Scintillation counter II：photomultiplier tube

🧠 光電子増倍管photomultiplier 光電子増倍管（photomultiplier）photomultiplier（光電子増倍管） は、一個のシンチレーション scintillation シンチレーション（scintillation） scintillation（シンチレーション） 光子から生じた光電子 photoelectron 光電子（photoelectron） photoelectron（光電子） をダイノード dynode ダイノード（dynode） dynode（ダイノード） 列で増やし、測定可能な電気パルスへ変換する。

光電変換と電子増倍

シンチレーション結晶scintillation crystalシンチレーション結晶（scintillation crystal）scintillation crystal（シンチレーション結晶）からの光が光電面 photocathode 光電面（photocathode） photocathode（光電面） へ入ると、光電効果photoelectric effect 光電効果（photoelectric effect）photoelectric effect（光電効果） で電子が放出される。電子は収束電極 focusing electrode 収束電極（focusing electrode） focusing electrode（収束電極） で第一ダイノード dynode ダイノード（dynode） dynode（ダイノード） へ導かれ、衝突ごとに複数の二次電子 secondary electrons 二次電子（secondary electrons） secondary electrons（二次電子） を出す。電位が段階的に高いダイノード dynode ダイノード（dynode） dynode（ダイノード） を通るため、増倍multiplication (electron multiplication) 増倍（multiplication (electron multiplication)）multiplication (electron multiplication)（増倍） が連鎖する。¹²

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='scintillation'>シンチレーション</span>光子"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='photocathode'>光電面</span>で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='photoelectron'>光電子</span>を生成"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dynode'>ダイノード</span> 1で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary electrons'>二次電子</span>放出"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dynode'>ダイノード</span>列で段階的に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='multiplication (electron multiplication)'>増倍</span>"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='anode'>陽極</span>で電荷を回収"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pulse height'>パルス高</span>・時刻を解析"]

出力パルスの情報

陽極anode 陽極（anode）anode（陽極） 電荷は最初の光電子 photoelectron 光電子（photoelectron） photoelectron（光電子） 数、したがって結晶へ沈着したエネルギーにおおむね比例する。高電圧high 高電圧（high）high（高電圧） 変動、暗電流dark current暗電流（dark current）dark current（暗電流）、量子効率quantum efficiency量子効率（quantum efficiency）quantum efficiency（量子効率）、利得gain 利得（gain）gain（利得） の統計揺らぎ statistical fluctuation 統計揺らぎ（statistical fluctuation） statistical fluctuation（統計揺らぎ） はエネルギー分解能 energy resolution エネルギー分解能（energy resolution） energy resolution（エネルギー分解能） を悪化させる。

装置内での役割

PMTは高利得 gain 利得（gain） gain（利得） と速い時間応答 time response 時間応答（time response） time response（時間応答） をもつため、ガンマカメラgamma cameraガンマカメラ（gamma camera）gamma camera（ガンマカメラ）の位置計算やパルス高pulse heightパルス高（pulse height）pulse height（パルス高）・同時計数coincidence detection 同時計数（coincidence detection）coincidence detection（同時計数） 処理に適する。磁場に敏感なので強磁場環境では別の光検出器 light detector 光検出器（light detector） light detector（光検出器） を選ぶ。

まとめ

• 光電面photocathode 光電面（photocathode）photocathode（光電面） が光子を電子へ変え、ダイノードdynode ダイノード（dynode）dynode（ダイノード） 列が二次電子 secondary electrons 二次電子（secondary electrons） secondary electrons（二次電子） を増倍 multiplication (electron multiplication) 増倍（multiplication (electron multiplication)） multiplication (electron multiplication)（増倍） する。
• 陽極anode 陽極（anode）anode（陽極） パルスは沈着エネルギーと到来時刻の情報をもつ。
• 高電圧high 高電圧（high）high（高電圧） 安定性と統計揺らぎ statistical fluctuation 統計揺らぎ（statistical fluctuation） statistical fluctuation（統計揺らぎ） が利得 gain利得（gain） gain（利得）・エネルギー分解能energy resolution エネルギー分解能（energy resolution）energy resolution（エネルギー分解能） を制限する。