【光学】光電子増倍管とは

光を極めて微弱な電気信号に変換できる装置、それが光電子増倍管（Photomultiplier Tube、PMT）です。
非常に微弱な光でも検出できるため、科学実験や医療、天文学など幅広い分野で利用されています。

この記事では、光電子増倍管の基本原理から構造、応用例までをわかりやすく解説します。

概要

光電子増倍管は、光が当たると電子が飛び出す光電効果の原理を利用した光センサーです。
通常の光電管では微弱な光を検出するのが難しいのに対し、PMTは飛び出した電子を連鎖的に増幅することで、単一光子レベルの微弱な光でも検出可能にしています。

特徴としては以下の点が挙げられます。

• 非常に高感度で微弱光の検出が可能
• 高速応答が可能で、光の瞬間的変化も捉えられる
• 光電子を増幅することで信号を大きくできる

詳細な説明および原理

光電子増倍管は、光電効果と電子増倍の原理を組み合わせた装置です。順を追って仕組みを見ていきます。

1. 光電効果による電子の発生

まず、光が光電子増倍管の光電面（カソード）に当たると、光電効果により電子が飛び出します。
このときの電子の数は入射する光子の数に比例します。

飛び出した電子の運動エネルギーは次の式で表されます。

$$ K = h\nu – \phi $$

• h : プランク定数
• ν : 光の周波数
• Φ : 光電面の仕事関数

ここで生じる電子が光電子です。

2. 電子の増幅（ダイノード）

光電子増倍管の最大の特徴は、電子を段階的に増幅できることです。
飛び出した光電子は、複数のダイノード（Dynode）に順次衝突します。

• ダイノードに電子が衝突すると、さらに複数の電子が放出されます
• これを連鎖的に繰り返すことで、最終的に数百万倍に増幅された電子が得られます

増幅率 (G) はおおよそ

$$ G = \delta^n $$

• Δ : 1段あたりの増幅率
• n : ダイノードの段数

で表されます。例えば、10段のダイノードで1段あたり5倍の増幅率なら、最終的には $$5^{10} \approx 9.8 \times 10^6$$ 倍に増幅されます。

3. 信号の検出

増幅された電子は最終的にアノードに集められ、電流として測定されます。
これにより、極めて微弱な光信号でも、容易に電気信号として観測できます。

応用例（具体例）

光電子増倍管はその高感度・高速応答性を活かして多岐にわたる分野で活用されています。

1. 天文学

• 宇宙から届く微弱な光を観測するために使用
• 超新星観測やガンマ線バーストの検出にも不可欠

2. 医療分野

• PET（Positron Emission Tomography）装置に使用
• 微量な放射線を検出し、高解像度の画像生成を可能に

3. 放射線測定・分析

• 放射線検出器や分光装置に組み込まれ、微弱信号を増幅して測定
• ラボ実験や工業検査にも活用

4. 光計測・研究分野

• 蛍光分析や化学実験で微弱な光を測定
• 量子光学や光子実験など最先端研究にも利用

まとめ

光電子増倍管は、光電効果を基盤とし、電子の増幅機構を組み合わせた高感度光センサーです。

ポイントまとめ

• 光電面に光が当たると電子が飛び出す（光電効果）
• ダイノードを用いて電子を段階的に増幅
• 微弱光でも検出可能で、天文学や医療、実験など幅広い分野で活用
• 増幅率は (G = Δ^n) で表され、段数や1段の増幅率で調整可能

微弱な光信号を正確に測定できる技術として、現代の科学や医療に欠かせない装置です。
光の世界を「見えない光」まで可視化する魔法のような装置といえます。