JPH10172503A - 光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化と薄型化を同時に達成可能とした光電
子増倍管を提供する。 【解決手段】 本発明は、入射窓１２と、被測定光の入
射によって励起された電子が被測定光の入射面から放出
される反射型光電陰極４０と、入射窓１２と反射型光電
陰極４０との間に設置され入射窓１２から入射された被
測定光を透過させると共に反射型光電陰極４０側から入
射した電子を２次電子増倍して入射窓１２側から放出す
る透過型２次電子面３０を有する増倍手段と、反射型光
電陰極４０に対して正電圧が印加され透過型２次電子面
３０で増倍された電子を収集する陽極２０と、反射型光
電陰極４０と透過型２次電子面３０と陽極２０とを密封
すると共に入射窓１２が取り付けられる真空容器６０と
を備える。これにより、真空容器６０内部の電子軌道と
２次電子増倍部とを大幅に縮小し、小型化と薄型化とを
同時に達成可能とした光電子増倍管を安価に提供でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微弱光を検出する
光電子増倍管に係り、特に、反射型光電陰極と透過型２
次電子面を用いた光電子増倍管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光の入射する面と電子の放出
される面が同一面であるいわゆる反射型光電陰極を具備
する光電子増倍管が市販されている。これは、図４にそ
の断面構造を示すように構成されており、真空容器６０
に取り付けられた入射窓１２を透過した被測定光（ｈ
ν）が反射型光電陰極４０に入射、吸収され、電子ｅが
被測定光（ｈν）の入射面から真空中に放出される。真
空中へ放出された電子ｅは反射型光電陰極４０に対して
正電圧を印加された反射型２次電子面である第１ダイノ
ード７１に向かって加速され、入射する。第１ダイノー
ド７１では、入射した電子は数倍の２次電子ｅ’を生成
し、２次電子ｅ’と共に再び真空中へ放出される。放出
された電子ｅ’は同様に第２ダイノード７２に入射し、
さらに２次電子ｅ’’を生成し、２次電子ｅ’’と共に
放出される。これをダイノード７３〜７９へ繰り返すこ
とにより、最終的に陽極２０では反射型光電陰極４０か
ら放出された電子ｅの１００万倍程度の電子が収集さ
れ、信号として検出される。したがって、このような光
電子増倍管１０では極微弱光を非常にＳ／Ｎ比良く検出
することが可能である。

【０００３】しかしながら、図４のように反射型光電陰
極４０と反射型２次電子面（ダイノード７１から７９）
を備えた光電子増倍管１０では、電子が反射して２次電
子増倍を繰り返した結果、反射型光電陰極４０から陽極
２０にかけての電子軌道が多くの空間を占有しているの
で、小型化、薄型化が困難である。

【０００４】そこで、より小型化が可能な光電子増倍管
として、透過型光電陰極と反射型２次電子面とを用いた
ものが市販されている。これは、図５にその断面構造を
示すように構成されており、入射窓１２を透過した入射
光（ｈν）が透過型光電陰極８０に入射、吸収され、入
射光（ｈν）の入射面の反対面から、電子ｅが真空中に
放出される。真空中へ放出された電子ｅは、図４の光電
子増倍管の場合と同様にダイノード７１〜７９で２次電
子増倍され、増倍電子ｅ’、ｅ’’を励起し、陽極２０
にて信号として検出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような透過型光電
陰極では、前述のように入射光の入射面と電子ｅの放出
される面が異なるので、入射光に対して効率よく電子を
放出するための最適な膜厚が存在する。したがって、こ
のような透過型光電陰極と反射型２次電子面とを備えた
図５の光電子増倍管は、反射型光電陰極と反射型２次電
子面とを用いた図４の光電子増倍管と比較すると小型化
の点で有利であるが、高効率に２次電子を放出する膜厚
を有する透過型光電陰極の作製が不可欠であり、この結
果コストが増加し、大量生産に不向きになるという課題
があった。

【０００６】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたもので、小型化かつ薄型化を同時に達成
し、安価に製造できる光電子増倍管を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光電子増倍
管は、被測定光が入射される入射窓と、被測定光の入射
によって励起された電子が被測定光の入射面から放出さ
れる反射型光電陰極と、入射窓と反射型光電陰極との間
に設置され、入射窓から入射された被測定光を透過させ
ると共に反射型光電陰極側から入射した電子を２次電子
増倍して入射窓側から放出する透過型２次電子面を有す
る増倍手段と、反射型光電陰極に対して正電圧が印加さ
れ、透過型２次電子面で増倍された電子を収集する陽極
と、反射型光電陰極と透過型２次電子面と陽極とを密封
すると共に入射窓が取り付けられる真空容器とを備える
ことを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、透過型２次電子面は被測
定光を透過させることができるので、入射窓を透過した
被測定光は、透過型２次電子面を透過して反射型光電陰
極に到達し、これにより電子が励起されて光電子が生成
される。そして、反射型光電陰極から真空へ放出された
光電子は、陽極と反射型光電陰極との間に形成されてい
る電界によって被測定光の入射方向に対して反対方向
（以下逆方向）へ進み、透過型２次電子面において２次
電子を放出した後、２次電子と共に陽極で収集される。
すなわち、入射窓と反射型光電陰極との間に透過型２次
電子面を設置したことによって、反射型光電陰極から真
空に放出された光電子が逆方向を進みながら２次電子増
倍され、陽極で収集されることになるので、電子軌道が
占有する空間を大幅に縮小することができる。

【０００９】本発明に係る光電子増倍管は、透過型２次
電子面がダイヤモンドまたはダイヤモンドを主とする材
料からなるようにすると好ましく、これにより、透過型
２次電子面は被測定光を好適に透過し、２次増倍された
電子を出力面より効率的に放出する。

【００１０】また、陽極が入射窓の真空側に形成された
透明導電膜からなるようにすると好ましく、これによ
り、陽極と入射窓とを一体構成にできる。

【００１１】また、増倍手段は透過型２次電子面を複数
カスケードに接続して構成されると好ましく、このよう
な構成を採用することにより、より高い２次電子増倍率
を有する光電子増倍管を得ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の光電子
増倍管について詳細に説明する。なお、図において同一
要素には同一符号を付す。

【００１３】図１は、第１実施形態に係る光電子増倍管
１０の端面図である。同図に示す光電子増倍管１０は真
空容器６０を有し、この真空容器６０は金属製の側管１
１と、基台部を構成するステム１４とで構成され、ステ
ム１４は側管１１の底部開口端を塞ぐようにＩｎシール
１３によって固定されている。この側管１１の頂部に固
定された入射窓１２は、波長が３００ｎｍ以上の入射光
を透過させるホウ珪酸ガラスからなり、側管１１の上側
開放端を塞いでいる。

【００１４】入射窓１２を臨むステム１４の真空側に
は、プレート状の反射型光電陰極４０が設置され、ステ
ム１４と（接地電位）にされている。反射型光電陰極４
０は紫外領域から９３０ｎｍの波長を有する被測定光に
感度をもつＧａＡｓを基板とし、このＧａＡｓの表面は
酸素終端されている。さらに、反射型光電陰極４０の電
子親和力を低下させて零または負とするために、酸素終
端された領域の表面にはセシウム（Ｃｓ）が被着されて
いる。

【００１５】入射窓１２と反射型光電陰極４０との間に
は、プレート状の透過型２次電子面３０が、電極ピン５
２、５３によって保持されている。透過型２次電子面３
０は、入射光（ｈν）の波長に対して十分な透過性を有
する材料（本実施形態においては、多結晶ダイヤモン
ド）からなり、電子を放出する出力面は水素終端されて
いる。したがって、出力面はその仕事関数が低下させら
れ、負の電子親和力を有する光電面（以下ＮＥＡ光電
面）となっている。

【００１６】この透過型２次電子面３０と入射窓１２と
の間には、増倍された２次電子を収集するためのリング
状の陽極２０が棒状の電極ピン５１、５４によって保持
されている。

【００１７】電極ピン５１、５２、５３、５４はステム
１４に設けられた絶縁物質１４１を貫通して真空容器６
０の外部まで達し、電極ピン５１、５４は、電極ピン５
２、５３に対して正電圧が印加されている。また、電極
ピン５２、５３は、ステム１４に対して正電圧が印加さ
れている。

【００１８】次に本実施形態に係る光電子増倍管１０の
動作を説明する。

【００１９】入射窓１２を透過した被測定光である入射
光（ｈν）は、入射窓１２と反射型光電陰極４０との間
に設置された透過型２次電子面３０を透過し、反射型光
電陰極４０に到達し吸収される。入射光（ｈν）の吸収
により反射型光電陰極４０で生成された光電子ｅは、Ｃ
ｓ原子が被着された表面から真空中へ逆方向に放出され
る。そして、この光電子ｅは、反射型光電陰極４０に対
して正電圧を印加された透過型２次電子面３０の方向に
加速されてその入力面に入射し、透過型２次電子面３０
内でエネルギーを失い多数の２次電子ｅ’を励起する。
励起された２次電子ｅ’は透過型２次電子面３０内を移
動して、入射光（ｈν）の入射した出力面から再び真空
中へ放出される。真空中へ放出された２次電子ｅ’は、
透過型２次電子面３０に対して正電圧を印加された陽極
２０に収集され、信号電流として検出される。

【００２０】このように、入射光（ｈν）経路と光電子
及び電子増倍部を通過する二次電子の電子軌道とを追跡
すると、入射光（ｈν）の入射方向と二次電子の電子軌
道とが反対方向であることがわかる。このことは、本実
施形態に係る光電子増倍管１０が入射窓と反射型光電陰
極の間に透過型２次電子面を有するからこそ実現され、
ここに本実施形態の特徴がある。

【００２１】次に、本発明による光電子増倍管１０の第
２実施形態と第３実施形態を説明する。

【００２２】図２は第２実施形態に係る光電子増倍管１
０の端面図である。同図に示す光電子増倍管１０は第１
実施形態と同様の真空容器６０を有する。そして、この
真空容器６０の内部には、ステム１４の中央部に形成さ
れた絶縁物質１４２の真空側に、棒状の電極ピン５５に
接続された反射型光電陰極４０が設置されている。電極
ピン５５は絶縁物質１４２を貫通し、反射型光電陰極４
０が透過型２次電子面３０に対して低電位になるよう
に、電極ピン５５に電圧が印加される。

【００２３】そして、第１実施形態と同様に入射窓１２
と反射型光電陰極４０との間には、透過型２次電子面３
０が電極ピン５２、５３によって保持されているが、第
１実施形態と異なる点は、透明導電膜からなる陽極２１
が入射窓１２の真空側に、側管１１と接して設けらてい
る点である。したがって、陽極２１と真空容器６０とは
同電位になり、その電位が電極ピン５５によって外部に
取り出される。なお、本実施形態では透明導電膜として
ＩＴＯ膜が用いられている。

【００２４】さらに、上述のように陽極２１が形成され
ているため、第１実施形態と比較して、２次電子を収集
するための表面積が大きくなり、放出された２次電子の
収集効率が高くなる。またさらに、陽極２１と入射窓１
２とが一体構成されているので光電子増倍管１０の薄型
化が可能となる。

【００２５】図３は、第３実施形態に係る光電子増倍管
１０の端面図である。同図に示す光電子増倍管１０は、
第２実施形態と同様の真空容器６０を有している。真空
容器６０の内部には、ステム１４の中央部に設けられた
絶縁物質１４２の真空側に反射型光電陰極４０が設置さ
れ、反射型光電陰極４０と入射窓１２の間に透過型２次
電子面が設けられている。第２実施形態と異なる点は、
より高い増倍率を得るために２枚の透過型２次電子面３
０１、３０２がカスケードに組み合わされている点であ
る。

【００２６】第１実施形態と同様に、入射光（ｈν）の
吸収により反射型光電陰極４０で生成された光電子ｅ
は、反射型光電陰極４０のＣｓ原子からなる表面から真
空中に放出される。そして、この光電子ｅは、反射型光
電陰極４０に対して正電圧を印加された反射型光電陰極
側から１枚目の透過型２次電子面３０１の入力面に入射
し、透過型２次電子面内でエネルギーを失い多数の２次
電子ｅ’を励起する。励起された２次電子ｅ’は透過型
２次電子面内を移動して、出力面から再び真空中へ放出
される。真空中へ放出された２次電子ｅ’は、反射型光
電陰極側から１枚目の透過型２次電子面３０１に対し
て、正電圧を印加された反射型光電陰極側から２枚目の
透過型２次電子面３０２の入力面に入射する。そして、
この２次電子ｅ’は、同様に増倍された２次電子ｅ’’
を２枚目の透過型２次電子面３０２の出力面から再び真
空中へ放出する。真空中へ放出された２次電子ｅ’’
は、透過型２次電子面３０２に対して正電圧を印加され
た陽極２１に収集され、信号電流として検出される。

【００２７】このように、本実施形態に係る光電子増倍
管１０では、透過型２次電子面が非常に薄型であるの
で、カスケードに複数個接続するのに適しており、薄型
化と同時に高い増倍率を有する光電子増倍管が可能であ
る。

【００２８】本発明は、上記実施形態に限定されること
なく様々な変形が可能である。例えば、第１実形態にお
いて、入射窓１２はホウ珪酸ガラスからなると好ましい
が、被測定光に対して十分な透過率を有するものであれ
ば、例えば石英ガラス、サファイア、フッ化マグネシウ
ムなどでもよい。また、透過型２次電子面３０は被測定
光に対して十分な透過率を有し、実用的な２次電子放出
効率を有する材料であればよく、機械的強度、コスト、
２次電子放出効率などの点からはダイヤモンドまたはダ
イヤモンドを主成分とする材料、特に多結晶ダイヤモン
ドが最も適した材料である。反射型光電陰極４０につい
ては、ＧａＡｓの表面を酸素終端し、更にその表面にＣ
ｓを被着したＮＥＡ光電面を例に説明したが、被測定光
の波長において最も分光感度特性のよい材料を選択すれ
ばよい。

【００２９】また、透過型２次電子面３０の出力面は、
出力面を水素終端した後、さらにアルカリ金属またはそ
の化合物を被着したもの、または酸素終端した後、さら
にアルカリ金属またはその化合物を被着したもの、また
はフッ素で終端した後、更にアルカリ金属またはその化
合物を被着したもの等とすることができ、これにより多
結晶ダイヤモンド表面の仕事関数を低下させることがで
きる。さらに透過型２次電子面３０の両端、すなわち入
力面と出力面との間にバイアス電圧を印加して、透過型
２次電子面内に生成された２次電子を出力面側に加速す
る方向に電界を形成し、より高い２次電子放出効率を得
ることが可能である。

【００３０】また、陽極２１としては光透過性の優れた
透明導電膜にＩＴＯ膜を用いることが好ましいが、入射
光に対して高い透過率を有する導電性の膜、例えば非常
に薄い金属の蒸着膜でも、入射光に対して高い透過率で
かつ十分な電気伝導を有していれば用いることができ
る。

【００３１】また、第３実施形態において、透過型２次
電子面３０１、３０２が２枚カスケード接続されたもの
を例に説明したが、十分な入射光の透過率を確保できれ
ば３枚以上の透過型２次電子面を接続し、より高い増倍
率を得ることも可能である。

【００３２】さらに第２、第３実施形態では、透明導電
膜による陽極２１が入射窓１２の内側、すなわち真空側
に形成されているものを例に説明したが、第１実施形態
と同様に陽極２０が別途設けられているものでもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明による光電子増倍管によれば、入
射窓と反射型光電陰極との間に薄型の透過型２次電子面
が設置されているので、反射型光電陰極から放出された
光電子が被測定光の入射方向に対して反対方向を進みな
がら２次電子増倍され、陽極で収集されることになる。
したがって、電子軌道を確保するために必要な空間を大
幅に縮小することができ、しかも、２次電子増倍部を電
子の直線軌道上に設けることができる。このような新機
軸をうち出すことによって、光電子増倍管のさらなる小
型化、薄型化を達成することができる。

【００３４】特に、陽極が入射窓の真空側に形成された
透明導電膜からなるようにした場合、陽極と入射窓とを
一体構成にできるので、光電子増倍管のさらなる小型
化、薄型化を達成可能とする。

【００３５】さらに、低コストかつ大量生産に適した反
射型光電陰極を光電子増倍管に用いることによって、小
型化、薄型化を同時に達成した光電子増倍管を安価に提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る光電子増倍管の端面図であ
る。

【図２】第２実施形態に係る光電子象倍管の端面図であ
る。

【図３】第３実施形態に係る光電子象倍管の端面図であ
る。

【図４】従来の反射型光電陰極と反射型２次増倍面を用
いた光電子増倍管の端面図である。

【図５】従来の透過型光電陰極と反射型２次増倍面を用
いた光電子増倍管の端面図である。

【符号の説明】

１０…光電子増倍管、１２…入射窓、２０…陽極、２１
…透明導電膜からなる陽極、３０…透過型２次電子面、
４０…反射型光電陰極、６０…真空容器。

フロントページの続き (72)発明者 山田 正美 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定光が入射される入射窓と、 前記被測定光の入射によって励起された電子が前記被測
   定光の入射面から放出される反射型光電陰極と、 前記入射窓と前記反射型光電陰極との間に設置され、前
   記入射窓から入射された被測定光を透過させると共に前
   記反射型光電陰極側から入射した電子を２次電子増倍し
   て前記入射窓側から放出する透過型２次電子面を有する
   増倍手段と、 前記反射型光電陰極に対して正電圧が印加され、前記透
   過型２次電子面で増倍された電子を収集する陽極と、 前記反射型光電陰極と前記透過型２次電子面と前記陽極
   とを密封すると共に前記入射窓が取り付けられる真空容
   器と、を備えることを特徴とする光電子増倍管。
2. 【請求項２】 前記透過型２次電子面がダイヤモンドま
   たはダイヤモンドを主とする材料からなることを特徴と
   する請求項１記載の光電子増倍管。
3. 【請求項３】 前記陽極が前記入射窓の真空側に形成さ
   れた透明導電膜からなることを特徴とする請求項１記載
   の光電子増倍管。
4. 【請求項４】 前記増倍手段は、前記透過型２次電子面
   を複数カスケードに接続して構成されることを特徴とす
   る請求項１記載の光電子増倍管。