【技術】光電子倍増管とは

概要

光電子倍増管（Photomultiplier Tube, PMT）は、微弱な光信号を極めて高感度で電気信号に変換するための真空管型光検出器です。光子が1個入射しただけでも、それに対応する電子信号を数百万倍に増幅できるため、レーザー光の検出、蛍光測定、天文観測、核物理実験などに広く用いられています。

PMTは、光電面（光電子を放出する部分）、ダイノード列（電子を段階的に増幅する電極群）、およびアノード（最終的に電流を取り出す電極）から構成されます。現在でも、極微弱な光の検出を必要とする実験や計測で不可欠なデバイスです。

特徴

光電子倍増管の主な特徴は、以下の通りです。

• 超高感度：光子1個の検出が可能（シングルフォトン感度）
• 高速応答：ナノ秒オーダーの時間分解能
• 広い波長感度：200〜900 nmの範囲に対応（光電面の材質による）

一方、短所としては、真空管構造であるため高電圧（数百〜数千V）が必要であり、耐衝撃性が低い点や、動作温度範囲が限られる点が挙げられます。また、CMOSやAPDなどの半導体型センサーと比べると小型化が難しいという課題もあります。

原理

光電子倍増管の原理は、主に3つの物理プロセスに基づいています：①光電効果による電子放出、②二次電子放出による電子増倍、③電荷収集による電流出力です。以下、それぞれを数式を交えて詳しく解説します。

1. 光電効果による電子放出

入射した光子が光電面（フォトカソード）に吸収されると、電子が放出されます。この現象はアインシュタインの光電方程式で表されます：

$$ E_k = h\nu – \phi $$

ここで、\(E_k\) は電子の運動エネルギー、\(h\) はプランク定数、\(\nu\) は光の周波数、\(\phi\) は光電面の仕事関数です。入射光子のエネルギーが十分であれば、1個の光子が1個の電子を放出します（量子効率：QE）。

2. ダイノードによる電子倍増

放出された光電子は、加速されて第一ダイノードに衝突します。ここで複数の二次電子が放出され、次のダイノードへ向かいます。この過程が連続して起こることで、指数関数的に電子が増えます。

1段あたりの増倍率を \(\delta\)、ダイノードの段数を \(n\) とすると、最終的な電子数 \(N\) は以下のように近似されます：

$$ N = \delta^n $$

例えば、\(\delta = 4\)、\(n = 10\) の場合、\(N = 4^{10} = 1,048,576\)、つまり1光子で100万個以上の電子が得られます。

3. アノードによる電流検出

増幅された電子は最終的にアノードに収集され、外部回路に電流として出力されます。この電流 \(I\) は、入射光強度 \(P\)、量子効率 \(\eta\)、利得 \(G = \delta^n\)、光子エネルギー \(h\nu\) によって次のように表されます：

$$ I = \eta \cdot G \cdot \frac{P}{h\nu} \cdot q $$

ここで \(q\) は電子の電荷です。このようにして、光の強度が電流として読み取れるのです。

応答時間とノイズ特性

PMTの応答時間は主にダイノード間の飛行時間に依存し、通常は1〜10 ns程度です。ノイズ源としては主に暗電流、ショットノイズ、熱電子放出（サーモイミッション）などがあります。検出限界に近い微弱光検出では、これらの雑音低減設計が重要になります。

歴史

光電子倍増管は1930年代に発明され、1940年代から科学実験や高エネルギー物理、天文観測で活躍してきました。日本の科学者・中谷宇吉郎がその理論に寄与したとも言われています。1950年代には高増倍率・低ノイズ性能が評価され、蛍光測定やスキャナー、CT装置にも応用が広がりました。

その後、冷却型やマイクロチャンネルプレート型などのバリエーションが登場し、今日でも高感度測定の分野で第一線の技術として使われています。

応用例

光電子倍増管は以下のような分野で利用されています：

• レーザー蛍光測定（LIF）：レーザー誘起蛍光の検出
• タイムコリレーション計測（TCSPC）：発光寿命の測定
• ラマン分光：微弱な散乱光の増幅検出
• 大気観測（ライダー）：後方散乱信号の取得
• 素粒子物理：チェレンコフ光検出、光電子計数

今後の展望

近年では、PMTに代わる選択肢としてAPD（アバランシェフォトダイオード）やSiPM（シリコンフォトマルチプライヤ）も台頭していますが、PMTは依然として高感度・広帯域・低ノイズが求められる場面で不可欠です。

今後は小型化・低電圧化・耐環境性能の向上が進むとともに、量子計測、バイオイメージング、次世代ライダー技術への応用も期待されます。また、SiPMとPMTのハイブリッド構造も注目されています。

まとめ

光電子倍増管は、微弱な光信号を正確に電気信号として増幅できる強力な光検出器です。その基本原理を理解することで、レーザー光学、分光計測、放射線検出など、さまざまな先端技術の基盤に触れることができます。

参考文献

• Hamamatsu Photonics, “Photomultiplier Tubes: Basics and Applications”, 3rd ed.
• Saleh, B.E.A., and Teich, M.C., “Fundamentals of Photonics”, Wiley, 2019
• Hecht, E., “Optics”, Addison-Wesley, 5th ed., 2017
• J. Wilson and J.F.B. Hawkes, “Optoelectronics: An Introduction”, Prentice Hall, 1998