JP2008098172A

JP2008098172A - 光電子増倍管

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Publication number: JP2008098172A
Application number: JP2007266870A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Omura; 孝幸大村; Suenori Kimura; 末則木村; Masuyasu Ito; 益保伊藤; Akihiko Yamaguchi; 晃彦山口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2008-04-24
Also published as: US20080087831A1; EP1918973A2; US7821203B2

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、該密封容器(100)は、管軸(AX)に沿って伸びた中空胴体部(120)と、入射面板(110)を含む。入射面板(110)は、光入射面(110a)と、ホトカソード(200)が形成された光出射面(110b)を有する。特に、光出射面(110b)は、平坦領域(AR1)と、平坦領域(AR1)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（ＡＲ２）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、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。
【選択図】図８

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。

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、ホトカソードから放出される光電子の、放出位置に依存する光電子走行時間差の低減を、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.（Coincident Resolving 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系統の電極群を把持した状態で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系統以上の電極郡が保持される場合、これら電極群は、管軸を挟んで配置される。また、各系統の電極群は、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、ホトカソードが形成される入射面板の光出射面における周辺領域の表面形状を変えることにより、該ホトカソードから放出される光電子脳放出角度を調節している。すなわち、当該光電子増倍管は、入射面板の光出射面における周辺領域の形状を変えることにより、光電子の放出位置に依存することなく、ホトカソードから第１ダイノードへ向かう光電子の走行時間のバラツキを低減させる構造を備える。具体的には、ホトカソードが形成される入射面板の光出射面が、管軸を含むよう中央に位置する平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面のエッジ部を含む曲面加工領域から構成される。

上述の面構造を実現するため、入射面板における光出射面は、管軸を含むとともに該管軸を挟むように配置された２系統の電極郡を横切る、当該光電子増倍管の断面（１系統の電極郡のみ有する場合には管軸を含み該１系統の電極郡のみを横切る断面）において、平坦領域上の第１直線と、管胴の内壁面に平行であって光出射面のエッジ部を通る第２直線との交点Ｐ_Ｏに対して、曲面加工領域を規定する曲線が電子増倍部側に位置するよう面加工されている（図１２参照）。

また、入射面板における光出射面は、管軸を含むとともに該管軸を挟むように配置された２系統の電極郡を横切る、当該光電子増倍管の断面において、平坦領域上の第１直線と曲面加工領域を規定する曲線との交点（第１交点）をＰ_Ｅとし、管胴の内壁面に平行であって光出射面のエッジ部を通る第２直線と曲面加工領域を規定する曲線との交点（第２交点）をＰ_Ｓとするとき、該第１及び第２直線の交点Ｐ_Ｏと該交点Ｐ_Ｓとの距離α_１が、該交点Ｐ_Ｏと該交点Ｐ_Ｅとの距離α_２よりも短くなるよう面加工されている（図１２参照）。このとき、第１直線と曲面加工領域を規定する曲線との交点Ｐ_Ｅは光出射面における平坦領域と曲面加工領域の境界に相当する。また、第２直線と曲面加工領域を規定する曲線との交点Ｐ_Ｓはカソード有効エリアのエッジ部に相当する。

入射面板における光出射面は、管軸を含むとともに該管軸を挟むように配置された２系統の電極郡を横切る、当該光電子増倍管の断面において、曲面加工領域に相当する曲線を規定する曲率半径Ｒの中心点Ｏが管軸よりも管胴の内壁面側に位置するとともに、収束電極よりもアノード側に位置するよう面加工されてもよい（図１２参照）。

なお、この発明に係る光電子増倍管において、入射面板における光出射面は、カソード有効エリア（平坦領域と曲面加工領域を含む）に対する平坦領域の面積比率が３０％以上かつ７０％以下になるよう面加工されてもよい。

この発明に係る光電子増倍管によれば、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〜図１４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説明する。この構造的特徴は、密封容器１００の一部を構成する入射面板１１０の形状に関する。具体的には、ホトカソード２００が形成される入射面板１１０の光出射面１１０ｂ（密封容器１００の内部空間に位置する面）のうち、周辺領域が管軸ＡＸから離れるに従ってアノード４３２側に徐々に突出するようＲ加工（所定の曲率半径を有する曲面になるよう加工）されていることを特徴としている。

図７は、この発明に係る光電子増倍管における密封容器１００の一部を構成する入射面板１１０の代表的な形状を説明するための斜視図である。特に、図７（ａ）は、光入射面１１０ａ側から見た入射面板１１０の斜視図であり、図７（ｂ）は、ホトカソード２００が形成される光出射面１１０ｂ側から見た入射面板１１０の斜視図である。また、図８（ａ）は、図７（ｂ）中のIII−III線に沿った入射面板１１０の断面図である。図８（ｂ）は、図７（ｂ）中のIV−IV線に沿った入射面板の断面図である。図８（ｃ）は、図７（ｂ）中のV−V線に沿った入射面板の断面図である。

図７（ｂ）に示された斜視図及び図８（ａ）〜８（ｃ）に示された断面図から判るように、ホトカソード２００が形成される入射面板１１０の光出射面１１０ｂは、管軸ＡＸを含む中央領域ＡＲ１（光出射面１１０ｂのうち光入射面１１０ａと略並行であって入射面板１１０の厚みが一定になっている平坦領域）と、該中央領域ＡＲ１を取り囲み、光出射面１１０ｂと管胴１２０の内壁とが交差する境界部分（光出射面１１０ｂのエッジ部）を含む周辺領域ＡＲ２とで構成されている。周辺領域ＡＲ２は、当該入射面板１１０の断面において所定の曲率半径の曲線になるようＲ加工された曲面加工領域である。また、これら中央領域（平坦領域）ＡＲ１と周辺領域（曲面加工領域）ＡＲ２によりホトカソード有効エリアが構成される。

続いて、上述の構造的特徴の効果について、図９（ａ）〜１１（ｂ）を用いて詳細に説明する。なお、図９（ａ）〜９（ｃ）は、この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴及び効果を説明するため、ホトカソード２００から放出される光電子の軌道Ａ１を説明するための図である。図９（ａ）は、光入射面１１０ａ側から見た入射面板１１０の平面図であり、この入射面板１１０のカソード有効エリア（実質的に入射面板１１０における光出射面１１０ｂに一致している）が、平坦領域ＡＲ１と曲面加工領域ＡＲ２から構成されている。平坦領域ＡＲ１は、管軸ＡＸを含む中央に位置する領域であって、入射面板１１０の厚みが一定になっている中央領域である。また、曲面加工領域ＡＲ２は、平坦領域ＡＲ１を囲むように該平坦領域ＡＲ１の周辺に位置し光出射面１１０ｂのエッジ部を含む曲面加工領域ＡＲ２から構成されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）中に示されたVI−VI線に沿った当該光電子増倍管の断面図であり、図９（ｃ）は、図９（ａ）中に示されたVII−VII線に沿った当該光電子増倍管の断面図である。また、図１０（ａ）及び１０（ｂ）は、図９（ｂ）及び図９（ｃ）それぞれの主要部分の拡大図である。図１１（ａ）及び１１（ｂ）は、この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴の効果を説明するために用意された比較例に係る光電子増倍管の、図１０（ａ）及び１０（ｂ）に相当する断面図であって、該比較例に係る光電子増倍管における光電子の軌道を説明するための図である。なお、図９（ｂ）〜１０（ｂ）のそれぞれにおいて、Ａ１は光電子の軌道を示し、Ｅ１は等電位線を示す。また、図１１（ａ）及び１１（ｂ）のそれぞれにおいて、Ａ２は光電子の軌道を示し、Ｅ２は等電位線を示す。

図９（ｂ）（図１０（ａ））及び図９（ｃ）（図１０（ｂ））、特に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）における破線で囲まれた領域からも判るように、曲面加工領域ＡＲ２近傍では、強い電界強度が得られるとともに、ホトカソード２００と電子増倍部５００の集束電極ユニット３００との間に空間における等電位線Ｅ１の間隔が均一になっている。そのため、ホトカソード２００から放出される光電子の軌道Ａ１は、放出位置に依存することなくほぼ同じ長さになる。すなわち、曲面加工領域ＡＲ２付近から放出された光電子の走行距離と、管軸ＡＸ近傍から放出された光電子の走行距離は、ほぼ同じになり、１つの電子増倍チャネルにおけるT.T.S.が飛躍的に改善されている。

一方、比較例に係る電子増倍管では、図１１（ａ）及び１１（ｂ）に示されたように、入射面板８００の光出射面（ホトカソード２００が形成された面）には、そのエッジ部を含む周辺に曲面加工領域が設けられていない。そのため、ホトカソード２００の周辺と電子増倍部との間の空間における等電位線Ｅ２の間隔が均一に制御されていない。そのため、ホトカソード２００から放出される光電子の軌道Ａ２は、放出位置に依存して大きく異なった長さになる。また、ホトカソード２００から放出された光電子の一部は、第１ダイノードＤＹ１に到達することなく第２ダイノードＤＹ２へ直接到達してしまう。このように、ホトカソード２００の周辺に相当する領域に曲面加工領域が設けられていない、比較例に係る光電子増倍管では、ホトカソード２００の周辺から放出された光電子の走行距離と、管軸ＡＸ近傍から放出された光電子の走行距離は、著しく異なってしまい、１つの電子増倍チャネルにおけるT.T.S.の改善は望めない。

図１２は、この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴を説明するため、当該光電子増倍管における主要部の断面図である。なお、この図１２に示された断面は、管軸ＡＸを含むとともに、該管軸ＡＸを挟むように配置された２系統の電極郡（ダイノード郡）を横切る面である。

この図１２に示された断面において、入射面板１１０の光入射面１１０ａに平行である、光出射面１１０ｂの平坦領域ＡＲ１上の直線Ｌ１と、管胴１２０の内壁面に平行であって光出射面１１０ｂのエッジ部を通る直線Ｌ２との交点Ｐ_０に対して、曲面加工領域ＡＲ２を規定する曲線は、電子増倍部側に位置している。

図１２に示された断面において、直線Ｌ１と曲面加工領域ＡＲ１を規定する曲線との交点はＰ_Ｅであり、この交点Ｐ_Ｅが光出射面１１０ｂにおける平坦領域ＡＲ１と曲面加工領域ＡＲ２の境界に相当する。また、直線Ｌ２と曲面加工領域ＡＲ１を規定する曲線との交点はＰ_Ｓであり、この交点Ｐ_Ｓがカソード有効エリアのエッジ部に相当する。このとき、交点Ｐ_Ｏと交点Ｐ_Ｓとの距離α_１は、交点Ｐ_Ｏと交点Ｐ_Ｅとの距離α_２よりも短くなっている。

さらに、図１２に示された断面において、曲面加工領域ＡＲ２に相当する曲線Ｃを規定する曲率半径Ｒの中心点Ｏは、領域ＡＲ３内に存在する。具体的に、曲面加工領域ＡＲ２上の曲線Ｃを規定する曲率半径Ｒの中心点Ｏは、管軸ＡＸよりも管胴１２０の内壁面側に位置するとともに、収束電極ユニット３００よりもアノード４３２側に位置している。

なお、図９（ａ）〜図１１（ｂ）に示された測定結果を踏まえ、ホトカソード２００が形成される入射面板１１０の光出射面１１０ｂにおいて、カソード有効エリア（平坦領域ＡＲ１と曲面加工領域ＡＲ２を含む）に対する平坦領域ＡＲ１の面積比率は、３０％以上かつ７０％以下であるのが好ましい。

入射面板１１０の光出射面１１０ｂにおいて、平坦領域ＡＲ１と曲面加工領域ＡＲ２との境界は、レーザ光測定システムを利用しても概ね特定可能である。具体的には、入射面板１１０の光入射面１１０ａ側にレーザ変位計を配置し、該光入射面１１０ａを透過したレーザ光のうち光出射面１１０ｂで反射されたレーザ光を観察することにより、該光出射面１１０ｂの表面形状の測定が可能である。この場合、光出射面１１０ｂにおける曲面加工領域ＡＲ２に到達したレーザ光はレーザ変位計に正しく戻らないため、形状測定できない。一方、平坦領域ＡＲ１に到達したレーザ光はレーザ変位計に正しく戻るため、光出射面１１０ｂにおける形状測定可能領域を平坦領域ＡＲ１として特定することができる。

この光出射面１１０ｂの形状測定では、キーエンス社製のレーザ変位計ＬＫ−０１０（センサヘッド）、キーエンス社製のＣＣＤレーザ変位センサＬＫ−３１００（アンプユニット）、コムス社製の二次元形状測定システムＡＤＳ２０００ＢＳ−２００Ｘ−ＡＤＳ（ロータリーエンコーダ内蔵のＸ軸ステージ）、ディジタルカウンタＣＴ−０２、アナログデータ収集ＢＯＸＣＡ−０１により構成された測定システムにより行われた。この測定システムによれば、平坦領域ＡＲ１は、０．１２ｍｍ程度の凹凸が確認された。この実施形態は、ホトカソード２００の周辺領域の形状を、該ホトカソード２００が形成される光出射面１１０ｂの表面形状を特殊な形状に加工することにより任意に変更することを特徴としているため（ホトカソード２００から放出される光電子の軌道制御が目的）、平坦領域ＡＲ１におけるこの程度の凹凸は十分に許容され得る。

図１３（ａ）〜１３（ｅ）は、この発明に係る光電子増倍管における入射面板１１０の種々の変形例を示す斜視図である。図１３（ａ）に示された入射面板１１１では、ホトカソード２００が形成される光出射面における曲面加工領域は、光出射面周辺が複数の平面要素で構成されている。このように、複数の平面で当該曲面加工領域が近似的に構成されてもよい。なお、この曲面加工領域を構成する平面要素の数を増加させることにより、より曲面近似させることが可能である。図１３（ｂ）に示された入射面板１１２は、光出射面周辺が該入射面板１１２の各辺に平行にＲ加工されており、これら曲面加工領域の境界が直線になっている。この入射面板１１２によっても、上述の入射面板１１０と同様の効果が得られる。また、図１３（ｃ）に示された入射面板１１３は、図１３（ｂ）に示された入射面板１１２のＲ加工面に境界がさらに所定の曲率半径でＲ加工されており、実質的に、図７（ａ）〜８（ｃ）に示された入射面板１１０と同じ形状を有する。図１３（ｄ）に示された入射面板１１４は、該入射面板１１４の対向する一組の辺についてＲ加工が行われている。特に、密封容器１００ないに収納される電子増倍部において２チャネルのみの電子増倍が行われる場合などでは、全方位における入射面板のＲ加工の必要はなく、一組の辺についてのみＲ加工が行われればよい。また、図１３（ｅ）に示された入射面板１１５は、図１３（ｂ）に示された入射面板１１２と同様に、光出射面周辺が該入射面板１１５の各辺に平行にＲ加工されているが、入射面板１１５の四隅においてこれら曲面加工領域が所定距離離間している。このような形状の入射面板１１５によっても上述の入射面板１１０と同様の効果が期待できる。

なお、上述の実施形態では、この発明に係る光電子増倍管における密封容器１００は、入射面板１１０、管胴１２０、及びステム１３０により構成されていた。しかしながら、当該光電子増倍管に適用される密封容器は、上述の構造には限定されない。すなわち、図１４（ａ）に示されたように、入射面板と管胴が一体的に形成された封筒部分９１０と、排気用パイプ９３０及びリードピン９２０を保持するステム９４０により、密封容器が構成されてもよい。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）中に示されたXIV−XIV線に沿った他の密封容器の構造、特に内側にホトカソード２００が形成される入射面板近傍の構造を示す断面図である。このような密封容器においても、ホトカソード２００が形成される入射面板の光出射面における周辺領域に曲面加工領域が形成されることにより、上述の当該光電子増倍管の効果が得られる。

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密封容器の一部を構成する入射面板の代表的な形状を説明するための斜視図である。図７（ｂ）中のIII−III線、IV−IV線、V−V線それぞれに沿った入射面板の断面図である。この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴及び効果を説明するため、ホトカソードから放出される光電子の軌道を説明するための図である。図９（ｂ）及び図９（ｃ）それぞれの主要部分の拡大図である。この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴の効果を説明するために用意された比較例に係る光電子増倍管の、図１０に相当する断面図であって、該比較例に係る光電子増倍管における光電子の軌道を説明するための図である。この発明に係る光電子増倍管における構造的特徴を説明するため、当該光電子増倍管における主要部の断面図である。この発明に係る光電子増倍管における入射面板の種々の変形例を示す斜視図である。この発明に係る光電子増倍管における密閉容器の他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。

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、４３２…アノード、ＡＲ１…平坦領域、ＡＲ２…曲面加工領域、ＤＹ１〜ＤＹ８…第１〜第８ダイノード。

Claims

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であって、ホトカソードと、少なくとも１系統の二次電子放出用電極郡を含む電子増倍部と、そして、アノードが内部に収納された密封容器を備えた光電子増倍管において、
前記入射面板は、該所定波長の光が到達する光入射面と、該光入射面と対向するとともに前記ホトカソードが形成された光出射面を有し、該光出射面は、前記管軸を含む中央に位置する平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面のエッジ部を含む曲面加工領域から構成され、そして、
前記管軸を含むとともに少なくとも前記１系統の電極郡を横切る当該光電子増倍管の断面において、前記平坦領域上の第１直線と、前記中空胴体部の内壁面に平行であって前記光出射面のエッジ部を通る第２直線との交点に対して、前記曲面加工領域を規定する曲線が前記電子増倍部側に位置する光電子増倍管。
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であって、ホトカソードと、少なくとも１系統の二次電子放出用電極郡を含む電子増倍部と、そして、アノードが内部に収納された密封容器を備えた光電子増倍管において、
前記入射面板は、該所定波長の光が到達する光入射面と、該光入射面と対向するとともに前記ホトカソードが形成された光出射面を有し、該光出射面は、前記管軸を含む中央に位置する平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面のエッジ部を含む曲面加工領域から構成され、そして、
前記管軸を含むとともに少なくとも前記１系統の電極郡を横切る当該光電子増倍管の断面において、前記平坦領域上の第１直線と前記曲面加工領域を規定する曲線との交点をＰ_Ｅとし、前記中空胴体部の内壁面に平行であって前記光出射面のエッジ部を通る第２直線と前記曲面加工領域を規定する曲線との交点はＰ_Ｓとするとき、前記第１及び第２直線の交点Ｐ_Ｏと該交点Ｐ_Ｓとの距離α_１は、該交点Ｐ_Ｏと該交点Ｐ_Ｅとの距離α_２よりも短くなっている光電子増倍管。
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であって、ホトカソードと、少なくとも１系統の二次電子放出用電極郡を含む電子増倍部と、前記ホトカソードと前記電子増倍部との間に配置された集束電極と、そして、アノードが内部に収納された密封容器を備えた光電子増倍管において、
前記入射面板は、該所定波長の光が到達する光入射面と、該光入射面と対向するとともに前記ホトカソードが形成された光出射面を有し、該光出射面は、前記管軸を含む中央に位置する平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面のエッジ部を含む曲面加工領域から構成され、そして、
前記管軸を含むとともに少なくとも前記１系統の電極郡を横切る当該光電子増倍管の断面において、前記曲面加工領域に相当する曲線を規定する曲率半径の中心点が、前記管軸よりも前記中空胴体部の内壁面側に位置するとともに、前記収束電極よりも前記アノード側に位置している光電子増倍管。
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であって、ホトカソードと、電子増倍部と、前記ホトカソードと前記電子増倍部との間に配置された集束電極と、そして、アノードが内部に収納された密封容器を備えた光電子増倍管において、
前記入射面板は、該所定波長の光が到達する光入射面と、該光入射面と対向するとともに前記ホトカソードが形成された光出射面を有し、該光出射面は、前記管軸を含む中央に位置する平坦領域と、該平坦領域の周辺に位置し該光出射面のエッジ部を含む曲面加工領域から構成され、そして、
前記入射面板の光出射面において、前記平坦領域と前記曲面加工領域を含むカソード有効エリアに対する前記平坦領域の面積比率は、３０％以上かつ７０％以下である光電子増倍管。