルス数を冷却による温度変化以外の条件を一定に保って測定した結果、冷却前には毎秒７４５５カウントであったのに対して、冷却後には毎秒５８カウントと大幅な暗電流パルス数の低減が実現されている。
【００３６】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、種々の形態によって光電子増倍管やイメージ管などの電子管に対して適用することが可能である。
【００３７】
上記実施形態においてはソケット部をケース内面の段差に固定しているが、例えばケースの開放端部に直接固定するか、もしくはケースの側壁内面に固定するなど、様々な形状のケース及びソケット、またその固定方法が可能である。ソケット部自体についても、ソケット及びソケットホルダーに分割せずに一体に形成しても良い。
【００３８】
ペルチェ素子の保持方法については、電子管の受光面板の周縁部にペルチェ素子の保持に充分な領域がない場合には、周縁部に熱伝導性の良いフランジ、例えば金属製のフランジ、を補助的に設置し、そのフランジによってペルチェ素子の受光面板への接触とケースへの押し付けを行っても良い。また、接合にシート部品を用いず、直接接合しても良い。
【００３９】
本発明をＸ線検出用の光電子増倍管に用いる場合などには、入射窓はガラス製に限らず、例えばＸ線の透過率の良いベリリウム製とすることも可能である。また、上記実施形態においてはハウジング中に乾燥ガスを封入したが、真空にしても良い。
【００４０】
ペルチェ素子の放熱手段については、上記実施形態ではファンによる空冷によっているが、光電子増倍管装置の使用の状態等によって、水冷など他の放熱手段を用いることも可能である。また、光電面の温度を特に一定に維持することが必要な場合には、光電面の温度を検出してその検出値に基づいてペルチェ素子を制御するようなコントロール装置を付設することによって、光電面の温度を制御することができる。
【００４１】
また例えば、アノードとしてアバランシェフォトダイオードを用いた光電子増倍管（ＨＰＤ）は側管が金属製でなくセラミック製であるが、このようなセラミック側管を有する光電子増倍管など、金属製以外の側管を有する光電子増倍管に対しても同様な作用効果が得られる。
【００４２】
また、蛍光面として電子打ち込み型ＣＣＤ（ＥＢ−ＣＣＤ）を用いたイメージ管は、光電子増倍管と同様に底面にステムピンを有しており、したがって本発明による冷却装置の構造を適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明による電子管装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、ペルチェ素子の吸熱部が電子管の受光面板に熱的に接触し、ペルチェ素子の放熱部がハウジングのケースの入射窓を有する端部の内面に熱的に接触することによって、電子管の光電面を効率良く冷却し、かつ付加的装置を用いることなくハウジングの入射窓面における結露の発生を防止する電子管の冷却装置が実現できる。
【００４４】
また、電子管のステムピンが固定されるソケット部によってハウジングの一部を構成し、ペルチェ素子をソケット部及び電子管によるケースへの押し付けにより保持することによって、装置の構造が簡略化して部品個数が減少し、組立時の作業性の向上と装置の小型化及び低価格化を実現できる。特にペルチェ素子として中央に開口部を有する単一の素子を用いることにより、保持・組立方法をより簡略化できる。また、ソケット部をソケットとソケットホルダーとに分けることにより、既存のソケットを利用し、本発明を容易に既存の電子管に適用できる。
【００４５】
さらに、ハウジングに対する電子管の保持をステムピンのソケット部への固定のみで行うことにより、電子管とハウジングとの接触による外部からの熱的影響を最小限に抑え、また、ペルチェ素子の接合に熱伝導性の良いシート部品を用いることにより、より効率良い光電面の冷却を実現できる。また、金属側管を有する電子管を用いることにより、温度が安定するまでの時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子管装置の光電子増倍管装置における実施形態の構成の断面図である。
【図２】図１に示した光電子増倍管装置について破断しファンを除く各部分を展開して示す斜視図である。
【図３】実施例における光電面及びケースの経時温度変化を示すグラフである。
【図４】従来例に係る光電子増倍管装置の断面図である。
【図５】従来例に係るイメージ管装置の断面図である。
【符号の説明】
１０…光電子増倍管、１１…受光面板、１２…光電面、１３…金属側管、１４…ステム、１５…ステムピン、１６…ソケット、１７…電線、
２０…ハウジング、
２１…ケース、２１ａ…収容部、２１ｂ…ソケット固定部、２１ｃ…入射開口部、２１ｄ…開放端部、２１ｅ…入射窓固定部、２１ｆ…段差、２１ｇ…ペルチェ素子保持部、
２２…入射窓、２２ａ…入射窓面、
２３…ソケット部、２３ａ…ソケット、２３ｂ…ソケットピン、２３ｃ…ソケットホルダー、２４…固定用リング、２５…保持用ネジ、
３０…ペルチェ素子、３０ａ…吸熱部、３０ｂ…放熱部、３１吸熱側シート、３２…放熱側シート、３３…ファン、３４…放熱板、３５…放熱フィン、
５０…イメージ管、５１…受光面板、５２…光電面、５３…出射窓、５４…カップ状本体、５５…端板、５６…ハウジング出射窓、５７…フランジ、５８…環状銅板、５９…電極、６０…リード線、６１…冷却ブロック、６２…ボックス、６３…発泡ウレタン、６４…気密封止
【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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