JPH09283075A - Photomultiplier - Google Patents
PhotomultiplierInfo
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- JPH09283075A JPH09283075A JP9387796A JP9387796A JPH09283075A JP H09283075 A JPH09283075 A JP H09283075A JP 9387796 A JP9387796 A JP 9387796A JP 9387796 A JP9387796 A JP 9387796A JP H09283075 A JPH09283075 A JP H09283075A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention improves the apparent photodetection efficiency by multiple-reflecting incident light between a photodetector having a low efficiency in a single phenomenon and a photoelectric conversion surface. The present invention relates to a photomultiplier that can be used.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図８は従来の光検出器の模式図である。
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。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。2. Description of the Related Art FIG. 8 is a schematic view of a conventional photodetector.
In this figure, 1 is incident light, 2 is a mirror surface, 3 is a photoelectric conversion surface, 4 is photoelectrons, 5 is an electron multiplier, and 6 is a current output of a photodetector. A conventional photodetector basically has a planar photoelectric conversion surface, and in order to efficiently detect incident light while making the most of this structure, as shown in FIG.
It is necessary to arrange the mirror surface 2 for multiple reflection at an angle with respect to the photoelectric conversion surface 3 and allow light to enter between them.
【０００３】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。On the other hand, there is a device called a channeltron as a device for detecting particles. This creates a ceramic tube with a spiral structure like a snail shell, and emits electrons by interacting with particles on its surface. This device did not take a spiral structure for the purpose of improving the detection efficiency, but it was intended to provide a multiplication mechanism for mainly generated electrons. Therefore, the interaction between the particles and the surface of the structure is basically one time. This is because the interaction rate between particles and surface is high, and most particles are 100%.
It is not necessary to use multiple scattering to have a detection efficiency close to.
【０００４】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。Further, the semiconductor element mainly has a plane detection structure, and its detection rate is as high as 60 to 80% or more, so that detection by a multiple structure is not particularly required.
If necessary, the surface is often provided with an antireflection coating. As a result, the surface reflection, which is about 20%, can be reduced and the detection efficiency can be further improved.
【０００５】[0005]
【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。However, in the conventional photodetector, even if light can be detected and converted into electrons by the internal photoelectric effect, the method of amplifying the current is an electrical amplification method. The influence of noise caused by thermal noise in each element of the amplifier cannot be avoided.
【０００６】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。It is essential for quantum optical measurement based on the Heisenberg uncertainty principle that each photon is detected with high efficiency and can be easily discriminated from noise. However, even though the photodetector made of a semiconductor material has a high photo-electron conversion efficiency of 70 to 90%, it is greatly affected by noise generated in the means for amplifying the electronic signal, resulting in high signal / noise. It is difficult to achieve the ratio.
【０００７】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。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。On the other hand, the conversion efficiency (quantum efficiency) of the photomultiplier tube that can obtain a high signal / noise ratio for each photoelectron is about 25% at the maximum. This is because the electrons generated inside the photoelectric conversion surface have a low escape probability from the surface, are reflected by the incident surface, and the incident light is transmitted through the photoelectric conversion surface. The present invention
It is an object of the present invention to provide a photomultiplier device capable of achieving higher photodetection efficiency by taking advantage of such a high signal / noise ratio characteristic of the photomultiplier tube.
【０００８】[0008]
【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。In order to achieve the above object, the present invention provides: [1] In a photomultiplier, a photoelectric conversion surface has a conical structure, and incident light is multiply reflected inside the conical structure. By repeating the above, as the number of times of reflection increases, a photoelectric conversion surface that converts more incident light components into photoelectrons is provided.
【０００９】〔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、光電材料と共に半導
体材料からなる。 〔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。[2] In the photomultiplier according to the above [1], the material of the photoelectric conversion surface is a semiconductor material together with a photoelectric material. [3] In the photomultiplier according to the above [2], the number of multiple reflections is controlled according to the efficiency of photoelectric conversion per time, using the apex angle of the cone of the photoelectric conversion surface as a parameter. It is a thing.
【００１０】〔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。 〔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。 〔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
した光を再度該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。[4] In the photomultiplier according to the above [3], the conical photoelectric conversion surface is formed on the surface of the conical protrusion. [5] In the photomultiplier according to the above [3], the conical photoelectric conversion surface is formed on the surface of the conical depression. [6] In the photomultiplier according to the above [5], the light transmitted through the photoelectric conversion surface is obtained by forming the base of the photoelectric conversion surface formed on the surface of the conical recess with a mirror structure with high reflectance. Is again provided on the photoelectric conversion surface so as to be reflected and absorbed.
【００１１】〔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。[7] In the photomultiplier according to the above [5], the back surface of the glass substrate on which the photoelectric conversion surface formed on the surface of the conical recess is grown has a high reflectance mirror structure. Thereby, the light transmitted through the photoelectric conversion surface is again reflected and absorbed by the photoelectric conversion surface, where the further transmitted light passes through both the glass substrate and the photoelectric conversion surface,
It is provided with a structure that is refracted and again directed toward the opposite side of the cone to be absorbed.
【００１２】〔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
ら発生する光電子は、それぞれの入射光が反射吸収され
る度に前記光電変換面から放出されるため、前記入射光
の飛行時間と前記光電子の飛行時間を考慮すると、時間
的にトレイン状の電子波として、光電子増倍面に到達
し、そこで、増倍された後、検出されるその光電子の到
達時間差を最小にするような電位と電極構造を備えるよ
うにしたものである。[8] In the photomultiplier according to the above [4], [5] or [6], the photoelectrons generated from the conical photoelectric conversion surface are reflected every time each incident light is reflected and absorbed. Since it is emitted from the photoelectric conversion surface, considering the flight time of the incident light and the flight time of the photoelectrons, it arrives at the photomultiplier surface as a train-shaped electron wave in time and is multiplied there. After that, an electric potential and an electrode structure are provided so as to minimize the difference in arrival time of the detected photoelectrons.
【００１３】[0013]
〔９〕上記〔８〕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、その
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。 〔１０〕上記〔８〕記載の光電子増倍装置において、前
記到達時間差を最小とした光電子を増幅する手段による
該光電子の増幅のために、多段のダイノードまたはマイ
クロチャンネルプレートを用いるようにしたものであ
る。[9] In the photoelectron multiplying device according to the above [8], when the orbits of the photoelectrons generated from the conical photoelectric conversion surface are changed and are incident on the photoelectron multiplying surface, the photoelectron multiplying surface is The electron lens system is introduced so that the incident angle is the most efficient. [10] In the photomultiplier according to the above [8], a multistage dynode or microchannel plate is used for amplifying the photoelectrons by means for amplifying the photoelectrons with the minimum arrival time difference. is there.
【００１４】〔１１〕上記〔８〕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ダイノードをこの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そのダイノードと前
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備えるようにしたも
のである。[11] In the photomultiplier according to the above [8], the first dynode is used as this light reflecting surface in order to make light incident on the conical concave photoelectric conversion surface,
Furthermore, the photoelectrons generated on the photocathode are extracted by applying a voltage between the dynode and the photoelectric conversion surface,
Furthermore, it is provided with a structure that causes electron multiplication.
【００１５】[0015]
【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。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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the first embodiment of the present invention.
It is a block diagram of the photomultiplier which shows an Example. Here, a case is shown in which a conical recess 12 is provided in the glass body 11 and the photoelectric conversion surface 13 is formed in the recess 12.
【００１６】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、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、の部分
で反射された光は、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、の部分、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。For example, when the pulsed incident light 21 is appropriately incident on such a conical photoelectric conversion surface 13 so that the transmitted light intensity becomes small, it is partially reflected at the portion and the rest is transmitted through the glass. And photoelectrically converted. Next, the light reflected by the portion of is incident on the portion of and is similarly divided into a reflection component and a transmission component. This is repeated for the part and the part, and finally, most of the incident light is absorbed by the conical photoelectric conversion surface 13 and converted into photoelectrons.
【００１７】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、の部分からの光電子と、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。The orbits of the photoelectrons are bent through the first accelerating electrode 14 and the second accelerating electrode 15 and vertically enter the photoelectron multiplying section 16. Then, after being electron-multiplied, it is taken out to the outside as a photoelectron current output 18 by the readout electrode 17. At this time, since the process of multiple reflection of light on the photoelectric conversion surface 13 and the speed of electrons for emission of photoelectrons are finite, the photoelectrons from the portion of and reach the photomultiplier surface of the photoelectrons of from. Because of different times, the output waveform appears due to the shape of the incident light pulse and the flight times of these light and electrons. At this time, by optimizing the shape of the cone, the arrangement and shape of the accelerating electrodes, and the voltage applied to these electrodes, the electron orbit can be designed so that the output electron waveform is closest to the incident waveform. It is possible.
【００１８】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。次に、本発明の第２実施例につい
て説明する。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。In FIG. 2, the beam-like light incidence is taken into consideration, but in reality, when there is a divergent light incidence, these multiple reflections occur at various places, so that a more complicated output waveform is possible. However, this too can be optimized by electron orbit analysis. Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of a photomultiplier according to a second embodiment of the present invention.
【００１９】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。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３
２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。In the first embodiment described above, a glass surface having a conical recess is used, but in this embodiment, a conical glass body 31 is used. Since other parts are the same as those in FIG. 1, the same numbers are given and the description thereof is omitted. In such a structure, the photoelectric conversion surface 32 is previously formed on the cone.
It is possible to adopt a method in which after manufacturing the above, this is attached to a portion including the electron lens, the photoelectron multiplying section, and the detecting section later. Furthermore, due to this structure, the photoelectric conversion surface 3
Since the direction of reflection and the reflectance are determined only by the difference in the refractive index between 2 and the conical glass body 31, it is not necessary to consider the effects of light propagation and reflection in the atmosphere as in the first embodiment. There are merits.
【００２０】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。
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。Now, the photodetection efficiency of the photomultiplier of the present invention having such a basic structure will be examined.
First, the trajectory of a light ray and the reflection angle at each reflection point when the light ray is incident parallel to the photoelectric conversion surface (wedge structure) as shown in FIG. 3 are shown. As is apparent from this figure, when the incident light 41 is incident in parallel with the wedge structure having the apex angle 2θ, the angles of the trajectories of the reflected light at the reflection points with respect to the plane are θ, 2θ, 4θ, 6θ. Can be understood from the geometrical consideration. Therefore, if the angle exceeds 90 degrees, the light will return in the incident direction by the reflection after that surface. 42 is a photoelectric conversion surface.
【００２１】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。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。From this fact, the minimum number of times that light is returned to the incident direction after multiple reflection is determined by 2mθ <90 °. Here, m corresponds to the number of reflections. That is, in order to obtain multiple reflections at least 10 times, the apex angle of the cone needs to be θ = 4.5 ° or less. Therefore, it is necessary that the apex angle of the conical glass be 9 degrees, which is twice that.
【００２２】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。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。A photoelectric conversion surface is produced by vapor deposition growth or application of an alkali metal (multialkali, bialkali, etc.) or a semiconductor material (silicon, gallium arsenide, etc.), which is a photoelectric conversion surface material, to this glass surface. However, each time the incident light is reflected, the amount absorbed by the photoelectric conversion surface is converted into photoelectrons and emitted. Next, in order to show that high photodetection efficiency can be obtained by using such multiple reflection due to the difference in photoelectric conversion efficiency, the conversion efficiency and the total photodetection efficiency when the number of reflections is changed are shown. The change was calculated. FIG. 4 shows the results.
【００２３】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。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。FIG. 4 shows the calculation of the photodetection efficiency associated with the multiple reflection of the photomultiplier, where the horizontal axis shows the number of reflections and the vertical axis shows the total quantum efficiency. In this calculation, it was assumed that the quantum efficiency on the photoelectric conversion surface was 20, 25, and 50%, and that all that was not absorbed by the photoelectric conversion surface was reflected.
Therefore, at the time of the first reflection, for example, 25% is converted into photoelectrons, and the remaining 75% is reflected.
% Is converted and the rest is reflected.
【００２４】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。From this figure, if the quantum efficiency per time is high, the overall photodetection efficiency can be achieved at a high value with a small number of reflections. For example, in order to achieve 90% photodetection efficiency, it can be seen that the quantum efficiency of 50% is 4 times, 20% is 10 times, and 25% is 8 times.
With a normal photoelectric conversion surface (multi-alkali), the highest quantum efficiency is about 20%, and therefore, reflection is required 10 times or more.
【００２５】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。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。By the way, there are two cases in producing the photoelectric conversion surface. That is, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, contrary to the case where the conversion material is formed on the projection surface side of the cone,
This is the case when the conversion material is made toward the recess, which is the inner surface of the cone. FIG. 5 is a configuration diagram of a photoelectron multiplying device in which a photoelectric conversion surface is formed in a recess formed in a glass body according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an enlarged view of a portion A in FIG.
【００２６】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。In this embodiment, the incident light 51 is once reflected by the mirror 52 and then incident on the conical photoelectric conversion surface 53. However, various methods, for example, electron trajectories are manipulated. By bending the photoelectrons, the photomultiplier part (dynode or multi-channel plate)
Place 58 only on its orbit, and move it
Light can be directly incident on the conical photoelectric conversion surface 53 from the vacant portion, but the description thereof is omitted here. Incidentally, 56 is a first accelerating electrode, 57 is a second accelerating electrode, 59 is a reading electrode, and 60 is a photoelectron current output.
【００２７】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。As described above, in the third embodiment (FIG. 5), since the light incident direction and the electron emitting direction are the same, the first embodiment
The structure is different from that of the embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 2). In such an embodiment, the photoelectric conversion surface 53 is formed by forming the photoelectric conversion surface 53 as shown in FIG. 6, that is, by forming the photoelectric conversion surface 53 on the glass substrate 55 via the reflecting mirror 54. It becomes possible to reflect the component that transmits through and to be absorbed again by the photoelectric conversion surface 53, and a structure can be achieved in which a higher efficiency can be achieved in reality.
【００２８】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。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。Next, considering the time response of photoelectrons generated from these examples (structures), as shown by the time waveform of the photoelectron current output in FIGS. Depending on the geometric position with the electron multiplier and the flight distance of electrons and incident light, a complicated response will be shown. When the position of the incident light with respect to the apex angle of the cone is determined by the calculation using the geometrical arrangement and the geometrical optics as shown in FIG. 3, the trajectory of the light beam is automatically determined and can be calculated. This can be similarly determined even if the cone as shown in the second embodiment (FIG. 2) is used and there is information such as the refractive index thereof. In the third example, the calculation is not shown, but it can be easily calculated. The flight distance of light is calculated from each reflection position and its trajectory, and from this, the arrival time of light at each reflection position is calculated.
【００２９】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。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。Next, in response to the incident light, photoelectrons are generated in the photocathode almost instantaneously, and the photoelectrons are vacuumed by the electric field applied between the first acceleration electrode 56 and the photoelectric conversion surface 53. Is released. Then, it is accelerated by the electric field and finally reaches the photoelectron multiplying section 58. At that time, the flight time of the electron can be determined by the length of the orbit determined by the electron orbit analysis and the arrangement of the electric field and electrodes that determine the orbit.
【００３０】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。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、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。Therefore, the flight times of these light and electrons are
If matching can be achieved by changing the respective parameters, it is possible to determine the conical structure and electrode arrangement with the smallest time response spread even in the case of pulsed light incidence. This detail requires the actual electron orbital calculations to be performed, and its reasonable structure is possible, although it has not yet been determined. However, when a photoelectric conversion surface is provided on the concave side of the cone, at the incident position as shown in FIG. It will reach the double section.
【００３１】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。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。Therefore, it can be predicted that the waveform of the output current has a shape as shown in FIG. In order to avoid such a time response, conversely, the light is made incident on the center of the cone and the light in the direction in which the cone spreads is reflected and taken out, whereby the problem is solved. As for the photomultiplier, it is obvious that the conventional dynode structure or microchannel plate can be used for the structure. However, it goes without saying that it is necessary to design and arrange the first and second accelerating electrodes so that the photoelectrons can be incident at the incident angles required for the respective multiplication parts. This orbit calculation is also
Although not done here, it is easy to use existing orbit calculation software.
【００３２】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。ここで
は、第１ダイノード８１の鏡面反射を用いて、入射光７
１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。Finally, FIG. 7 shows an example using the electron multiplying section having the above-mentioned dynode structure. In FIG. 7, 71
Is incident light, 81 is a first dynode, 72 is a conical photoelectric conversion surface, 73 is a first accelerating electrode, 82 to 85 are sequential dynodes, and 86 is a photoelectron current output. Here, using the specular reflection of the first dynode 81, the incident light 7
1 shows the case where 1 is incident on the conical photoelectric conversion surface 72. By using such a structure successfully, various application examples can be considered. Here, more photoelectrons are extracted by using the first acceleration electrode 73, but it is also possible to apply an electric field for extracting electrons only by the first dynode 81.
【００３３】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。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。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。Further, instead of the dynode structure described above,
A microchannel plate may be used as the photoelectron multiplying section in FIG. The photomultiplier of the present invention described above is suitable for observing a squeezed state in quantum optics and measuring a single photon region. It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made based on the gist of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
【００３４】[0034]
【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。 （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。As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained. (1) According to the invention described in claim 1, it is possible to achieve higher photodetection efficiency by taking advantage of the high signal / noise ratio characteristic of the photomultiplier tube.
【００３５】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。 （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。 （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。In particular, the incident light can be multiple-reflected between the photoelectric conversion surface and the light detection efficiency to be greatly improved. (2) According to the second aspect of the present invention, high photodetection efficiency can be achieved with a simple configuration. (3) According to the third aspect of the invention, a desired high light detection efficiency can be obtained by controlling the number of times of multiple reflection.
【００３６】（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。 （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。(4) According to the invention described in claim 4, the direction of reflection and the reflectance are determined only by the difference in the refractive index between the conical protrusion (glass body) and its photoelectric conversion surface. The design is easy because there is no need to consider the effects of light propagation and reflection inside. (5) According to the fifth aspect of the invention, since the photoelectric conversion surface is formed on the surface of the conical depression, high light detection efficiency can be obtained with a simple configuration.
【００３７】（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。 （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。 （８）請求項８記載の発明によれば、検出される光電子
はより増倍され、より高い光検出効率を得ることができ
る。(6) According to the invention described in claim 6, the light transmitted through the photoelectric conversion surface can be reflected and absorbed by the photoelectric conversion surface again, and higher light detection efficiency can be obtained. (7) According to the invention described in claim 7, it is possible to increase the number of times of multiple reflections and obtain higher light detection efficiency. (8) According to the invention described in claim 8, the photoelectrons detected are further multiplied, and higher photodetection efficiency can be obtained.
【００３８】（９）請求項９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。 （１０）請求項１０記載の発明によれば、光電子をより
多く引き出すことができ、より高い光検出効率を得るこ
とができる。 （１１）請求項１１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。(9) According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to select an incident angle at which the incident light is highly efficient. (10) According to the invention of the tenth aspect, more photoelectrons can be extracted and higher photodetection efficiency can be obtained. (11) According to the eleventh aspect of the invention, more photoelectrons can be extracted and electron multiplication can be caused.
【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。FIG. 1 is a configuration diagram of a photomultiplier according to a first embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is a configuration diagram of a photomultiplier according to a second embodiment of the present invention.
【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。FIG. 3 is a diagram showing a trajectory of a light ray and a reflection angle at each reflection point when the light ray is incident in parallel to a photoelectric conversion surface (wedge structure) according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 4 is a diagram showing a change in overall light detection efficiency when the conversion efficiency and the number of reflections are changed according to the embodiment of the present invention.
【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。FIG. 5 is a configuration diagram of a photoelectron multiplying device in which a photoelectric conversion surface is formed in a recess formed in a glass body according to a third embodiment of the present invention.
【図６】図５のＡ部拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of a portion A in FIG. 5;
【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。FIG. 7 is a configuration diagram of a photoelectron multiplying device using the first dynode as an incident light reflecting surface.
【図８】従来の光検出器の模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a conventional photodetector.
【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[Explanation of reference numerals] 11 glass body 12 conical recess 13, 32, 42, 53, 72 photoelectric conversion surface 14, 56, 73 first accelerating electrode 15, 57 second accelerating electrode 16, 58 photoelectron multiplication Part 17,59 Read-out electrode 18,60,86 Photoelectron current output 21,41,51,71 Incident light 31 Conical glass body 52 Mirror 54 Reflector 55 Glass substrate 81 First dynode 82,83,84,85 dynode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 喜久 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 スタ ンフォード ライアンコート ８ (72)発明者 瀧口 義浩 東京都武蔵野市緑町１−６−33 メゾン小 泉24号室 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing on the front page (72) Yoshihisa Yamamoto, Inventor Stanford Ryan Court, California, United States 8 (72) Yoshihiro Takiguchi 1-33, Midoricho, Musashino-shi, Tokyo Maison Koizumi Room 24
Claims (11)
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。1. A photoelectric conversion surface has a conical structure, and incident light repeats multiple reflections inside the conical structure. As the number of reflections increases, more incident light components are converted into photoelectrons. Photomultiplier with a photoelectric conversion surface.
て、前記光電変換面の材料が光電材料と共に半導体材料
からなる光電子増倍装置。2. The photomultiplier according to claim 1, wherein the material of the photoelectric conversion surface is a semiconductor material together with a photoelectric material.
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。3. The photomultiplier according to claim 2, wherein the number of times of multiple reflection is controlled by using the apex angle of the cone of the photoelectric conversion surface as a parameter according to the efficiency of photoelectric conversion per time. Characteristic photomultiplier.
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。4. The photomultiplier according to claim 3, wherein the conical photoelectric conversion surface is formed on the surface of a conical protrusion.
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。5. The photomultiplier according to claim 3, wherein the conical photoelectric conversion surface is formed on the surface of a conical depression.
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。6. The photomultiplier according to claim 5, wherein the base of the photoelectric conversion surface formed on the surface of the conical recess has a mirror structure having a high reflectance so that the photoelectric conversion surface is transmitted. A photomultiplier having a structure in which the generated light is reflected and absorbed by the photoelectric conversion surface again.
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。7. The photomultiplier according to claim 5, wherein the back surface of the glass substrate on which the photoelectric conversion surface formed on the surface of the conical recess is grown has a mirror structure with high reflectance. The light transmitted through the photoelectric conversion surface is again reflected and absorbed by the photoelectric conversion surface, where the further transmitted light is
A photomultiplier device having a structure in which, when passing through both the glass substrate and the photoelectric conversion surface, the light is refracted and is again absorbed in the direction of the conical opposite surface.
置において、前記円錐状の光電変換面から発生する光電
子は、それぞれの入射光が反射吸収される度に前記光電
変換面から放出されるため、前記入射光の飛行時間と前
記光電子の飛行時間を考慮すると、時間的にトレイン状
の電子波として、光電子増倍面に到達し、そこで、増倍
された後、検出される該光電子の到達時間差を最小にす
るような電位と電極構造を有する光電子増倍装置。8. The photomultiplier according to claim 4, 5 or 6, wherein the photoelectrons generated from the conical photoelectric conversion surface are emitted from the photoelectric conversion surface each time each incident light is reflected and absorbed. Therefore, considering the time of flight of the incident light and the time of flight of the photoelectrons, they reach the photomultiplier surface as a train-shaped electron wave in time, where they are multiplied and then detected. A photomultiplier having a potential and an electrode structure that minimizes the difference in arrival time of photoelectrons.
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。9. The photomultiplier according to claim 8, wherein the orbits of the photoelectrons generated from the conical photoelectric conversion surface are changed, and when the photoelectron multiplication surface is made to enter the photoelectron multiplication surface, On the other hand, the photomultiplier device is characterized by introducing an electron lens system so that the incident angle becomes the most efficient.
て、前記到達時間差を最小とした光電子を増幅する手段
による該光電子の増幅のために、多段のダイノードまた
はマイクロチャンネルプレートを用いることを特徴とす
る光電子増倍装置。10. The photomultiplier according to claim 8, wherein multistage dynodes or microchannel plates are used for amplifying the photoelectrons by means for amplifying the photoelectrons having the minimum arrival time difference. Photomultiplier device.
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。11. The photomultiplier according to claim 8, wherein the first dynode is used as a light reflecting surface to allow light to enter the conical concave photoelectric conversion surface, and further comprising:
A photoelectron multiplying device having a structure for extracting photoelectrons generated on a photocathode by applying a voltage between the dynode and the photoelectric conversion surface, and further causing electron multiplication.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09387796A JP3547901B2 (en) | 1996-04-16 | 1996-04-16 | Photomultiplier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09387796A JP3547901B2 (en) | 1996-04-16 | 1996-04-16 | Photomultiplier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09283075A true JPH09283075A (en) | 1997-10-31 |
| JP3547901B2 JP3547901B2 (en) | 2004-07-28 |
Family
ID=14094714
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3547901B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012516023A (en) * | 2009-01-22 | 2012-07-12 | ビーエイイー・システムズ・インフォメーション・アンド・エレクトロニック・システムズ・インテグレイション・インコーポレーテッド | Photocathode improved by corner cube |
-
1996
- 1996-04-16 JP JP09387796A patent/JP3547901B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2012516023A (en) * | 2009-01-22 | 2012-07-12 | ビーエイイー・システムズ・インフォメーション・アンド・エレクトロニック・システムズ・インテグレイション・インコーポレーテッド | Photocathode improved by corner cube |
| US8581228B2 (en) | 2009-01-22 | 2013-11-12 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | Corner cube enhanced photocathode |
| US8900890B2 (en) | 2009-01-22 | 2014-12-02 | Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. | Corner cube enhanced photocathode |
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| Publication number | Publication date |
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| JP3547901B2 (en) | 2004-07-28 |
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