JPH10500802A - アンバランシホトダイオード、扁平な入力端および球体形式の入力端を有する光電子増倍管における電位分布をシミュレートする導体を備えた光電子増倍管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光電子増倍管は位置感応陽極としてアバランシホトダイオードを使用している。光電子増倍管の容器は扁平な入力端を有している。この入力端にマウントされている導電領域は、入力端に、球体形式の入力端に直接隣接する横断面において見たときに球体形式の入力端を有する光電子増倍管に特徴的にである電位分布を生成するように構成されている。光電陰極は、光電子増倍管内部に位置しておりかつ導電領域に電気的に接続されている。有利には、容器は扁平な側面および正方形の横断面を有している。この場合、導体は、容器と同じ形状を有している扁平な表面において見たとき、横断面が円筒形である光電子増倍管に特徴的である電位分布を容器内に生成するために、前記側面に沿って延在している。

Description

【発明の詳細な説明】 アンバランシホトダイオード、扁平な入力端および球体形式の入力端を有する光 電子増倍管における電位分布をシミュレートする導体を備えた光電子増倍管発明の背景 本発明は、光検出器、およびもっと特定すれば光電子増倍管の形式の光検出器 に関する。そのもっと直接的な意味において、本発明は、核医学に使用されるよ うなガンマカメラおよびＰＥＴ（Positoron Emission Tomography）スキャナの 検出器に使用されるのに適している、光電子増倍管の形式の光検出器に関する。 光電子増倍管は、入射光放射を電気信号に変換するデバイスである。光電子増 倍管において、光は光電陰極に入射され、光電陰極はこれに応答して光電子を生 成する。光電子は通例、例えば金属合金から成る一連のダイノードに指向されて いる。金属合金の表面酸化物は高い２次放出率を有している。（この種の合金の 例は、ＡｇＭｇ，ＣｕＢｅおよびＮｉＡｌであり、その表面酸化物はそれぞれ、 ＭｇＯ，ＢｅＯおよびＡｌ₂Ｏ₃である）。光電子がダイノードに衝突するとき、 衝撃によって、複数の（典型的には３ないし３０の）２次電極が放出するように なり、２次電極はそこで、それらが一連のダイノードのうち次のダイノードに 衝突するとき、更なる２次電子を生成する。一連のダイノードのうち最後のダイ ノードにおいて、最初の光電子の数は著しく増倍され、かつ最後の電子ビームが 光電子増倍管の陽極に衝突するとき、光電子増倍管は、最初の入射光が非常に低 い強度であるときですら、後続の電子回路において使用されるのに十分な大きさ である出力信号を生成する。 光電子増倍管は、数多くの場合、シンチレーションカメラ（例えばガンマカメ ラおよびＰＥＴスキャナ）において使用される。これらのデバイスにおいて、放 射はシンチレーション結晶に入射され、そこで放射は結晶と相互作用してシンチ レーション光の閃光（“シンチレーションイベント”）を生成する。このシンチ レーションイベントからの光は光電子増倍管によって観測され、光電子増倍管は 後続の回路およびデータ処理装置において使用される電気出力信号を生成する。 両種類のデバイスにおいて、光電子増倍管の性能は問題がある。更に、両種類 のデバイスにおいて、空間分解能（一般に、性能のキーポイントと考えられてい る）は管の大きさに依存している。即ち、管が小さければ小さい程、分解能はよ くなる。（このことは、従来の光電子増倍管が、シンチレーションイベントから の光がその入力面に存在しているかどうかのみを指示しかつイベントがどこに位 置しているかを指示していないという理由による。シンチレーションイベントの ロケーションを十分な精度で、即ち光電子増倍管の光電陰極の寸法より良好であ る空間分解能によって検出するために、複数の光電子増倍管を使用しかつシンチ レーション光が１つ以上の光電子増倍管を同時に包囲するのに十分な大きさであ るエリアを介して拡がるようにすることが必要である。従来の検出器の構成にお いて、７５mmの直径を有する光電子増倍管は４mmの空間分解能を発生することが できる。５０mmの直径を有する光電子増倍管は３mmのオーダにある空間分解能を 発生することができる。）しかしながら、光電子増倍管のコストは本質的なもの でありかつ一般に管の大きさによって変化せず、かつそれぞれの光電子増倍管は 、例えば電力制御利得等を行うために電気回路を必要とするので、ガンマカメラ およびＰＥＴスキャナの設計者には、採算のとれる機器を製造する必然的な結果 として、コストパフォーマンスの妥協的解決を計りかつ比較的大きな光電子増倍 管および劣化する空間分解能を受け入れるという制約がある。 最近、通例光電子増倍管に使用されているダイノードおよび陽極に代わって半 導体ダイオードまたはアバランシホトダイオード（“ＡＰＤ”）を使用すること が提案されている。即ち、その結果得られる合成デバイスは、真空アバランシホ トダイオード（Vacuum Avalanche Photodiode＝“ＶＡＰＤ”）またはハイブリ ッドホトマルチプライヤ（Hybrid Photomultiplier T ube＝“ＨＰＭＴ”）と称されている。これにより、位置感応デバイスが形成さ れ、デバイスの線形性は改善されかつ出力におけるＳＮ比も改善される。 ＡＰＤが使用されているところでは、合成ＶＡＰＤまたはＨＰＭＴは、ガンマ カメラおよびＰＥＴスキャナの検出器におけるコストを著しく低減できるという 潜在能力を有している。それは、比較的少ない数のＶＡＰＤまたはＨＰＭＴを使 用しかつこれにより管当たりの関連コストを低減することができるという理由か らである。 しかしながら、合成ＶＡＰＤまたはＨＰＭＴがガンマカメラにおいて技術的に 実現可能であるようにするためには、光電陰極における光の像はＡＰＤにおいて 正確に最小化されなければならない。このことは、従来のように、合成ＶＡＰＤ またはＨＰＭＴがその扁平な入力端を有するガラス容器および従来の光電陰極を 使用しているならば、そうはならない。 というのは、ガラス容器の扁平な入力端に組み込まれている従来の光電陰極が 入力端におけるすべての点に同じ電位を供給するからである。このことは、管が 位置感応形のものであるならば、管の応答を歪ませることになる。即ち、位置感 応デバイスにおいて、入射光のロケーションの変化が、陽極におけるロケーショ ンの相応の変化を適切に招来しないことになる。その結果、合成ＶＡＰＤまたは ＨＰＭＴは歪んだ出力信号 を生成することになる。 更に、この種のＶＡＰＤまたはＨＰＭＴは、ＰＥＴスキャナへの使用にも適し ていない。ＰＥＴスキャナは、共通の消滅場所から同時に放出される消滅量子の 対を検出することによって動作する。この種の“一致検出”技術が利用されると き、システムは、数十ナノセカンド、場合によっては数ナノセカンド内に互いに 間隔を置いて生じる２つの量子を“探す”。それ故に、ＶＡＰＤまたはＨＰＭＴ の時間応答が、（例えば光電子増倍管の入力端の中心またはその縁部において） シンチレーションイベントのロケーションに無関係であることが重要である。 このことは、扁平な入力端を有するＶＡＰＤまたはＨＰＭＴにおいてはそうな らない。というのは、光電陰極の中心からの光電子が、光電陰極の縁部からの光 電子より一層早期にアバランシホトダイオードに到着する（比較的短い“トラン シット時間”を有する）からであり、かつ扁平な入力端の大きさが時間的に受け 入れられない大きさのずれを生じるからである。 それ故に、入力端における光像をＡＰＤにおいて正確に最小化しかつ光電子ト ランシット時間を光電陰極におけるロケーションに無関係にする、扁平な入力端 およびＡＰＤを有する光電子増倍管を提供することが有利である。 本発明の１つの目的は、入力端における光像が、Ａ ＰＤにおいて正確に最小化されるようにしかつまた、光電陰極におけるロケーシ ョンに無関係であるトランシット時間が生じるようにする、扁平な入力端および ＡＰＤを有する光電子増倍管を提供することである。 別の目的は、一般に、この一般的な形式の公知のデバイスを改良することであ る。 本発明は、公知の提案を、光電子増倍管における光電陰極に対する理想的な形 が球体の部分であるように改良する。本発明によれば、モデルは、球体形式の入 力端を有する光電子増倍管における、即ち入力端が球体の部分である光電子増倍 管における電位分布から構成されている。更に、モデルは、入力端に直接隣接す る横断面において測定されたときに、この電位分布がどのようであるかを検出す るように構成されている。その場合、光電陰極構造は、このようにして検出され た電位分布を生成するように構成されている。このことは、入力端に、適当な電 位源に接続されているとき所望の電位分布を生成する金属領域を取り付けること によって実現される。その場合光電陰極は、金属領域に電気的に接続されている ように光電子増倍管の内部に取り付けられている。この種の光電陰極構造が光電 子増倍管のガラス容器の扁平な入力端に固定されているとき、光電子増倍管は、 球体形式の入力端を有する光電子増倍管のように作用する。 有利には、ガラス容器は扁平な側面を有しかつ横断 面において矩形に（更に有利には正方形に）形成されている。これにより、光電 子増倍管は一緒に密にまとめられることが可能になる。この実施例において、導 体は側面にマウントされかつ導体上に、容器と同じ形状を有している扁平な表面 において見たとき、横断面において円筒形である光電子増倍管に特徴的である電 位分布を生成する。 更に有利には、光電陰極は、容器内に配置されている金属化領域上に従来技術 を使用して蒸着（deposition）されている。コバール（Kovar）ピンのような電 極が容器内に位置されている。即ち、電極の内側の端部は、金属化領域と接触し ておりかつ電極の外側の端部は、適当な電位に接続されるために使用可能である 。図面の簡単な説明 次に本発明を図示の実施例を参照して詳細に説明するが、図面に限定されるも のではない。その際 第１図は、球体形式の入力端および円形の横断面を有する従来の光電子増倍管内 の等電位線を示す略図であり、 第２図は、第１図の光電子増倍管の球体形式の入力端に直接隣接する横断面を示 す略図であり、 第３図は、第２図の横断面において見たとき、環状の構造を有する光電陰極によ って、第１図の等電位線をどのように生成することができるかを示す略図であり 、 第４Ａ図および第４Ｂ図は、本発明の有利な実施例の入力端を説明する略図であ り、 第５図は、扁平な側面を有する本発明の有利な実施例を形成するために使用され ているモデリング方法を説明する略図であり、 第６図は、本発明の有利な実施例の断面略図であり、 第７図は、第６図に図示の有利な実施例に内面における金属化された領域のパタ ーンを示す３次元の概略図である。有利な実施例の詳細な説明 分かり易くするために、各図は略示されておりかつスケールは実寸ではない。 従来は、第１図に示されているように、共通に参照番号４で示されている光電 子増倍管の入力端２は、表面板（例えばコバール封止ガラスの）から形成されて おりかつ光電陰極は表面板の内面に取り付けられており（例えば蒸着によって） かつ単一の電位源に接続されている（接続および源は図示されていない）。表面 板が球体形式の形状を有しかつ光電子増倍管４が円形の横断面および軸線８に関 して近似的に対称である集束電極を有するところでは、容器内の電位分布は高度 に対称形である。このような対称形の電位分布によって、入力端２における光像 は、光電子増倍管の陽極として用いられるＡＰＤ上で間違いなく最小化されるこ とになり、かつＡＰＤに達するために光電子が必要と するトランシット時間は、光電陰極におけるロケーションによって変化すること はない。 しかしながら、球体形式の入力端を有する光電子増倍管をシンチレーションカ メラ（例えばガンマカメラまたはＰＥＴスキャナ）の検出器に使用することは実 現可能でない。それは、光電子増倍管がシンチレーション結晶と親密な動作関係 になければならないという理由による。この理由のために、この種の光電子増倍 管の入力端の外面は扁平でなければならない。 比較的小さな光電子増倍管、例えば２インチまたはそれ以下の直径を有する光 電子増倍管に対して、入力端は、扁平な外面と、その上に光電陰極を取り付ける ことができる球体形式の内面を有することができる。しかしながら、このことは 、２インチを超える直径を有する光電子増倍管に対しては、入力端の周囲が十分 厚くなければならないという理由から実現可能でない。それ故に、直径が２イン チを超える光電子増倍管に対しては、扁平な内面を有する扁平な入力端を使用し かつ光電陰極をその扁平な内面に取り付けるという以外に選択肢はない。 光電陰極が光電子増倍管の扁平な入力端の扁平な内面に蒸着されているとき、 容器内の電位分布は第１図に図示の分布とは非常に異なっている。結果として、 この種の光電子増倍管の扁平な入力端における像は、ＡＰＤ上に投影されるとき 歪を受けることになりかつ 光電陰極の中心からの光電子に対するトランシット時間は、光電陰極の周囲から の光電子に対するトランシット時間より短いことになる。 これらのファクターを補正するために、球体形式の入力端および円形の横断面 を有する光電子増倍管における第１図の電位分布がモデル化されている。この種 のモデルは、２次元または３次元において、区切られた領域または表面の内部電 子分布を解決するコンピュータプログラムを使用して構成されている。即ち、外 部導体および内部導体における既知の電位が特定され、かつプログラムはすべて の他の所望の点における電位を決定する。（パーソナルコンピュータにおいて実 行するために設計されているこの形式のこの種のコンピュータプログラムは、J ．Vac．Sci．Technol． B 8(6)，第１６５７ないし１６６５頁、１９８０年１１ 月、１２月）。次いで、この電位分布は、入力端２に直接隣接する横断方向に広 がる面１０において見たとして、計算される（第２図参照）。このような計算の 結果として、第３図に示されているような、光電子増倍管の軸線に定心されてい る環状の等電位線１２が生じる。この種の電位分布は、扁平な表面板の内面に導 電性の環状体を取り付けかつこれら環状体を適当な電位に接続することによって 近似することができる。 本発明の有利な実施例によれば（第４Ａ図および第４Ｂ図参照）、扁平な表面 板２′の環状領域１４は金 属化されており（例えば、金属、例えばアルミニウムストリップを取り付けるこ とによって）かつ表面板を通っている電極１６を使用して適当な電位に接続され ている。有利には、表面板２′はコバール封止ガラスから成り、電極１６はコバ ールから成り、かつワイヤ導体（図示されていない）がこれら電極を適当な電位 源（図示されていない）に接続するが、これらの材料および接続法は必須ではな い。環状領域１４の数は、球体形式の表面板（例えば第１図における表面板２） によって生成されるはずの理想的な電位分布と、製造ユニットによって生成され る実際の電位分布との間の所望の類似性によって決定される。 環状の領域１４が金属化された後、光電陰極がそれらに取り付けられる。従来 通り、このことは蒸着によって行われる。その結果は、種々の電位における同心 の環状の光電陰極のセットを形成している構造体であり、このセットが、球体形 式の表面板２′における光電陰極によって横断方向に広がる面１０に生成される ことになる電位分布にほぼ近似している電位分布を扁平な表面板２′上に生成す るのである。この種の電位分布によって、本発明の有利な実施例による光電子増 倍管の入力端における像は、ＡＰＤにおいて正確に最小化され、かつ光電子のト ランシット時間は、光電陰極におけるロケーションによって変化しない。 有利には、光電子増倍管の容器は方形の横断面を有 している。これにより光電子増倍管は密にまとめられることができるようになる 。この種の容器内に第１図に示されている電位分布と類似した電位分布を生成す るために、第１図の電位分布が（第５図に示されているように、容器と同じ形状 を有する扁平な側壁において見られるとして）、面１０に関して使用されるのと 同じ計算方法を使用して計算される。結果得られる電位分布は、導体を側壁に沿 って案内することによってシミュレートすることができる（第７図参照）。即ち 、導体は、光電陰極は側壁に配置されていないので、透明である必要はない。 第６図には、本発明の有利な実施例が略示されている。そこに見て取ることが できるように、この有利な実施例は、正方形の横断面およびコバール封止ガラス から成る表面板２′によって形成されている扁平な入力端を有している。環状の アルミ化された領域１４は、表面板２′の内面に位置しておりかつコバールピン １６を介して適当な電位源（図示されていない）に接続されている。コバールピ ンは表面板２′にわたって拡がっている。光電陰極はアルミ化された領域にわた って取り付けられている。 従来のイメージ管におけるように、この有利な実施例は、陰極装置３０（それ はコバールリングであってよい）、コーン形状の陽極（それはコバールリングで あってよい）および１つまたは複数の形状電極３４（ それはコバール製の“サドルリング”であってよい）を有している。これらの構 成要素は、従来より公知でありかつこれ以上説明しない。 有利な実施例は、半導体ダイオードのアレイ２４、有利には、容器２０の後端 ２６に隣接して位置している、衝突イオン化利得およびアバランシ利得を発生す るために構成されているシリコンアバランシホトダイオードの４×４のアレイも 有している。後続の電子回路に接続するために後端２６においてアレイ２４から のリード線２８が出ている。 第７図には、表面板２′および容器２０の内面における金属化された領域１４ のパターンが示されている。それぞれの領域１４は、コバールピン１６によって 外部に接続されている。ピンの方は適当な電位源に接続されている（図示されて いない）。容器２０内部において、電位分布は、球体形式の入力端および円筒形 の容器を有する従来の光電子増倍管内に存在するはずの電位分布を近似している 。 これまで有利な実施例について説明してきたが、本発明の範囲は、請求の範囲 によってのみ制限されるものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内部と、内面と、扁平な入力端とを有する容器とを備え、 前記内面にマウントされている金属化された導電領域を備え、該領域は、これら が適当な電位源に接続されているとき、これらが前記入力端に、球体入力端に直 接隣接している横断面において見たときに球体形式の入力端を有する光電子増倍 管の特徴的な電位分布を生成し、 前記内面に取り付けられかつ前記導電領域に電気的に接続されている光電陰極を 備え、かつ 前記容器内に配置されている半導体ホトダイオードを備えている ことを特徴とする光電子増倍管。 ２．前記容器は扁平な側面を有しかつ横断面が矩形でありかつ更に、前記扁平 な側面に位置されている導体を有しており、該導体は、前記容器と同じ形状を有 している扁平な表面において見たとき、横断面が円筒形である光電子増倍管に特 徴的である電位分布を前記側面に生成するように構成されている 請求項１記載の光電子増倍管。 ３．前記半導体ホトダイオードは、衝突イオン化利得およびアバランシ利得の 両方を生成するように構成されている 請求項１記載の光電子増倍管。 ４．前記容器は横断面が正方形である 請求項２記載の光電子増倍管。