JP2023512183A

JP2023512183A - ガス電子増倍器基板の光電子増倍管

Info

Publication number: JP2023512183A
Application number: JP2022544249A
Authority: JP
Inventors: スコットマッキニー、ケヴィン
Original assignee: ベイカーヒューズホールディングスエルエルシー
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2023-03-24
Also published as: WO2021158596A1; CN115053324A; EP4100988A4; US20210242002A1; EP4100988A1; US11201041B2

Abstract

光電子増倍管は、近位端部及び遠位端部を含むハウジングと、ハウジングの近位端部に配置された光学窓と、ハウジングの遠位端部に配置された端壁プレートと、端壁プレートを貫通するフィードスルーと、光学窓と端壁プレートとの間に配置されたガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板と、を含む。【選択図】図３

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年２月３日に出願された「ＧａｓＥｌｅｃｔｒｏｎＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒＢｏａｒｄＰｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ」と題する米国特許仮出願第６２／９６９，３８９号の利益を主張し、その全体が参照により組み込まれる。

光電子増倍管チューブ（photomultiplier tube、ＰＭＴ）は、吸収された光子のエネルギーを放出された電子に変換して、電気信号を生成することによって、電磁スペクトルの紫外、可視、及び近赤外範囲の光を検出し得る。いくつかのＰＭＴは、電子増倍のための真空管及びダイノード構造を使用する。それらは、入射光によって生成される電流を、複数のダイノード段階で、１億倍（例えば、約１６０ｄＢ）にも増倍し、それによって、低い検出閾値を可能にする。

いくつかのＰＭＴは、真空圧力下で維持されるガラス製ハウジングに基づいて構築される。しかしながら、そのようなＰＭＴは、例えば、真空ガラス管構造を使用し得、内部構造（例えば、ダイノード構造及び接続部）が複雑で繊細であり得るため、脆弱であり、高温又は振動に耐えることができない可能性がある。

一実施形態では、デバイスは、ハウジング、光学窓、端壁プレート、フィードスルー、及びガス電子増倍器（gas electron multiplier、ＧＥＭ）基板を含む。ハウジングは、近位端部及び遠位端部を含み得る。光学窓は、ハウジングの近位端部に配置され得る。端壁プレートは、ハウジングの遠位端部に配置され得る。フィードスルーは、端壁プレートを貫通し得る。ガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板は、光学窓と端壁プレートとの間に配置され得る。

以下の特徴のうちの１つ以上が、任意の実行可能な組み合わせに含まれ得る。例えば、デバイスは、光学窓の表面上に薄膜としてコーティングされた光カソードを含み得る。光カソードは、カリウムナトリウムアンチモン化物を含み得る。フィードスルーは、端壁プレートを貫通する導電性ワイヤと、導電性ワイヤと端壁プレートとの間の気密シールとを含み得る。光学窓は、サファイアを含み得る。ハウジングは、チタン又はアルミニウムを含み得る。デバイスは、ガス混合物を含み得、ガス混合物は、比例ガスを含む。比例ガスは、周期表の１８族又は窒素のうちの１つを含み得る。ガス混合物は、クエンチガスを更に含み得る。クエンチガスは、ＣＯ_２、ＣＨ_４、又はＣＦ_４のうちの１つを含み得る。光カソードは、少なくとも１つの蒸着された材料層を含み得る。少なくとも１つの蒸着された材料層のうちの１つ以上の厚さは、約２００ナノメートル以下であり得る。

少なくとも１つの蒸着された材料層のうちの１つ以上は、アンチモン（Ｓｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（１：１）（ＫＳｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（２：１）（ＫＳｂ_２）、アンチモンとカリウムとの化合物（５：４）（Ｋ_５Ｓｂ_４）、三酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、セシウム（Ｃｓ）、アンチモン化セシウム（Ｃｓ_３Ｓｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、セシウム含有ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ（Ｃｓ））、ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ）、酸素含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ｏ））、銀含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ａｇ））、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、酸化セシウム（Ｃｓ_２Ｏ）、テルル化セシウム（Ｃｓ_２Ｔｅ）、ガリウムアルミニウムヒ化物（Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．７５Ａｓ）、ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ）、セシウム含有ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ（Ｃｓ））、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セシウム含有窒化ガリウム（ＧａＮ（Ｃｓ））、リン化ガリウム（ＧａＰ）、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ（Ｃｓ））、インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ（Ｃｓ））、リン化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化リチウム（Ｌｉ_３Ｓｂ）、酸素（Ｏ）、カリウム（Ｋ）、アンチモン化カリウム（Ｋ_３Ｓｂ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、カリウムセシウムアンチモン化物（Ｋ_２ＣｓＳｂ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）、カリウムナトリウムセシウムアンチモン化物（（Ｃｓ）Ｎａ_２ＫＳｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、アンチモン化ナトリウム（Ｎａ_３Ｓｂ）、ヒ化ナトリウム（Ｎａ_３Ａｓ）、ナトリウムセシウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＣｓＳｂ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、ナトリウムカリウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＫＳｂ）、ルビジウムセシウムアンチモン化物（Ｒｂ_２ＣｓＳｂ）、銀（Ａｇ）、銀ビスマス酸素セシウム（Ａｇ－Ｂｉ－Ｏ－Ｃｓ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び銀酸素セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含み得る。

少なくとも１つの蒸着された材料層のうちの１つ以上は、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、臭素（Ｂｒ）、セシウム（Ｃｓ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びテルル（Ｔｅ）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含み得る。少なくとも１つの蒸着された材料層のうちの１つ以上は、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含み得る。電位差が、光カソードとＧＥＭ基板との間に印加され得る。デバイスは、読み出しアノードを含み得る。デバイスは、集束素子を含み得る。集束素子は、導電性シリンダ又はリングを含み得る。ハウジングは、円筒状であり得る。

各図面の簡単な説明は、本開示の発明を実施するための形態で使用される図面をより十分に理解するために提供される。
ダイノードを備える真空管光電子増倍管の例を示す図である。ダイノードを備える真空管光電子増倍管を示す概略図である。例示的な実施形態による、ガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板を使用する光電子増倍管を示す概略図である。ＧＥＭ基板を備える電子増倍の機構を示す概略図である。例示的な実施形態による、光電子増倍管内の電子経路のシミュレーション結果を示す概略図である。光カソードとガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板との間のハウジング内に印加される電位場を示す概略図である。本開示の例示的な実施形態による、ＧＥＭ基板を使用する別の例示的な光電子増倍管を示す概略側面断面図である。図６Ａの光電子増倍管を示す等角断面図である。

上に参照された図面は、本開示の基本原理を例示する様々な特徴の幾分簡略化された表現を提示し、必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。例えば、特定の寸法、向き、位置、及び形状を含む本開示の特定の設計特徴は、特定の意図された用途及び使用環境によって部分的に決定される。

ガラス製真空管構造に起因して、いくつかの光電子増倍管チューブ（ＰＭＴ）は、ダウンホール掘削用途などの、ＰＭＴを高温及び高振動に曝す作業環境では、壊れやすく、適合不可である場合がある。ガラス製真空管ＰＭＴも、信頼性がなく、高価であり得る。したがって、本開示の実施形態は、これらの欠陥に対処する改善された光電子増倍管を提供する。一例として、改善された光電子増倍管は、耐久性のあるハウジングと、衝撃及び振動性能を改善するガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板とを含み得る。いくつかの実施形態では、ダイノード構造は、デバイスの長さを低減するために、１つ以上のＧＥＭ基板で置き換えられ得る。改善された光電子増倍管の用途としては、ダウンホール掘削用途におけるガンマ線検出、セキュリティ用途、ヘルスケア用途用の放射能検出などを挙げることができるが、これらに限定されない。

図１は、ダイノード１００を使用する真空管光電子増倍管の一例を示し、図２は、ダイノード１００を備える真空管光電子増倍管の概略図を示す。図２を参照すると、ダイノード１００を備える真空管光電子増倍管は、ガラス管１１０の端部に配置された光学窓１０５を通して入射光を受容し得る。ガラス管１１０は、真空圧力下で維持される。光カソード１１５は、光学窓１０５上に配置され、複数のダイノード１２０は、ガラス管１１０内に配置され、アノード１２５は、複数のダイノード１２０の後に配置される。アノード１２５及び複数のダイノード１２０の各々は、フィードスルーを通してコネクタピン１３０に接続されている。動作中、入射光子は、光学窓１０５の内部表面上に堆積（例えば、蒸着）された薄い導電層の形態であり得る光カソード１１５材料に衝突し得る。光電効果に起因して、光カソード１１５材料の表面から電子が放出され得る。放出された電子は、集束電極１４０によって電子増倍器に向かって方向付けられ得、二次放出によって電子は増倍される。ダイノード１２０の各々は、電子を引き付け、より多くの二次電子１４５を生成するために、先行するダイノードよりも増大するより高い正電位（例えば、約１００ボルト）に供され得る。いくつかの実施形態では、検出の目標波長に応じて、シンチレータ１３５は、光学窓１０５の前に配置され得る。例えば、ガンマ線を検出するために、高エネルギー光子１５０は、シンチレータ１３５内の低エネルギー光子１５５に変換され得、低エネルギー光子１５５は、光カソード１１５によって一次電子１６０に変換され得る。

図３は、本開示の例示的な実施形態による、ガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板３０５を使用する光電子増倍管３００の１つの例示的な実施形態の概略図を示す。図６Ａ～図６Ｂは、ＧＥＭ基板を使用する別の例示的な光電子増倍管を示す。図３を参照すると、光電子増倍管３００は、近位端部３１０ｐ及び遠位端部３１０ｄを含むハウジング３１０を含み得る。光電子増倍管３００は、ハウジング３１０の近位端部に配置された光学窓３１５と、ハウジング３１０の遠位端部３１０ｄに配置された端壁プレート３２０とを含み得る。ＧＥＭ基板３０５は、光学窓３１５と端壁プレート３２０との間に配置され得る。端壁プレート３２０を貫通するフィードスルーは、ＧＥＭへの電気接続を行うために含まれ得る。

ハウジング３１０は、金属などの耐久性のある材料を含み得る。いくつかの実現形態では、ハウジング３１０は、チタン、アルミニウム、又はそれらの合金が挙げられるが、これらに限定されない材料から形成され得る。いくつかの実現形態では、ガラスなどの材料が利用される。しかしながら、ハウジング３１０を形成する材料は、これらに限定されず、様々な他の耐久性のある材料が使用され得る。

光学窓３１５は、耐久性のある光学的透過性材料を含み得る。いくつかの実現形態では、光学窓３１５は、サファイアから形成され得る。サファイアは、紫外から近赤外までの広い光学的透過性帯域、高い機械的強度、高い耐擦傷性及び耐摩耗性、並びに高温能力に起因して、光学窓３１５を形成するために使用される場合に利点を提供し得る。

端壁プレート３２０もまた、耐久性のある材料から形成され得る。いくつかの実現形態では、端壁プレート３２０は、ハウジング３１０と同じ金属材料から形成され得る。他の実施形態では、端壁プレート３２０は、ハウジング３１０とは異なる材料から形成され得る。特定の実施形態では、端壁プレート３２０は、セラミック又は金属から形成され得る。端壁プレート３２０が導電性材料（例えば、金属）から形成される実現形態では、コネクタピンのためのフィードスルーは、絶縁され得る。これらの絶縁体は、例えば、ガラス対金属又はセラミック対金属封止を使用して、端壁プレート３２０に封止されたセラミック又はガラスを含み得る。

ハウジング３１０、光学窓３１５、及び端壁プレート３２０を形成するための耐久性のある材料の使用に起因して、光電子増倍管３００の実施形態は、高温動作及び／又は高振動環境に耐え得る。

いくつかの実施形態では、ハウジング３１０は、実質的に円筒状の形状で形成され得る。例えば、ハウジング３１０の直径は、約１／２インチ～約１インチ（例えば、約１／２インチ、約３／４インチ、又は約１インチ）の範囲内であり得る。例えば、ハウジング３１０の特徴的な長さは、約１／２インチ～約３インチの範囲内であり得る。しかしながら、本開示の実施形態による光電子増倍管３００の寸法は、これに限定されず、寸法は、設計要件及び用途に基づいて様々に修正され得る。

いくつかの実施形態では、光カソード３２５は、光学窓３１５の内部表面上に光カソード材料をコーティングすることによって形成され得る。光カソード材料は、薄膜として堆積され得る。任意の薄膜堆積法を使用して、光カソード３２５を形成し得る。例えば、めっき、化学溶液堆積（chemical solution deposition、ＣＳＤ）、化学浴堆積（chemical bath deposition、ＣＢＤ）、ラングミュア－ブロジェット法、スピンコーティング、浸漬コーティング、化学蒸着（chemical vapor deposition、ＣＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、及び原子層堆積（atomic layer deposition、ＡＬＤ）などの化学堆積、又は物理蒸着（physical vapor deposition、ＰＶＤ）、分子線エピタキシ（molecular beam epitaxy、ＭＢＥ）、スパッタリング、レーザ堆積、及びエレクトロスプレー堆積などの物理堆積を使用して、光カソード３２５を光学窓３１５（例えば、サファイア光学窓）上にコーティングし得る。

いくつかの実現形態では、光カソード３２５は、少なくとも１つの蒸着された材料層を含み得る。例えば、１～約２０の蒸着された材料層を用いて、光カソード３２５を形成し得る。少なくとも蒸着された材料層の各々の厚さは、約２００ナノメートル（nanometer、ｎｍ）以下であり得る。少なくとも１つの蒸着された材料層の実施形態は、アンチモン（Ｓｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（１：１）（ＫＳｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（２：１）（ＫＳｂ_２）、アンチモンとカリウムとの化合物（５：４）（Ｋ_５Ｓｂ_４）、三酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、セシウム（Ｃｓ）、アンチモン化セシウム（Ｃｓ_３Ｓｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、セシウム含有ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ（Ｃｓ））、ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ）、酸素含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ｏ））、銀含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ａｇ））、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、酸化セシウム（Ｃｓ_２Ｏ）、テルル化セシウム（Ｃｓ_２Ｔｅ）、ガリウムアルミニウムヒ化物（Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．７５Ａｓ）、ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ）、セシウム含有ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ（Ｃｓ））、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セシウム含有窒化ガリウム（ＧａＮ（Ｃｓ））、リン化ガリウム（ＧａＰ）、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ（Ｃｓ））、インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ（Ｃｓ））、リン化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化リチウム（Ｌｉ_３Ｓｂ）、酸素（Ｏ）、カリウム（Ｋ）、アンチモン化カリウム（Ｋ_３Ｓｂ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、カリウムセシウムアンチモン化物（Ｋ_２ＣｓＳｂ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）、カリウムナトリウムセシウムアンチモン化物（（Ｃｓ）Ｎａ_２ＫＳｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、アンチモン化ナトリウム（Ｎａ_３Ｓｂ）、ヒ化ナトリウム（Ｎａ_３Ａｓ）、ナトリウムセシウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＣｓＳｂ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、ナトリウムカリウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＫＳｂ）、ルビジウムセシウムアンチモン化物（Ｒｂ_２ＣｓＳｂ）、銀（Ａｇ）、銀ビスマス酸素セシウム（Ａｇ－Ｂｉ－Ｏ－Ｃｓ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び銀酸素セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）からなる群から選択される１つ以上の材料を含み得る。これらの材料は、光カソード３２５の各単層に最低９０重量％含まれ得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの蒸着された材料層の各々は、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、臭素（Ｂｒ）、セシウム（Ｃｓ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びテルル（Ｔｅ）からなる群から選択される１つ以上の材料を含み得る。これらの材料は、光カソード３２５の各単層に最低９０重量％含まれ得る。

いくつかの実現形態では、少なくとも１つの蒸着された材料層の各々は、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる群から選択される１つ以上の材料を含み得る。これらの材料は、光カソード３２５の各単層に最低９０重量％含まれ得る。

いくつかの実施形態では、光カソード３２５は、カリウムナトリウムアンチモン化物を含み得る。しかしながら、光カソード材料は、上に列挙された材料に限定されず、他の光カソード材料も使用され得る。

本開示の実施形態によれば、ガス混合物は、ハウジング３１０、光学窓３１５、及び端壁プレート３２０によって画定される内部空間を充填し得る。ガス混合物は、比例ガスを含み得る。いくつかの実現形態では、比例ガスは、周期表からの１８族のガスを含み得る。代替的又は追加的に、比例ガスは、窒素を含み得る。光（又は電磁波）強度に対する電流応答の比例を制御するために、クエンチガスがガス混合物中に添加され得る。クエンチガスは、ＣＯ_２、ＣＨ_４、又はＣＦ_４のうちの１つ以上を含み得る。ガス混合物は、光電子増倍管３００の内部容積を、約１気圧以上（室温）の圧力で充填し得る。いくつかの実現形態では、圧力は、１気圧未満であり得る。光電子増倍管３００の内部容積は、ほぼ大気圧に維持されるため、光電子増倍管３００は、動作中の外部衝撃に起因する爆縮の傾向がより低くなる可能性がある。

光電子増倍管３００は、電子の濃度を増加させるために、ガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板３０５を含み得る。増倍は、例えば、図４Ａを参照して以下により詳細に示され記載されるように、電界線の濃度に起因して、ＧＥＭ基板の穴で起こり得る。ＧＥＭ基板３０５は、２つの電極間に電位差を印加し得、それによって、電子がガス内の放射線によって放出されることを可能にする。放出された電子は、増倍し得、収集領域に移動し得る。

本開示の例示的な実施形態による光電子増倍管３００内で、ＧＥＭ基板３０５は、光学窓３１５と端壁プレート３２０との間に配置され得る。いくつかの実施形態では、２つ以上のＧＥＭ基板３０５が、直列に配置され得る。例えば、２つ又は３つのＧＥＭ基板３０５を配列し（例えば、ＧＥＭ基板３０５の各々の間に軸方向の間隔で積層し）、増幅ゲインを増加させ得る。ＧＥＭ基板３０５の各々は、両側に電極でコーティングされた穿孔ポリマー箔として形成され得る。いくつかの実現形態では、ＧＥＭ基板３０５は、複数の開口部を含むように化学的に穿孔された、薄い金属被覆ポリマー箔を含み得る。例えば、ＧＥＭ基板３０５は、各側に銅電極の薄層を有する厚さおよそ５０μｍのポリアミドフィルムを含み得る。いくつかの実現形態では、各開口部の直径は、約０．１ｍｍ～約２ｍｍの範囲の値であり得る。いくつかの実現形態では、各開口部の直径は、約０．３ｍｍ～約１ｍｍの範囲の値であり得る。いくつかの実現形態では、ＧＥＭ基板３０５の厚さは、０．０２０インチ又は０．０６０インチなどの、約０．０１インチ～約０．１インチの範囲の値であり得る。いくつかの実現形態では、ＧＥＭ基板３０５の複数の開口部は、ＧＥＭ基板３０５の全領域にわたって分散され得る。いくつかの実現形態では、複数の開口部は、集束電子ビームが衝突する領域内に閉じ込められ得る。いくつかの実現形態では、例えば、高温用途について、ＧＥＭ基板３０５は、ポリイミド回路基板及び／又はセラミック回路基板を含み得る。

図４Ａは、電子増倍器４００Ａの機構を概略的に示す。イオン化比例ガス（正イオン）が、カソードに向かってドリフトし、電子が、ＧＥＭ基板３０５及び開口部の内側に向かってドリフトすると、開口部内に強い電界が生成される。したがって、電子は、ガス分子と衝突して、カスケーディングプロセスにおいて追加の電子を生成する。図４Ｂは、本開示の例示的な実施形態による光電子増倍管３００内の電子経路のシミュレーション結果４００Ｂの概略図である。

いくつかの実現形態では、光カソード３２５とＧＥＭ基板３０５との間に電位差を印加して、電子をＧＥＭ基板３０５に向かって集束させ得る。図５は、光カソード３２５とＧＥＭ基板３０５との間のハウジング３１０内に印加される電位場を概略的に示す。追加的又は代替的に、集束素子は、光カソード３２５と第１のＧＥＭ基板３０５との間に配置されて、光電子増倍管３００内に印加された電位場を形成し得る。集束素子は、導電性シリンダ又はリングを含み得る。いくつかの実施形態では、集束素子は、複数のシリンダ又はリングを含み得る。

本開示の例示的な実施形態による光電子増倍管３００は、ＧＥＭ基板３０５と端壁プレート３２０との間に読み出しアノード３３０を含み得る。増倍された電子を読み出しアノード３３０に収集して、電流の量を測定することを可能にし得る。いくつかの実現形態では、最後のＧＥＭ基板３０５の底部を使用して、電流パルスを読み出すことができる。測定された電流は、較正に基づいて光強度に変換され得る。

複数のＧＥＭ基板３０５が含まれる場合、読み出しアノード３３０は、最後のＧＥＭ基板３０５と端壁プレート３２０との間に配置され得る。本明細書では、第１のＧＥＭ基板及び最後のＧＥＭ基板は、電子の進行方向に対して定義され得る。例えば、光カソード３２５に最も近く配置されたＧＥＭ基板は、第１のＧＥＭ基板と称され得、端壁プレート３２０に最も近く配置されたＧＥＭ基板は、最後のＧＥＭ基板と称され得る。

上で考察されたように、ＧＥＭ基板３０５及び読み出しアノード３３０への電気接続を行うために、少なくとも１つのフィードスルーが、端壁プレート３２０に形成され得る。電気フィードスルー６０２を含む光電子増倍管６００の形態の光電子増倍管３００の実施形態が、図６Ａ～図６Ｂに示される。フィードスルー６０２は、端壁プレート３２０を貫通する導電性ワイヤを含み得る。導電性ワイヤと端壁プレート３２０との間に、ガス密封止が含まれ得る。例えば、気密封止を導電性ワイヤの周囲に適用して、導電性ワイヤと端壁プレート３２０との間にガス密封止を作製し得る。各ＧＥＭ基板３０５には、典型的には２つの電気接続が必要であり（両側の各電極用）、追加の２つの電気接続が必要である（カソード用のもの及び読み出しアノード用のもの）ため、ｎ個のＧＥＭ基板３０５に対応するためには、最小合計数２ｎ＋２個のフィードスルー６０２が、端壁プレート３２０を通して形成され得る。集束素子を含む実現形態では、フィードスルー６０２の数は、増加し得る。電気フィードスルー６０２を通して、負電圧が光カソード３２５に印加され得、読み出しアノード３３０が接地され得る。いくつかの実現形態では、読み出しアノード３３０は、正の高電圧であり得、光カソードは、接地され得る。ＧＥＭ基板３０５の電極は、光カソードの負電圧と読み出しアノード３３０の接地電圧との間の中間（負）電圧に維持され得る。

本明細書に記載されるように、本開示の例示的な実施形態による光電子増倍管は、光カソードのためのより強い光学窓及び耐久性のあるハウジングを含む。したがって、本開示に従う光電子増倍管は、耐高温性及び耐衝撃性を提供し得る。本開示による光電子増倍管は、ダウンホール掘削用途におけるガンマ線検出、セキュリティ用途、ヘルスケア用途の放射能検出などに使用され得る。

本開示の実施形態は、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されず、変形及び修正で具体化され得る。例示的な実施形態は、当業者が本開示の範囲を理解することを可能にするために単に提供され、これは、特許請求の範囲の範囲によって定義されるであろう。したがって、いくつかの実施形態では、プロセスの周知の動作、周知の構造、及び周知の技術は、本開示の不明瞭な理解を回避するために詳細には記載されない。本明細書全体を通して、同じ参照番号は、同じ要素を指す。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明確に示されない限り、複数形も含むものとする。「含む（comprise）」及び／又は「含んでいる（comprising）」という用語は、本明細書で用いられる場合、記載された特徴、整数、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を明記するものであるが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在若しくは追加を除外するものではない点を更に理解されたい。本明細書で使用される場合、「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のいずれか及び全ての組み合わせを含む。

本明細書で使用される場合、特に明記されない限り、又は文脈から明らかでない限り、「約」、「およそ」、及び「実質的に」という用語は、互換的に使用され、例えば平均の２標準偏差以内など、記載値の当技術分野における通常の許容範囲内と理解され得る。「約」、「およそ」、及び／又は「実質的に」は、記載値の１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％、０．０５％、又は０．０１％以内であると理解され得る。文脈から明らかでない限り、本明細書で提供される全ての数値は、「約」という用語によって修飾される。

以上、本開示は、具体的な構成要素などの具体的事項、例示的な実施形態、及び図面によって記載されているが、それらは、単に本開示の全体の理解を補助するために提供される。したがって、本開示は、例示的な実施形態に限定されない。本開示がこの記載に関連する当業者によって、様々な修正及び変更が行われ得る。したがって、本開示の趣旨は、上記の例示的な実施形態に限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲、並びに特許請求の範囲に等しく又は同等に修正された全ての技術的趣旨は、本開示の範囲及び趣旨内にあると解釈されるべきである。

Claims

デバイスであって、
近位端部及び遠位端部を含むハウジングと、
前記ハウジングの前記近位端部に配置された光学窓と、
前記ハウジングの前記遠位端部に配置された端壁プレートと、
前記端壁プレートを貫通するフィードスルーと、
前記光学窓と前記端壁プレートとの間に配置されたガス電子増倍器（ＧＥＭ）基板と、を備える、デバイス。
前記光学窓の表面上に薄膜としてコーティングされた光カソードを更に備える、請求項１に記載のデバイス。
前記光カソードが、カリウムナトリウムアンチモン化物を含む、請求項２に記載のデバイス。
前記フィードスルーが、
前記端壁プレートを貫通する導電性ワイヤと、
前記導電性ワイヤと前記端壁プレートとの間の気密封止と、を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記光学窓が、サファイアを含む、請求項１に記載のデバイス。
前記ハウジングが、チタン又はアルミニウムを含む、請求項１に記載のデバイス。
ガス混合物を更に含み、前記ガス混合物が、比例ガスを含む、請求項１に記載のデバイス。
前記比例ガスが、周期表の１８族又は窒素のうちの１つを含む、請求項７に記載のデバイス。
前記比例ガスが窒素である、請求項８に記載のデバイス。
前記ガス混合物が、クエンチガスを更に含む、請求項７に記載のデバイス。
前記クエンチガスが、ＣＯ_２、ＣＨ_４、又はＣＦ_４のうちの１つを含む、請求項１０に記載のデバイス。
前記光カソードが、少なくとも１つの蒸着された材料層を含む、請求項２に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの蒸着された材料層のうちの１つ以上の厚さが、２００ナノメートル以下である、請求項１２に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの蒸着された材料層の各々が、アンチモン（Ｓｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（１：１）（ＫＳｂ）、アンチモンとカリウムとの化合物（２：１）（ＫＳｂ_２）、アンチモンとカリウムとの化合物（５：４）（Ｋ_５Ｓｂ_４）、三酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、セシウム（Ｃｓ）、アンチモン化セシウム（Ｃｓ_３Ｓｂ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、セシウム含有ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ（Ｃｓ））、ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ）、酸素含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ｏ））、銀含有ビスマス化セシウム（Ｃｓ_３Ｂｉ（Ａｇ））、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、酸化セシウム（Ｃｓ_２Ｏ）、テルル化セシウム（Ｃｓ_２Ｔｅ）、ガリウムアルミニウムヒ化物（Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．７５Ａｓ）、ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ）、セシウム含有ガリウムヒ化リン化物（ＧａＡｓ_１－ｘＰ_ｘ（Ｃｓ））、窒化ガリウム（ＧａＮ）、セシウム含有窒化ガリウム（ＧａＮ（Ｃｓ））、リン化ガリウム（ＧａＰ）、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ（Ｃｓ））、インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）、セシウム含有インジウムガリウムヒ化リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ（Ｃｓ））、リン化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化リチウム（Ｌｉ_３Ｓｂ）、酸素（Ｏ）、カリウム（Ｋ）、アンチモン化カリウム（Ｋ_３Ｓｂ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、カリウムセシウムアンチモン化物（Ｋ_２ＣｓＳｂ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、酸化カリウム（Ｋ_２Ｏ）、カリウムナトリウムセシウムアンチモン化物（（Ｃｓ）Ｎａ_２ＫＳｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、アンチモン化ナトリウム（Ｎａ_３Ｓｂ）、ヒ化ナトリウム（Ｎａ_３Ａｓ）、ナトリウムセシウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＣｓＳｂ）、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、ナトリウムカリウムアンチモン化物（Ｎａ_２ＫＳｂ）、ルビジウムセシウムアンチモン化物（Ｒｂ_２ＣｓＳｂ）、銀（Ａｇ）、銀ビスマス酸素セシウム（Ａｇ－Ｂｉ－Ｏ－Ｃｓ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び銀酸素セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含む、請求項１２に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの蒸着された材料層の各々が、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）、臭素（Ｂｒ）、セシウム（Ｃｓ）、塩素（Ｃｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、リチウム（Ｌｉ）、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、及びテルル（Ｔｅ）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含む、請求項１２に記載のデバイス。
前記少なくとも１つの蒸着された材料層の各々が、ケイ素（Ｓｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、及び二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる群から選択される１つ以上の材料を最低９０重量％含む、請求項１２に記載のデバイス。
電位差が、前記光カソードと前記ＧＥＭ基板との間に印加される、請求項２に記載のデバイス。
読み出しアノードを更に備える、請求項１に記載のデバイス。
導電性シリンダ又はリングを含む集束素子を更に備える、請求項１に記載のデバイス。
前記ハウジングが、円筒状である、請求項１に記載のデバイス。