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利用者:原子力の熊/光電子増倍管

光電子増倍管 上方から光子が入り込む
光電子増倍管の構造 左側から入射した単一の光子が光電陰極に衝突して1つの電子に変換される。この電子が最初のダイノードに衝突すると、多数の電子の放出が起こり、複数のダイノードで電子がなだれのように増幅される。

光電子増倍管（こうでんしぞうばいかん、Photomultiplier Tube; PMT）は、光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電管を基本に、電流増幅（＝電子増倍）機能を付加した高感度光検出器で、「フォトマル」または「PMT」と略称されることもある。右の写真のように頭部から光が入射する「ヘッドオン（エンドオン）型」と、側方から光が入射する「サイドオン型」とに大別される。

一般的には、高真空のガラス（または金属）容器中に光電陰極 (Photocathode) 、10個前後の「ダイノード (Dynode) 」と呼ばれる二次電子増倍電極、陽極 (Anode) 、およびその他の電極（Electrode）を封入した構造を有する。陰極（－）と陽極（＋）間に1000 V前後の電圧を与え、両者間にあるダイノードには電子を加速するため、100 V程度ずつの段階的電圧を与えて使用する。

入光窓から入射した光子のエネルギー（hν）は光電陰極から光電子を叩き出し、その光電子は集束電極（Focusing electrode）により効率よく導かれるとともに、加速電圧によりエネルギーを与えられて電子増倍部の第一ダイノードに衝突する。その結果、1個の光電子は数個の二次電子を叩き出し、それらは第二ダイノードに入ってさらに増倍される。このように、二次電子は隣り合うダイノード間の電位差により加速されながら電子増倍部を通過する間に次々と増倍され、最終的には数十万倍から一千万倍以上になって陽極に到達し、信号電流として外部に取り出される。例えば、二次電子放出比が5のダイノードが10個ある場合、総合的なゲインは5の10乗（約1000万）に達する。

入光窓や光電陰極の材料を選択することにより、115 nm（ナノメートル）の真空紫外域から1700 nmの赤外域に至る広い範囲で、波長選択的に光検出が可能なことも特長である。光電面には仕事関数の小さいアルカリ金属が用いられる。直径としては10 mm程度のものから、スーパーカミオカンデにてニュートリノ観測用に使用されている50 cmのものまでが製品化されている。また通常型以外にも、二次電子増倍部にダイノードを使用せず、マイクロチャンネルプレート（MCP）や、チャンネルトロンを使用したタイプも存在する。蛍光体を組み合わせることでX線やガンマ線（γ線）など放射線の検出も可能である。

フォトンカウンティング法（光子計数法）により、単一光子レベルまで検出可能な超高感度、高速動作、低ノイズ、広い受光面積などを特長とし、分光分析、高エネルギー物理学、天文学、製版用ドラムスキャナ、医療診断（ガンマカメラ、PET等）、血液分析、石油探査、環境測定、バイオテクノロジー、半導体製造、材料開発その他の用途に広く使用されている。

日本国内では、浜松ホトニクス（株）が唯一のメーカーである。

関連項目

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概要

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光電子増倍管（こうでんしぞうばいかん、Photomultiplier Tube; PMT）は真空管の一種であり、光電管に分類される。光電子増倍管は紫外線、可視光線および近赤外線にあたる光を検出する装置である。これは、入射光による光電子を増幅することで電気信号として取り出すものである。感度の良いものでは、光子一つでさえ検出することが可能である。

アバランシェフォトダイオードなどの半導体素子も似た機能を持っているが、向きが不揃いな光を低ノイズ、高感度で検出するには光電子増倍管が適している。最近では99%以上の検出効率を持つような高感度のものも開発されている。こうした高感度のものは量子情報の分野、特に量子暗号への応用が気体される。光電子増倍管の基本原理は暗視装置と類似のものである。

歴史

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発明前夜

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光電子増倍管の動作原理は、光電効果と二次電子放出の二つの現象によって支えられている。 光電効果は物体に光を照射した場合に表面から電子が飛び出す現象であり、二次電子放出は電子を照射した場合に一個または複数の電子が飛び出す現象である。

光電効果は、1887年にハインリヒ・ヘルツによって発見された。彼の最初の実験では、紫外線が使用された。[1] J. Elster と H. Geitel は、その二年後に可視光をナトリウムやカリウムといったアルカリ金属に照射することで同様の現象を確認した。[2] さらにセシウムは可視光の赤の部分に対しても光電効果を起こすことが確認された。

光電効果に理論的基礎を与えたのはアルベルト・アインシュタインである。彼は1905年に、後に量子論の礎となる光量子仮説を唱えて光電効果を説明した。これにより、彼は1921年にノーベル賞を受賞した。光電効果において放出される電子の数は入射光の強度に比例し、入射光の波長にはほぼ依存しない。これは光が量子化されていることを示唆している。ヘルツはアインシュタインよりも18年早く現象を確認していたが、このことには気付かなかった。

1902年に Austin と Starke は、金属表面に電子ビームを照射すると、入射電子より多くの電子が放出されることを報告した。[3] 当初この現象は特に注目されず、この二次電子を信号増幅に使用したのは第一次世界大戦後の1919年、ウェスティングハウスの科学者 Joseph Slepian が取得した特許が初めてであった。[4]

光電子増倍管の発明

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1934年、アメリカ合衆国ニュージャージー州のハリソンにおいて、RCAの研究チームが光電子増倍管の原型となる装置を発明した。Harley Iams と Bernard Salzberg は、真空の箱の中に、光電効果を起こす陰極と、二次電子放出体を設置した。これにより、信号を増幅することができることを実証したのである。この装置の陰極は円柱状であり、その軸上に二次電子放出体が配置された。このことは1934年6月にアメリカの無線学会 (Institute of Radio Engineers)に論文として投稿された。[5]これによれば、10kHz以上の周波数の光について、およそ8倍のゲインを得ることができた。ここでいうゲインとは、光電子の数と二次電子の数の比である。[6]

ロシア連邦共和国のヨシフ・スターリンは、巨大な放送網を構築するために、RCA製の無線装置を導入した。そして All-Union Scientific Research Institute for Television を設立し、真空管の研究開発の準備を進めた。冷戦前の1930年代にはRCAの多くの科学者がロシアを訪れ、RCA製の放送設備について指導を行ったり、要望を集めたりした。[7]その中で1934年9月に、RCAのウラジミール・ツヴォルキンは、当時28歳であったロシアの科学者 Leonid A. Kubetsky が発明した、複数のダイノードを用いた最初の光電子増倍管を紹介された。1934年6月に行われた実験では、この装置により1000倍以上のゲインが得られた。これは二年後の1936年7月に論文となった。[8]この業績はロシア科学アカデミーによっても高く評価されており、この光電子増倍管を "Kubetsky's Tube" と呼んでいる。[9]このロシア製光電子増倍管の特徴は、二次電子を閉じ込めるために磁場を用いていることと、ゼネラル・エレクトリックが1920年代に開発した酸化銀セシウム(Ag-O-Cs)の光電陰極を使用していることであった。

1935年に、アメリカ合衆国ニュージャージー州カムデンのRCAの研究チームであるウラジミール・ツヴォルキン、George Ashmun Morton、Louis Malterは、後に光電子増倍管と呼ばれる装置についての包括的な報告を、アメリカ無線学会において、実験および理論の両面から行った。[10]彼らが試作した光電子増倍管も酸化銀セシウムを光電陰極に使用しており、800 nmの波長を持つ光に対して 0.4 % の量子効率を持っていた。

1936年には、セシウムアンチモン(Cs3Sb)が光電陰極として優秀であると、P. Gorlich によって報告された。[11]セシウムアンチモン光電陰極は400 nmの波長を持つ光に対して12%もの量子効率を持っており、これを光電陰極およびダイノードの両方に用いたRCAの光電子増倍管(931型)は商業的にも成功をおさめた。

光電陰極のスペクトル応答

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1940年代前半に、米国の工業規格標準化団体の一つであるJEDEC (Joint Electron Devices Engineering Council、半導体技術協会)は、光電陰極のスペクトル応答を設計するシステムを開発した。[12]その設計思想は、顧客が関心を持っているのは装置の動作特性のみであり、その製造方法は重要ではない、ということを考慮したものであった。様々な物質による光電陰極と「窓」の組み合わせにより、S-1からS-40までの「S番号」(S-numbers, spectral numbers)が提案された。このS番号は今日でも使われている。例えば、S-11はセシウムアンチモンの光電陰極と石灰ガラスの窓、S-13は同じ光電陰極に石英ガラスの窓、そしてS-25はいわゆる「マルチアルカリ」つまりNa-K-Sb-Cs(ナトリウム-カリウム-アンチモン-セシウム)の光電陰極を用いるものであり、可視光の赤色部分にまで感度を持つものである。光電陰極にInP/InGaAs(Cs)を用いたものは最大で1700ナノメートル程度にまで感度を持っているが、[13] それ以上の波長の光を検出できるものは、現在のところ報告されていない。

関連企業

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RCA

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RCAは光電子増倍管の開発や改良について、その黎明期から長い間、中心的な役割を担っていた。また、RCAは光電子増倍管の商業化にも尽力し、Photomultiplier Handbookという冊子を編集し、無料で頒布した。これはRCAの後継団体によって、現在でもオンラインで無料配布されている。RCAは1980年代後半にゼネラル・エレクトリックに買収され、その光電子増倍管部門は独立した一企業となった。

ランカスター工場

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ランカスター工場はアメリカ海軍によって1942年に設立され、RCAによってラジオ用真空管やマイクロ波管の製造のために運用された。第二次世界大戦の後はRCAに払い下げられ、RCA Lancasterとして知られるようになった。ランカスター工場はそれ以後、商用テレビ受像機の開発や製造の重要な拠点となった。そして後にはブラウン管や光電子増倍管、監視カメラといった光学機器を広く取り扱うようになった。

Burle Industries

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Burle Industries, as a successor to the RCA Corporation, carried the RCA photomultiplier business forward after 1986, based in the Lancaster, Pennsylvania facility. The 1986 acquisition of RCA by General Electric resulted in the divestiture of the RCA Lancaster New Products Division. Hence, 45 years after being founded by the U.S. Navy, its management team, led by Erich Burlefinger, purchased the division and in 1987 founded Burle Industries.

The RCA Photomultipler Handbook, along with another famous RCA reference work, has been available on the Burle Industries website.[14]

In 2005, after eighteen years as an independent enterprise, Burle Industries and a key subsidiary were acquired by Photonis, a European holding company Photonis Group. Following the acquisition, Photonis was composed of Photonis Netherlands, Photonis France, Photonis USA, and Burle Industries. Photonis USA operates the former Galileo Corporation Scientific Detector Products Group (Sturbridge, Massachusetts), which had been purchased by Burle Industries in 1999. The Group is known for microchannel plate detector (MCP) electron multipliers—an integrated micro-vacuum tube version of photomultipliers. MCPs are used for imaging and scientific applications, including night vision devices.

On 9th March 2009 Photonis announced that it would cease all production of photomultipliers at both the Lancaster, Pennsylvania and the Brive, France plants. [15]

Other companies

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The Japan-based company Hamamatsu Photonics (also known as Hamamatsu) has emerged since the 1950s as a leader in the photomultiplier industry. Hamamatsu, in the tradition of RCA, has published its own handbook, which is available without cost on the company's website. Hamamatsu uses different designations for particular photocathode formulations and introduces modifications to these designations based on Hamamatsu's proprietary research and development.

Structure and operating principles

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Schematic of a photomultiplier tube coupled to a scintillator

Photomultipliers are constructed from a glass envelope with a high vacuum inside, which houses a photocathode, several dynodes, and an anode. Incident photons strike the photocathode material, which is present as a thin deposit on the entry window of the device, with electrons being produced as a consequence of the photoelectric effect. These electrons are directed by the focusing electrode toward the electron multiplier, where electrons are multiplied by the process of secondary emission.

The electron multiplier consists of a number of electrodes called dynodes. Each dynode is held at a more positive voltage than the previous one. The electrons leave the photocathode, having the energy of the incoming photon (minus the work function of the photocathode). As the electrons move toward the first dynode, they are accelerated by the electric field and arrive with much greater energy. Upon striking the first dynode, more low energy electrons are emitted, and these electrons in turn are accelerated toward the second dynode. The geometry of the dynode chain is such that a cascade occurs with an ever-increasing number of electrons being produced at each stage. Finally, the electrons reach the anode, where the accumulation of charge results in a sharp current pulse indicating the arrival of a photon at the photocathode.

There are two common photomultiplier orientations, the head-on or end-on design, as shown above, where light enters the flat, circular top of the tube, and the side-on design, where light enters at a particular spot on the side of the tube. Besides the different photocathode materials, performance is also affected by the transmission of the window material that the light passes through, and by the arrangement of the dynodes. A large number of photomultiplier models are available having various combinations of these, and other, design variables. Either of the manuals mentioned will provide the information needed to choose an appropriate design for a particular application.

Usage considerations

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Photomultiplier

Photomultiplier tubes typically utilize 1000 to 2000 volts to accelerate electrons within the chain of dynodes. The most negative voltage is connected to the cathode, and the most positive voltage is connected to the anode. Negative high-voltage supplies (with the positive terminal grounded) are preferred, because this configuration enables the photocurrent to be measured at the low voltage side of the circuit for amplification by subsequent electronic circuits operating at low voltage. Voltages are distributed to the dynodes by a resistive voltage divider, although variations such as active designs (with transistors or diodes) are possible. The divider design, which influences frequency response or rise time, can be selected to suit varying applications. Some instruments that use photomultipliers have provisions to vary the anode voltage to control the gain of the system.

While powered (energized), photomultipliers must be shielded from ambient light to prevent their destruction through overexcitation. If used in a location with strong magnetic fields, which can curve electron paths, photomultipliers are usually shielded by a layer of mu-metal. This magnetic shield is often maintained at cathode potential. When this is the case, the external shield must also be electrically insulated because of the high voltage on it.

Typical applications

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  • Photomultipliers were the first electric eye devices, being used to measure interruptions in beams of light.
  • Photomultipliers are used in conjunction with scintillators to detect nuclear and particle radiation in physics experiments.
  • Photomultipliers are used in research laboratories to measure the intensity and spectrum of light-emitting materials such as compound semiconductors and quantum dots.
  • Photomultipliers are used in numerous medical equipment designs. For example, blood analysis devices used by clinical medical laboratories utilize photomultipliers to determine the relative concentration of various components in vials of blood drawn in doctors' offices, in combination with optical filters and incandescent lamps.

High sensitivity applications

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After fifty years, during which solid-state electronic components have largely displaced the vacuum tube, the photomultiplier remains a unique and important optoelectronic component. Perhaps its most useful quality is that it acts, electronically, as a nearly perfect current source owing to the high voltage utilized in extracting the tiny currents associated with weak light signals. There is no Johnson noise associated with photomultiplier signal currents even though they are greatly amplified, e.g., by 100 thousand times (i.e., 100 dB) or more. The photocurrent still contains Shot noise.

Photomultiplier-amplified photocurrents can be electronically amplified by a high-input-impedance electronic amplifier (in the signal path, subsequent to the photomultiplier), thus producing appreciable voltages even for nearly infinitesimally small photon fluxes. Photomultipliers offer the best possible opportunity to exceed the Johnson noise for many configurations. The aforementioned refers to measurement of light fluxes that, while small, nonetheless amount to a continuous stream of multiple photons.

For smaller photon fluxes, the photomultiplier can be operated in photon counting or Geiger mode (see also: single-photon avalanche diode). In Geiger mode the photomultiplier gain is set so high (using high voltage) that a single photo-electron resulting from a single photon incident on the primary surface generates a very large current at the output circuit. However, owing to the avalanche of current, a reset of the photomultiplier is required. In either case, the photomultiplier can detect individual photons. The drawback, however, is that not every photon incident on the primary surface is counted either because of less-than-perfect efficiency of the photomultiplier, or because a second photon can arrive at the photomultiplier during the "dead time" associated with a first photon and never be noticed.

A photomultiplier will produce a small current even without incident photons; this is called the dark current. Photon counting applications generally demand photomultipliers designed for low dark current.

Nonetheless, the ability to detect single photons striking the primary photosensitive surface itself reveals the quantization principle that Einstein put forth. Photon-counting (as it is called) reveals that light, not only being a wave, consists of discrete particles (i.e., photons).

See also

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References

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  1. ^ H. Hertz, Ann. Physik 31, 983 (1887)
  2. ^ J. Elster and H. Geitel, Ann. Physik 38, 497 (1889).
  3. ^ H. Bruining, Physics and applications of secondary electron emission, (McGraw-Hill Book Co., Inc.; 1954).
  4. ^ J. Slepian, Westinghouse Electric, "Hot Cathode Tube," U.S. Patent 1, 450, 265, April 3, 1923 (Filed 1919)
  5. ^ H. E. Iams and B. Salzberg, "The secondary emission phototube," Proc. IRE, Vol. 23, pp. 55-64 (1935).
  6. ^ G・F・ノル　『放射線計測ハンドブック 第3版』　木村逸郎・阪井英次訳、日刊工業新聞社、2001年、308頁。
  7. ^ A.B. Magoun (amagoun@davidsarnoff.org), Adding Sight to Sound in Stalin’s Russia: RCA and the Transfer of Television Technology to the Soviet Union, Society for the History of Technology (SHOT), Amsterdam (2004)
  8. ^ Leonid Aleksandrovitch Kubetsky, "Multiple Amplifier", Proc. IRE 25(4), 421-433 (1937)
  9. ^ B.K. Lubsandorzhiev, "On the history of photomultiplier tube invention", arXiv:physics/0601159v1, 2006.
  10. ^ V.K. Zworykin, G.A. Morton, and L.Malter, "The secondary-emission multiplier-a new electronic device," Proc. IRE, Vol. 24, pp. 351-375 (1936).
  11. ^ P. Gorlich, "Uber zusammengesetzte, durchsichtige Photokathoden," 2. Physik, Vol. 101, p. 335 (1936).
  12. ^ "Relative spectral response data for photosensitive devices ("S" curves)," JEDEC Publication No. 50, Electronic Industries Association, Engineering Department, 2001 I Street, N.W., Washington, D.C. 20006 (1964)
  13. ^ “Hamamatsu PMT Handbook”. 2009年4月21日閲覧。 p 34, Table 4-1: Typical Spectral Response Characteristics, Transmission Mode Photocathodes
  14. ^ PhotoMultiplier Hand-Book
  15. ^ [http://www.photonis.com/holding/news/press_release_photonis_is_announcing_the_halt_of_its_photomultiplier_activity Press release

Bibliography

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  • Engstrom, Ralph W., Photomultiplier Handbook, RCA (1980).
  • Photomultiplier Tubes: Basics and Applications (Second Edition), Hamamatsu Photonics, Hamamatsu City, Japan, (1999).
  • Flyckt, S.O. and Marmonier, C., Photomultiplier Tubes: Principles and Applications, Philips Photonics, Brive, France (2002).
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