光電子増倍管とは？

光電子増倍管は、2つの科学的原理を使用して、単一の入射光子の効果を増幅します。 それらは、紫外線、可視、および近赤外線周波数の動作範囲で高ゲインと低ノイズ応答を実現するために、感光材料と入射光角度のさまざまな構成で作られています。 もともと応答性の高いテレビカメラとして開発された光電子増倍管は、現在多くのアプリケーションで使用されています。

半導体の発明により、光電子増倍管を除いて、真空管は電子産業から大幅に排除されました。 このデバイスでは、単一の光子が窓またはフェースプレートを通過して、光電材料でできた電極である光電陰極に衝突します。 この材料は、特定の周波数で光光子のエネルギーを吸収し、光電効果と呼ばれる結果として電子を放出します。

これらの放出された電子の効果は、二次放出の原理を使用して増幅されます。 光電陰極から放出された電子は、ダイノードと呼ばれる一連の電子増倍板の最初に集中します。 各ダイノードで、入ってくる電子により追加の電子が放出されます。 カスケード効果が発生し、入射光子が増幅または検出されました。 したがって、「光電子増倍管」という名前の根拠は、単一の光子の非常に小さな信号が、光電子増倍管からの電流の流れによって容易に検出できるポイントまで強化されることです。

光電子増倍管のスペクトル応答は、主に2つの設計要素によるものです。 ウィンドウのタイプによって、デバイスに渡すことができるフォトンが決まります。 フォトカソード材料は、光子に対する応答を決定します。 設計のその他のバリエーションには、チューブの端に取り付けられたウィンドウまたはフォトカソードからフォトンストリームが跳ね返されるサイドウィンドウが含まれます。 ゲインまたは増幅は、二次放出プロセスによって制限され、加速電圧が増加しても増加しないため、多段光電子増倍管が開発されました。

光電陰極の応答は、入射した光子の数ではなく、入射した光子の周波数に依存します。 光子の数が増加すると、発生する電流は増加しますが、放出される電子の周波数は、窓と光電陰極の組み合わせに対して一定です。これは、アルバートアインシュタインが光の粒子の性質の証拠として使用した結果です。

光電子増倍管のゲインは、最大1億倍の範囲です。 この特性は、低ノイズまたは不当な信号とともに、これらの真空管を非常に少ない数の光子の検出に不可欠にします。 この検出機能は、天文学、暗視、医療用画像処理などの用途に役立ちます。 半導体バージョンが使用されていますが、真空管光電子増倍管は、コリメートされていない光線の検出に適しています。つまり、光線は互いに平行な経路を進んでいません。

光電子増倍管は最初にテレビカメラとして開発され、テレビ放送が明るい光のスタジオ撮影を超えて、より自然な設定やオンサイトのレポートに移行できるようになりました。 そのアプリケーションでは、電荷結合素子（CCD）に置き換えられていますが、光電子増倍管は依然として広く指定されています。 光電子増倍管の開発作業の多くは、20世紀後半に米国と旧ソビエト連邦の施設でRCAによって行われました。 21世紀の最初の数十年、世界の光電子増倍管のほとんどは、浜松ホトニクスの日本企業によって製造されています。