JP2008098173A - 光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

【課題】応答時間特性の大幅な改善を大量生産可能な構造で実現する光電子増倍管を提供する。
【解決手段】当該光電子増倍管は、密封容器１００を備え、密封容器１００内には、ホトカソード２００と、少なくとも１系統のダイノード郡と、該ダイノード群を保持する１対の絶縁支持部材４１０ａ，４１０ｂを含むダイノードユニット４００と、ゲイン制御ユニット４３０ａ，４３０ｂが収納されている。ゲイン制御ユニット４３０ａ，４３０ｂは、絶縁性基板４３１を備え、絶縁性基板４３１には、アノード４３２とともに、ダイノード群に属する制御用ダイノードＤＹ６及び最終段ダイノードＤＹ８が一体的に固定されている。このように、絶縁性基板４３１が一対の絶縁支持部材４１０ａ，４１０ｂに把持されることにより、アノード４３２、制御用ダイノードＤＹ６、最終段ダイノードＤＹ８が電子増倍部５００の一部を構成する。
【選択図】図７

Description

この発明は、光電子の入射に応答して複数段階に分けて順次二次電子を放出していくことにより二次電子のカスケード増倍を可能にする光電子増倍管に関するものである。

近年、核医学の分野では次世代ＰＥＴ（Positron-EmissionTomography）装置としてＴＯＦ−ＰＥＴ（Time-of-Flight-PET）の開発が盛んに進められている。ＴＯＦ−ＰＥＴ装置は、体内に投与された放射性同位元素から放出される２本のガンマ線を同時計測するため、被写体を取り囲むよう配置される測定器として、優れた高速応答性を有する大量の光電子増倍管が使用される。

特に、より安定した高速応答性を実現するため、複数の電子増倍チャネルを用意し、これら複数の電子増倍チャネルで並行して電子増倍を行うマルチチャネル電子増倍管が、上述のような次世代ＰＥＴに適用されるケースも増えてきた。例えば特許文献１に記載されたマルチチャネル電子増倍管は、複数の光入射領域（それぞれが一つの電子増倍チャネルに割り当てられたホトカソード）に区分された１枚の入射面板を有するとともに、これら複数の光入射領域に割り当てられた電子増倍チャネルとして用意された複数の電子増倍部（複数段のダイノードで構成されたダイノードユニットとアノードにより構成）が１本のガラス管内に封入された構造を有する。このように１本のガラス管内に複数の光電子増倍管が含まれるような構造の光電子増倍管は、一般にマルチチャネル光電子増倍管と呼ばれている。

上述のようにマルチチャネル光電子増倍管は、入射面板に配置されたホトカソードから放出される光電子を一つの電子増倍部で電子増倍することでアノード出力を得るシングルチャネル光電子増倍管の機能を、複数の電子増倍チャネルが分担する構造を備える。例えば、４つの光入射領域（電子増倍チャネル用のホトカソード）が二次元に配置されたマルチチャネル電子増倍管では、一つの電子増倍チャネルに着目すると、入射面板に対して光電子放出領域（ホトカソードの有効領域）が１／４以下になるため、各電子増倍チャネルにおける電子走行時間差も改善し易くなる。その結果、シングルチャネル光電子増倍管全体における電子走行時間差と比較して、マルチチャネル電子増倍管全体における電子走行時間差の大幅な改善が期待できる。
国際公開ＷＯ２００５／０９１３３２号公報

発明者らは上述の従来のマルチチャネル光電子増倍管を検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、従来のマルチチャネル光電子増倍管では、ホトカソードからの光電子の放出位置に応じて、予め割り当てられた電子増倍チャネルで電子増倍が行われるため、電子増倍チャネルごとに電子走行時間差が低減するよう各電極配置が最適設計される。このように、各電子増倍チャネルにおける電子走行時間差の改善により、マルチチャネル光電子増倍管全体の電子増光時間差も改善され、その結果、マルチチャネル光電子増倍管全体の高速応答性を向上させている。

しかしながら、このようなマルチチャネル光電子増倍管は、電子増倍チャネル間の平均電子走行時間差のバラツキについては何ら改善されていない。また、ホトカソードが形成される入射面板における光出射面（密封容器内部に位置する面）は、該密封容器の管軸を含む中心領域を取り囲む周辺領域、特に光出射面と管胴の内壁とが交差する境界部分（光出射面のエッジ部）では光出射面の形状は歪んでしまう。この場合、ホトカソード−ダイノード間あるいはホトカソード−集束電極間の等電位線に乱れが生じてしまうため、１つのチャネル内においても光電子の放出位置によって迷走する光電子が発生する可能性がある。このような迷走する光電子の存在は、更なる高速応答性の改善のためには無視できない。また、このように迷走する光電子の存在は、電子増倍チャネル間におけるクロストークの大きな発生要因ともなる。

さらに、ＴＯＦ−ＰＥＴ装置の製造では、大量の光電子増倍管が必要となるため、ＴＯＦ−ＰＥＴ装置などに適用される光電子増倍管には、より大量生産に適した構造が採用されることが望まれる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、電子増倍チャネルごとのゲイン調節を、より大量生産に適した構造で実現することにより、全体としてT.T.S. (Transit Time Spread)やC.T.T.D. (Cathode Transit Time Difference)などの応答時間特性が大幅に改善された光電子増倍管を提供することを目的としている。

現在、ＰＥＴ装置にＴＯＦ（Time-of-Flight）機能が付加されたＰＥＴ装置の開発が行われている。このＴＯＦ−ＰＥＴ装置で使用される光電子増倍管は、C.R.T.（CoincidentResolving Time）応答特性も重要となる。従来の光電子増倍管は、ＴＯＦ−ＰＥＴ装置のC.R.T.応答特性に対する要求を満たしていなかった。そのため、この発明では、既存のＰＥＴ装置をベースとするため、バブル外径は現状を維持し、ＴＯＦ−ＰＥＴ装置の要求を満たすC.R.T.測定が可能になるように軌道設計される。具体的には、C.R.T.応答特性と相関のあるT.T.S.を改善する事とし、入射面板の全面におけるT.T.S.と各入射領域におけるT.T.S.のそれぞれが改善されるように軌道設計される。

この発明に係る光電子増倍管は、内部を所定の真空度まで減圧するためのパイプが底部に設けられた密閉容器と備えるとともに、この密閉容器内に設けられたホトカソード、電子増倍部、及びアノードを備える。密閉容器は、入射面板と、一端に該入射面板が溶融接合され、所定の管軸に沿って伸びた中空胴体部である管胴（バルブ）と、管胴の他端に溶融接合されるとともに、当該密封容器の底部を構成するステムから構成されている。入射面板は、光入射面と、該光入射面に対向する光出射面を有し、密封容器の内側に位置する光出射面上にホトカソードが形成される。なお、密封容器は、入射面板と管胴とが一体的に構成された封筒部分を有してもよく、この場合、該封筒部分の開口にステムを溶融接合することにより当該密封容器が得られる。

電子増倍部は、ステムから密閉容器内に伸びたリードピンによって、該密閉容器内の管軸方向の設置位置が規定される。また、電子増倍部は、ホトカソードから密封容器内に放出された光電子の軌道を修正するための集束電極と、該光電子の入射に応答して生成される二次電子を段階的にカスケード増倍するためのダイノードユニットとを備える。

この発明に係る光電子増倍管において、ダイノードユニットは、収束電極を保持するとともに、ホトカソードからの光電子をカスケード増倍する少なくとも１系統のダイノード群を把持した状態で一体的に保持する一対の絶縁支持部材を備える。特に、一対の絶縁支持部材で２系統以上のダイノード郡が保持される場合、これらダイノード群は、管軸を挟んで配置される。また、各系統のダイノード群は、１又はそれ以上の電子増倍チャネルを構成することが可能であり、アノードは、構成される電子増倍チャネルごとに用意される。

特に、この発明に係る光電子増倍管は、構造的特徴として、ゲイン制御ユニットを備える。このゲイン制御ユニットの導入により、当該光電子増倍管における部品点数の低減が可能になり、大量生産に適した構造を実現する。具体的には、１系統の電極群のうち、アノード近傍の構造を一体的に構成したゲイン制御ユニットにより実現される。

すなわち、ゲイン制御ユニットは、絶縁性基板と有し、この絶縁性基板上にアノード、１系統のダイノード群に属する制御用ダイノード及び最終段ダイノードが固定される。絶縁性基板は、一対の絶縁支持部材によって両端が把持される。制御用ダイノードは、設定電位が調節されることにより電子増倍チャネルのゲインを制御する制御用電極である。アノードは、電子増倍チャネルにおいてカスケード増倍された二次電子を捕獲するための電極であって、１系統のダイノード群に属する全てのダイノードよりも高い電位に設定されている。最終段ダイノードは、アノードを通過した二次電子が到達する位置において絶縁性基板に固定された電極であり、アノードを通過した二次電子を該アノードに向けて反転させるよう機能する。

また、１系統のダイノード群により複数の電子増倍チャネルを構成する場合、制御用ダイノードが複数の電極に分割されるとともにアノードも複数の電極に分割される。このとき、分割された制御用電極とアノード電極の組それぞれが電子増倍チャネルに割り当てられることにより、１系統の電極群で個別にゲイン調節可能な複数の電子増倍チャネルを構成することができる。この場合、制御用ダイノードを構成する複数の電極及びアノードを構成する複数の電極それぞれが、絶縁性基板に取り付けられることにより、１系統の電極群に属するゲイン制御ユニットが構成可能になる。

また、アノード、又は電子増倍チャネルごとに用意された複数のアノード電極は、絶縁性基板の基準面に対して平行に複数の孔が配置されたメッシュ構造であってもよい。

さらに、当該光電子増倍管は、電子増番チャネルごとのゲイン制御を高精度に実現するため、該電子増倍チャネル間のクロストークを効果的に低減する構造を備えてもよい。具体的には、第２ダイノードの長手方向に二分するよう仕切プレートを備える。なお、第２ダイノードは、ホトカソードからの光電子の入射に応じて二次電子を放出する第１ダイノードよりも高い電位に設定されており、該第１ダイノードからの二次電子が到達する位置に配置されている。仕切プレートがこの第２ダイノード内に配置されることにより、１系統のダイノード郡で構成される互いに隣接する電子増倍チャネル間のクロストークが効果的に低減される。すなわち、複数段のダイノードを順次進行する電子軌道は、その途中で隣接する電子増倍チャネル間をまたぐ可能性が大幅に低減される（隣接する電子増倍チャネル間でのクロストークが大幅に低減される）。

仕切プレートは、ホトカソードとダイノードユニットとの間に配置され、第２ダイノードと同電位に設定された集束電極ユニットの金属片であるのが好ましい。この場合、集束電極ユニットの金属片は、ホトカソードからダイノードユニットに向かう方向に沿って伸びる。また、集束電極ユニットの金属片の少なくとも一部を第２ダイノード内に配置する構造として、第２ダイノードは、二次電子放出面が形成される前面と、該前面と対向する背面とを連絡するスリットを有するのが好ましい。この第２ダイノードのスリットを介して集束電極ユニットの金属片の先端が第１ダイノードと第２ダイノードとの間の空間に挿入されることにより、１系統のダイノード群において２つの電子増倍チャネルを構成することが可能になる。

この発明に係る光電子増倍管によれば、１系統の電極群により構成された電子増倍チャネル間のクロストークが効果的に低減され、T.T.S.やC.T.T.D.などの応答時間特性が大幅に改善される。また、ダイノードの一部やアノードを一体的に構成されたゲイン制御ユニットにより、組立工程における部品点数を低減させることができ、より単純な構造で複数の電子増倍チャネルを構成することも可能になる。

以下、この発明に係る光電子増倍管の各実施形態を、図１〜７を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の概略構成を示す一部破断図である。また、図２（ａ）及び２（ｂ）は、この発明に係る光電子増倍管における密封容器の構造を説明するための組み立て工程図及び断面図である。

この発明に係る光電子増倍管は、図１に示されたように、内部を所定の真空度まで減圧するためのパイプ６００（真空引き後に中実化される）が底部に設けられた密閉容器１００と備えるとともに、この密閉容器１００内に設けられたホトカソード２００及び電子増倍部５００を備える。

上記密閉容器１００は、図２（ａ）に示されたように、入射面板１１０と、一端に該入射面板１１０が溶融接合され、所定の管軸ＡＸに沿って伸びた管胴１２０（バルブ）と、管胴１２０の他端に溶融接合されるとともに、パイプ６００が設けられた当該密封容器１００の底部を構成するステム１３０から構成されている。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のI−I線に沿った密封容器１００の断面図であって、特に入射面板１１０と管胴１２０の一端との溶融接合部分を示している。入射面板１１０は、光入射面１１０ａと、該光入射面１１０ａに対向する光出射面１１０ｂを有し、この密封容器１００の内側に位置する光出射面１１０ｂ上にホトカソード２００が形成されている。管胴１２０は、管軸ＡＸを中心とし、該管軸ＡＸに沿って伸びた中空部材である。この中空部材の一端に入射面板１１０が溶融接合されるとともに、他端にステム１３０が溶融接合されている。ステム１３０は、密封容器１００の内部と外部を連絡する貫通孔が管軸ＡＸに沿って設けられている。この貫通孔を取り囲むようにリードピン７００が配置されている。ステム１３０には、貫通孔が設けられた位置に、密封容器１００内の空気を排気するためのパイプ６００が取り付けられている。

電子増倍部５００は、ステム１３０から当該密閉容器１００内に伸びたリードピン５００によって、該密閉容器１００内の管軸ＡＸ方向の設置位置が規定される。また、電子増倍部５００は、ホトカソード２００から密封容器１００内に放出された光電子の軌道を修正するための、主に集束電極として機能する集束電極ユニット３００と、該光電子をカスケード増倍するためのダイノードユニット４００とを備える。

なお、以下の説明では、この発明に係る光電子増倍管の一実施形態として、管軸ＡＸを挟んで配置された２系統の電極郡（ダイノード郡）により４つの電子増倍チャネルＣＨ１〜ＣＨ４が構成されるマルチチャネル光電子増倍管について説明する。

まず、図３は、この発明に係る光電子増倍管における電子増倍部５００の構造を説明するための組み立て工程図である。図３において、電子増倍部５００は、集束電極ユニット３００と、ダイノードユニット４００を備える。

集束電極ユニット３００は、メッシュ電極３１０と、シールド部材３２０と、スプリング電極３３０が積層されることにより構成されている。メッシュ電極３１０は、ホトカソード２００からの光電子を通過させるための開口が設けられた金属フレームを有する。また、メッシュ電極３１０のフレーム部分により規定される開口は、複数の開口が設けられた金属メッシュで覆われている。シールド部材３２０は、ホトカソード２００からの光電子を通過させるための開口が設けられた金属フレームを有する。このシールド部材３２０の開口を規定するフレーム部分には、ホトカソード２００に向かって延びたシールド板３２３ａ、３２３ｂが設けられる一方、ステム１３０に向かって延びたシールド板３２２ａ、３２２ｂが設けられている。シールド板３２３ａ、３２３ｂそれぞれは、第１ダイノードＤＹ１への光電子の入射位置の制御を可能にするとともに、C.T.T.D.（すなわち、T.T.S.）の応答特性を改善するため、ホトカソード２００と当該集束電極ユニット３００間に形成される電界レンズを調整するよう機能する。また、シールド板３２２ａ、３２２ｂそれぞれは、第１ダイノードＤＹ１の両端側の開放された空間を塞ぐよう配置される。このシールド板３２２ａ、３２２ｂは、第１ダイノードＤＹ１よりも高い電位（第２ダイノードＤＹ２と同電位）に設定され、これら第１ダイノードＤＹ１と第２ダイノードＤＹ２間における電界を強めるよう機能する。これにより、第１ダイノードＤＹ１から第２ダイノードＤＹ２へ向かう二次電子の、第２ダイノードＤＹ２への入射効率を向上させることができるとともに、第１ダイノードＤＹ１と第２ダイノードＤＹ２間における二次電子の走行時間のバラツキが低減される。スプリング電極３３０は、ホトカソード２００からの光電子を通過させるための開口が設けられた金属フレームを有する。このスプリング電極３３０のフレーム部分には、密封容器１００の内壁に押し当てられることにより当該集束電極ユニット３００が取り付けられた電子増倍部５００全体を該密封容器１００内の所定位置に維持するための金属スプリング３３１が設けられている。また、このスプリング電極３３０のフレーム部分には、直下に位置する第２ダイノードＤＹ２を該第２ダイノードＤＹ２の長手方向に二分するための仕切プレート３３２が設けられている。この仕切プレート３３２は、第２ダイノードＤＹ２と同電位に設定されており、１系統の電極郡で構成される互いに隣接する電子増倍チャネル間のクロストークを効果的に低減するよう機能する。

一方、ダイノードユニット４００は、上述のような構造の収束電極ユニット３００を保持するとともに、ホトカソード２００からの光電子の入射に応じて二次電子をカスケード増倍する少なくとも２系統の電極群を把持した状態で保持する一対の絶縁支持部材（第１絶縁支持部材４１０ａ、第２絶縁支持部材４１０ｂ）を備える。具体的に、これら第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂは、それぞれが管軸ＡＸに沿ってかつ管軸ＡＸを挟むように配置された一対の第１ダイノードＤＹ１、一対の第２ダイノードＤＹ２、一対の第３ダイノードＤＹ３、一対の第４ダイノードＤＹ４、一対の第５ダイノードＤＹ５、一対の第７ダイノードＤＹ７、及び一対のゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂを一体的に把持している。これら第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂは、各電極を所定電位に設定するための金属ピン４４１、４４２が取り付けられている。また、これら第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂは、各電極とともに、グランド電位（０Ｖ）に設定される底部金属プレート４４０を把持した状態で保持している。

なお、一対の第1ダイノードＤＹ１は、第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂの上部に設置された状態で、両端に金属製の固定部材４２０ａ、４２０ｂが溶接されている。また、一対のゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂそれぞれは、絶縁性基板４３１を備えており、この絶縁性基板４３１に第６ダイノードＤＹ６、アノード４３２、及び第８ダイノードＤＹ８が取り付けられている。ここで、第６ダイノードＤＹ６は、電気的に分離された状態で絶縁性基板４３１に取り付けられた２つの電極から構成される。また、アノード４３２は、電気的に分離された状態で絶縁性基板４３１に取り付けられた２つの電極から構成される。第８ダイノードＤＹ８は、第６ダイノードＤＹ６を構成する２つの電極及びアノード４３２を構成する２つの電極に対する共通電極である。

上述のように、ゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂそれぞれは、管軸ＡＸを挟んで配置された２系統の電極郡のいずれか一方に属する。したがって、仕切プレート３３２とともに、これらゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂが配置されることにより、１系統の電極郡で２つの電子増倍チャネルが構成された４チャネル光電子増倍管が構成されている。また、ゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂそれぞれにおける第６ダイノードＤＹ６も、それぞれ２つの電極から構成されており、当該光電子増倍管全体として４つの電極が、第６ダイノードＤＹ６として各電子増倍チャネルに割り当てられていることになる。これら第６ダイノードＤＹ６として各電子増倍チャネルに割り当てられた電極の電位を、それぞれ個別に調節することにより、電子増倍チャネルごとに独立したゲイン調整が可能になっている。

図４は、図３に示された電子増倍部の一部を構成する一対の絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂの構造を説明するための図である。なお、第１絶縁支持部材４１０ａと第２絶縁支持部材４１０ｂは、同一形状であるため、以下、第１絶縁支持部材４１０ａについてのみ説明し、第２絶縁支持部材４１０ｂの説明は省略する。

第１絶縁支持部材４１０ａは、第１系統の電極郡を構成する第１〜第５ダイノードＤＹ１〜ＤＹ５、第７ダイノードＤＹ７、及びゲイン制御ユニット４３０ａと、第２系統の電極郡を構成する第１〜第５ダイノードＤＹ１〜ＤＹ５、第７ダイノードＤＹ７、及びゲイン制御ユニット４３０ｂを保持する本体と、該本体からホトカソード２００に向かって伸びた突起部から構成されている。

この第１絶縁支持部材４１０ａの本体には、第１系統の電極郡を固定するための固定用スリット４１２ａ、４１３ａが設けられるとともに、第２系統の電極郡を固定するための固定用スリット４１２ｂ、４１３ｂが設けられている（第２絶縁支持部材４１０ｂにおける本体も同様の固定用スリットが設けられている）。

固定用スリット４１２ａには、第１系統の電極郡のうち、第２ダイノードＤＹ２の両端に設けられた固定片の一方、第３ダイノードＤＹ３の両端に設けられた固定片の一方、第４ダイノードＤＹ４の両端に設けられた固定片の一方、第５ダイノードＤＹ５の両端に設けられた固定片の一方、第７ダイノードＤＹ７の両端に設けられた固定片の一方が差し込まれることにより、これら電極部材が第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂにより一体的に把持される。また、固定用スリット４１３ａには、図５（ｂ）に示されたように、第１系統の電極郡に属するゲイン制御ユニット４３０ａの両端に設けられた固定片の一方が差し込まれる。同様に、固定用スリット４１２ｂには、第２系統の電極郡のうち、第２ダイノードＤＹ２の両端に設けられた固定片の一方、第３ダイノードＤＹ３の両端に設けられた固定片の一方、第４ダイノードＤＹ４の両端に設けられた固定片の一方、第５ダイノードＤＹ５の両端に設けられた固定片の一方、第７ダイノードＤＹ７の両端に設けられた固定片の一方が差し込まれることにより、これら電極部材が第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂにより一体的に把持される。また、固定用スリット４１３ｂには、第２系統の電極郡に属するゲイン制御ユニット４３０ｂの両端に設けられた固定片の一方が差し込まれる。

さらに、第１絶縁支持部材４１０ａの底部には、底部金属プレート４４０を把持した状態で保持するための切り込み部４１５が設けられている（第２絶縁支持部材４１０ｂも同様）。また、第１絶縁支持部材４１０ａの突起部に挟まれた部分には、第１ダイノードＤＹ１が設置される台座部４１１が形成される一方、該突起部それぞれには、集束電極ユニット３００を保持するための切り込み４１４が形成されている（第２絶縁支持部材４１０ｂも同様）。具体的には、図５（ａ）に示されたように、集束電極ユニット３００に形成された切込みが、第１絶縁支持部材４１０ａの突起部それぞれに設けられた切込み４１４に差し込まれることにより、集束電極ユニット３００が第１及び第２絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂにより把持された状態で一体的に保持される。なお、図５（ａ）は、集束電極ユニット３００と一対の絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂとの結合構造を説明するための図であり、図５（ｂ）は、ゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂと一対の絶縁支持部材４１０ａ、４１０ｂとの結合構造を説明するための図である。

図６は、図１中に示されたI−I線に沿った電子増倍部の断面構造を説明するための斜視図である。図６に示されたように、電子増倍部５００は、管軸ＡＸを挟むように２系統の電極郡が配置されている。また、これら２系統の電極郡それぞれは、集束電極ユニット３００の一部を構成するスプリング電極３３０に設けられた仕切プレート３３２とともに、ゲイン制御ユニット４３０ａ、４３０ｂが配置されることにより、個別にゲイン調整可能な、互いに隣接した電子増倍チャネルを構成している。したがって、この図６に示された電子増倍部５００は、ホトカソード２００の光電子放出位置に対応した４つの電子増倍チャネルを構成している。

管軸ＡＸを挟んで配置された２系統の電極郡のうちゲイン制御ユニット４３０ａが属する一方の電極郡（第１電極郡）について言及すると、第１ダイノードＤＹ１〜第８ダイノードＤＹ８には、二次電子放出面が形成されている。また、第１ダイノードＤＹ１〜第８ダイノードＤＹ８それぞれの設定電位は、順次二次電子を次段のダイノードへ導くため、第１ダイノードＤＹ１から第８ダイノードＤＹ８の順に高くなっている。アノード４３２の電位は、第８ダイノードＤＹ８の電位よりも高い。一例として、ホトカソード２００は−１０００Ｖ、第１ダイノードＤＹ１は−８００Ｖ、第２ダイノードＤＹ２は−７００Ｖ、第３ダイノードＤＹ３は−６００Ｖ、第４ダイノードＤＹ４は−５００Ｖ、第５ダイノードＤＹ５は−４００Ｖ、第６ダイノードＤＹ６は−３００Ｖ（ゲイン調節を可能にするため可変）、第７ダイノードＤＹ７は−２００Ｖ、第８ダイノードＤＹ８は−１００Ｖ、そして、アノード４３２はグランド電位（０Ｖ）に設定される。また、仕切プレート３３２を有する集束電極ユニット３００は第２ダイノードＤＹ２と同電位に設定される。

ホトカソード２００から放出された光電子は、該第２ダイノードＤＹ２と同電位に設定された集束電極ユニット３００のメッシュ開口を通過した後に第１ダイノードＤＹ１へ到達する。第１ダイノードＤＹ１の長手方向に開放された空間には、第２ダイノードＤＹ２と同電位に設定されたシールド板３２２ｂが配置されており、これにより、第１ダイノードＤＹ１と第２ダイノードＤＹ２間における電界を強められ、第１ダイノードＤＹ１から第２ダイノードＤＹ２へ向かう二次電子の、第２ダイノードＤＹ２への入射効率を向上させることができるとともに、第１ダイノードＤＹ１と第２ダイノードＤＹ２間における二次電子の走行時間のバラツキが低減される。第１ダイノードＤＹ１の電子到達面には二次電子放出面が形成されており、光電子の入射に応答して該第１ダイノードＤＹ１から二次電子が放出される。第１ダイノードＤＹ１から放出された二次電子は、該第１ダイノードＤＹ１よりも高い電位に設定された第２ダイノードＤＹ２に向かって進行する。このとき、第２ダイノードＤＹ２は、収束電極ユニット３００から伸びた仕切プレート３３２により２つの電子増倍チャネルに分離されており、第１ダイノードＤＹ１からの二次電子の軌道を調節することにより、隣接する電子増倍チャネル間でのクロストークを抑制する構造が実現されている。第２ダイノードＤＹ２の電子到達面にも二次電子放出面が形成されており、この第２ダイノードＤＹ２の二次電子放出面から放出された二次電子は、該第２ダイノードＤＹ２よりも高い電位に設定された第３ダイノードＤＹ３に向かって進行する。同様に、第３ダイノードＤＹ３の二次電子放出面から放出された二次電子は、第４ダイノードＤＹ４、第５ダイノードＤＹ５、第６ダイノードＤＹ６の順に進行するごとにカスケード増倍される。なお、第６ダイノードＤＹ６は、ゲイン制御ユニット４３０ａの一部を構成する２つの電極から構成されており、この２つの電極の設定電位を任意に調節することにより、隣接する電子増倍チャネルのゲインを個別に調節することができる。第６ダイノードＤＹ６を構成する各電極の二次電子放出面から放出された二次電子は、第７ダイノードＤＹ７に到達し、該第７ダイノードＤＹ７の二次電子放出面からメッシュ開口を有するアノード４３２に向けて二次電子が放出される。第８ダイノードＤＹ８は、アノード４３２よりも低い電位に設定されており、該アノード４３２を通過した二次電子を、再度アノード４３２に向けて放出する反転型ダイノードとして機能する。なお、ゲイン制御ユニット４３０ｂが属する他方の電極郡についても同様に機能する。

次に、この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴について、図７を用いて説明する。なお、図７（ａ）及び７（ｂ）は、この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴として、ゲイン制御ユニットの構造を説明するための組み立て工程図である。本実施形態の構造的特徴は、当該光電子増倍管の部品点数を低減させることで大量生産に適した構造を実現する。具体的には、１系統の電極群のうち、アノード４３２近傍の構造を一体的に構成したゲイン制御ユニット４３０ａ（４３０ｂ）により構造的特徴が実現される。

図７（ａ）に示されたように、１系統の電極群に割り当てられるゲイン制御ユニット４３０ａは、絶縁性基板４３１を有する。この絶縁性基板４３１に第６ダイノードＤＹ６、アノード４３２、及び反転型ダイノードとして機能する第８ダイノードＤＹ８が取り付けられることにより、図７（ｂ）に示されたようなゲイン制御ユニット４３０ａが得られる。なお、この実施形態では、管軸ＡＸを挟んで２系統の電極群が配置されており、他方の電極群に属するゲイン制御ユニット４３０ｂも同様の構造を有するため、説明は省略する。

このゲイン制御ユニット４３０ａにおいて、第６ダイノードＤＹ６は、電気的に分離された状態で絶縁性基板４３１に取り付けられた２つの電極から構成される。また、アノード４３２も、電気的に分離された状態で絶縁性基板４３１に取り付けられた２つの電極から構成される。第８ダイノードＤＹ８は、第６ダイノードＤＹ６を構成する２つの電極及びアノード４３２を構成する２つの電極に対する共通電極である。特に、第６ダイノードＤＹ６は、ゲイン制御ユニット４３０ａの一部を構成する２つの電極から構成されており、この２つの電極の設定電位を任意に調節することにより、隣接する電子増倍チャネルのゲインを個別に調節することができる。また、アノード４３２も２つの電極により構成されており、１系統の電極群にこのゲイン制御ユニット４３０ａが適用されることにより、１系統の電極群において個別にゲイン調節可能な複数の電子増倍チャネルが実現できる。

なお、この発明に係る光電子増倍管では、図２（ｂ）に示されたように、入射面板１１０の光出射面１１０ｂは、平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面１１０ｂのエッジ部を含む曲面加工領域から構成される。このように、入射面板１１０の光出射面１１０ｂは、その周辺領域に位置するホトカソード２００からの光電子の放出角度を調節するため、該周辺領域の表面形状が意図的に変えられている。これにより、光電子の放出位置に依存することなく、ホトカソード２００から第１ダイノードＤＹ１へ向かう光電子の走行時間のバラツキが効果的に低減される。

また、２系統の電極群それぞれに属する第１ダイノードＤＹ１は、図６に示されたように、管軸ＡＸを挟んで互いに背中合わせに配置されている。この場合、第１ダイノードＤＹ１周辺へ到達する光電子の収集効率が著しく向上する。例えば、ホトカソード２００と第１ダイノードＤＹ１間に、該ホトカソード２００から第１ダイノードＤＹ１へ光電子を導くための電極が必要でないため、ホトカソード２００の周辺領域において従来よりも強い電界強度が得られるとともに等電位線の間隔も一様になる。このため、ホトカソード２００の周辺領域から放出された光電子が、第１ダイノードＤＹ１に到達することなく、直接第２ダイノードＤＹ２へ到達することはない。

さらに、第１ダイノードＤＹ１の長手方向の幅は、一対の絶縁支持部材４３０ａ、４３０ｂの間隔よりも大きく設定されるのが好ましい。この場合、ホトカソード２００からの光電子の到達有効面が広げられる。また、第１ダイノードＤＹ１周辺のシールド構造として、図３及び６に示されたように、シールド板３２２ａ、３２２ｂが第１ダイノードＤＹ１の両端側に開放された空間を塞ぐ位置に配置される。このシールド板３２２ａ、３２２ｂは、第１ダイノードＤＹ１よりも高い電位（第２ダイノードＤＹ２と同電位）に設定され、これら第１及び第２ダイノードＤＹ１、ＤＹ２間における電界を強めるよう機能する。これにより、第１ダイノードＤｙ１から第２ダイノードＤｙ２へ向かう二次電子の、該第２ダイノードＤＹ２への入射効率を向上させることができるとともに、第１及び第２ダイノードＤＹ１、ＤＹ２間における二次電子の走行時間のバラツキが低減される。

また、当該光電子増倍管は、電子増倍チャネル間のクロストークを効果的に低減するため、図３及び６に示されたように、第２ダイノードＤＹ２の長手方向に二分するよう仕切プレート３３２を備える。なお、第２ダイノードＤＹ２は、ホトカソードからの光電子の入射に応じて二次電子を放出する第１ダイノードＤＹ１よりも高い電位に設定されており、該第１ダイノードＤＹ１からの二次電子が到達する位置に配置されている。仕切プレート３３２がこの第２ダイノードＤＹ２内に配置されることにより、１系統のダイノード郡で構成される互いに隣接する電子増倍チャネル間のクロストークが効果的に低減される。すなわち、複数段のダイノードを順次進行する電子軌道は、その途中で隣接する電子増倍チャネル間をまたぐ可能性が大幅に低減される（隣接する電子増倍チャネル間でのクロストークが大幅に低減される）。

なお、仕切プレート３３２は、ホトカソード２００とダイノードユニット４００との間に配置され、第２ダイノードと同電位に設定された集束電極ユニット３００の金属片であるのが好ましい。この場合、集束電極ユニット３００の金属片は、ホトカソードから電子増倍部に向かう方向に沿って伸びる。

また、集束電極ユニット３００の金属片の少なくとも一部を第２ダイノードＤＹ２内に配置する構造として、第２ダイノードＤＹ２は、二次電子放出面が形成される前面と、該前面と対向する背面とを連絡するスリットを有するのが好ましい。この第２ダイノードＤＹ２のスリットを介して集束電極ユニット３００の金属片の先端が第１ダイノードＤＹ１と第２ダイノードＤＹ２との間の空間に挿入されることにより、１系統のダイノード群において２つの電子増倍チャネルを構成することが可能になる。

この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の概略構成を示す一部破断図である。 この発明に係る光電子増倍管における密封容器の構造を説明するための組み立て工程図及び断面図である。 この発明に係る光電子増倍管における電子増倍部の構造を説明するための組み立て工程図である。 図３に示された電子増倍部の一部を構成する一対の絶縁支持部材の構造を説明するための図である。 （ａ）は、集束電極ユニットと一対の絶縁支持部材との結合構造を説明するための図であり、（ｂ）は、ゲイン制御ユニットと一対の絶縁支持部材との結合構造を説明するための図である。 図１中に示されたI−I線に沿った電子増倍部の断面構造を説明するための斜視図である。 この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴として、ゲイン制御ユニットの構造を説明するための組み立て工程図である。

符号の説明

１００…密封容器。１１０…入射面板、１１０ａ…光入射面、１１０ｂ…光出射面、１２０…管胴、２００…ホトカソード、５００…電子増倍部と、３００…集束電極ユニット、４００…ダイノードユニット、４３０ａ、４３０ｂ…ゲイン制御ユニット、４３１…絶縁性基板、４３２…アノード、ＤＹ１〜ＤＹ８…第１〜第８ダイノード、ＤＹ６…制御用ダイノード（第６ダイノード）。

Claims (6)

1. 所定の管軸に沿って伸びた中空胴体部と、該管軸に交差するよう配置された、所定波長の光を透過させる入射面板を含む密封容器と、
   前記密封容器内に設けられた、所定波長の光の入射に応答して光電子を該密封容器内に放出するホトカソードと、
   前記密封容器内に設けられた、前記ホトカソードから放出された光電子をカスケード増倍していくダイノードユニットであって、二次電子放出面をそれぞれ有する複数のダイノードで構成される少なくとも１系列のダイノード郡と、そして、前記１系統のダイノード郡を把持した状態で一体的に保持する一対の絶縁支持部材を含むダイノードユニットと、そして、
   前記１系統のダイノード群によって構成される少なくとも１つの電子増倍チャネルにおけるゲインを制御するためのゲイン制御ユニットとを備えた光電子増倍管において、
   前記ゲイン制御ユニットは、前記一対の絶縁支持部材によって両端が把持される絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に固定された、前記１系統のダイノード群に属する制御用ダイノードであって、設定電位が調節されることにより前記電子増倍チャネルのゲインを制御するための制御用ダイノードと、
   前記絶縁性基板に固定された、前記電子増倍チャネルにおいてカスケード増倍された二次電子を捕獲するためのアノードであって、前記１系統のダイノード群に属する全てのダイノードよりも高い電位に設定されたアノードと、そして、
   前記アノードを通過した二次電子が到達する位置において前記絶縁性基板に固定された、前記１系統のダイノード群に属する最終段ダイノードであって、前記アノードを通過した二次電子を該アノードに向けて反転させる最終段ダイノードとを有する光電子増倍管。
2. 前記アノードは、前記絶縁性基板の基準面に平行に複数の孔が配置されたメッシュ構造を有することを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
3. 前記制御用ダイノードは、電気的に分離された複数の電極を含み、そして、
   前記アノードは、前記制御用ダイノードを構成する複数の電極それぞれに対応するとともに、それぞれ電気的に分離された複数のメッシュ電極を含むことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
4. 前記１系統のダイノード郡のうち、光電子の入射に応答して二次電子を放出する第１ダイノードよりも高い電位に設定されるとともに該第１ダイノードからの二次電子が到達する位置に配置された第２ダイノードを、その長手方向に二分する導電性材料からなる仕切プレートを、さらに備えたことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
5. 前記ホトカソードと前記ダイノードユニットとの間に配置され、前記第２ダイノードと同電位に設定された集束電極ユニットを、さらに備え、
   前記仕切プレートは、前記ホトカソードから前記ダイノードユニットに向かう方向に沿って伸びた、前記収束電極ユニットの金属片を含むことを特徴とする請求項４記載の光電子増倍管。
6. 前記第２ダイノードは、二次電子放出面が形成される前面と、該前面と対向する背面とを連絡するスリットを有し、そして、
   前記集束電極ユニットの金属片は、前記第２ダイノードのスリットを介してその先端が前記第１ダイノードと第２ダイノードとの間の空間に位置するよう、前記ホトカソードから前記ダイノードユニットに向かう方向に沿って伸びていることを特徴とする請求項５記載の光電子増倍管。

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