CN1809742A - 时间分解测定装置及位置检测型电子倍增管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时间分解测定装置(100)，其从光电子倍增管(14)的前侧MCP堆栈(30)的MCP(24)读取检测定时脉冲。基于此脉冲决定光子的检测定时。此脉冲的主要成分为与来自MCP(24)的光电子放出对应的电位上升脉冲，其具有正的极性。另一方面，在前侧堆栈(30)入射光电子并产生负的极性的脉冲，检测定时脉冲的波形发生变形。但是，由于前侧堆栈(30)比后侧堆栈(32)入射较少的光电子，因此检测定时脉冲所包含的负成分较少。其结果是时间分解测定的时间精确度提高。

Description

时间分解测定装置及位置检测型电子倍增管

技术领域

本发明涉及位置检测型电子倍增管(Position-SensitiveElectron Multiplier Tube：PS-EMT)，和使用位置检测型电子倍增管的时间分解测定装置。

背景技术

进行发光现象的时间分解测定取得其二维位置及时间的二维时间分解测定装置已为人所熟知。这种装置已公开于日本专利特开昭61-266942号公报、日本专利特开平10-150086号公报、和S.Charbonneau等人提出的论文《使用电阻性阳极光电子倍增管的100ps分解能的二维时间分解成像(Two-dimensional time-resolvedimaging with 100-ps resolution using a resistive anodephotomultiplier tube)》(Rev.Sci.Instrum.63(11)，AmericanInstitute of Physics)，1992年11月，5315～5319页)中。在Charbonneau等人的文献公开的装置中，从试料发出的光子通过多个微通道片(MCP)被倍增。表示光子的检测定时(timing)的脉冲信号从光电子倍增管中最靠近阳极的MCP被取出。

发明内容

本发明的主要目的在于提高时间分解测定的时间精确度。

本发明的时间分解测定装置取得试料的激励产生的量子线的位置信息及定时信息。该装置具备：与试料的激励同步，产生基准时间脉冲的信号发生器；生成与对应检测光的检测位置的位置信号和检测定时同步的检测定时脉冲的检测装置；使用位置信号算出检测位置的位置演算器；测量基准时间脉冲和检测定时脉冲的时间差的时间差测量器；和将通过位置演算器算出的检测位置以及通过时间差测量器测量的时间差相对应地存储的数据处理装置。检测装置具有位置检测型电子倍增管。电子倍增管具有入射量子线的入射窗、阳极，和夹持在入射窗与阳极之间的第一和第二微通道片(micro channel plate)。第一微通道片具有离开并相对于阴极的输入面，和离开并相对于第二微通道片的输出面。第二微通道片具有离开并相对于第一微通道片的输出面的输入面，和离开并相对于阳极的输出面。检测定时脉冲响应第一微通道片倍增的电子从第一微通道片放出时的电位变化并由此产生，且被送至时间差测量器。

量子线包含电子、离子、α射线及β射线等荷电粒子，或紫外线、X射线、γ射线等光子，还包含中性粒子等。伴随试料激励的量子线的产生，是通过热、光、放射线等的外部刺激，从原子、分子等低能量的状态转移至更高能量的状态，其状态回到原本的状态时，两个状态的能量间的差作为光等量子线放出的现象(参照上述专利文献1和非专利文献1)。当半导体装置自发性地或响应外部触发(信号脉冲、工作开始脉冲等)工作时，伴随着装置中的晶体管的切换工作，产生瞬间发光(参照上述专利文献2)。在本发明伴随试料的激励的量子线的产生中，除原子或分子产生将两个状态的能量差作为光等量子线放出的现象，还包含半导体装置的工作时所观察到的瞬间发光。

在从微通道片取出的检测定时脉冲中，除包含造成从微通道片放出倍增电子的正极性的成分之外，还包含造成量子线射入到微通道片的负极性的成分。在从与本发明不同的第二微通道片取出检测定时脉冲的情形下，该正成分具有与第一及第二微通道片倍增的电子的量对应的大小，该负成分具有与第一微通道片倍增的电子的量对应的大小。第一及第二微通道片具有彼此不相关的倍增抖动。因此，检测定时脉冲的正成分及负成分在检测时具有不同的比率。所以，检测定时脉冲横切接地电位时的定时，即零交叉定时在检测时也不同。其结果是，基准时间脉冲和检测定时脉冲之间的时间差会产生抖动，时间分解测定的时间精确度降低。

针对于此，在本发明中，从配置于第二微通道片的前方的第一微通道片取出检测定时脉冲。该检测定时脉冲的负成分响应入射到第一微通道片的量子线并由此产生。因此，负成分的大小不受第一及第二微通道片造成的电子倍增的影响。所以，检测定时脉冲中的负成分小。其结果是，检测定时脉冲的零交叉(zero cross)定时被抑制，时间分解测定的精确度提高。

本发明的时间分解测定装置，还可以具有：第一堆栈，具有第一微通道片，以及与第一微通道片的输入面重合的一片以上的微通道片；和第二堆栈，具有第二微通道片，以及与第二微通道片的输入面重合，且离开并相对于第一微通道片的一片以上的微通道片。检测定时脉冲的负成分通过第一堆栈中的多个微通道片倍增的电子形成。另一方面，负成分通过射入到第一堆栈的量子线生成，不受第一堆栈中的微通道片倍增电子的影响。因此，负成分与正成分相比极为渺小。所以，还可以抑制检测定时脉冲的零交叉定时的变动，时间分解测定的时间精确度提高。

优选第一堆栈以在入射窗与第一堆栈之间不夹持其它微通道片的方式与入射窗相对。在此情形下，检测定时脉冲的负成分不但不受第一堆栈中微通道片倍增电子的影响，也不受其它微通道片倍增电子的影响。因此，检测定时脉冲的负成分会变得极小。由此，时间分解测定的时间精确度提高。

第一堆栈也可以具有高于第二堆栈的电子倍增率。这对于防止电子倍增的饱和是有利的。由此，光电子以高效率倍增，能够得到S/N比较高的位置信号。由于检测定时脉冲的负成分的大小不受第一堆栈倍增电子的影响，因此与第一堆栈的倍增率无关，负成分很小。所以，能够同时达成极高的位置检测精确度和极高的时间精确度。

位置检测型电子倍增管还可以在入射窗与第一微通道片的输入面之间，具有通过光电效应将量子线转变为光电子的光电阴极。第一微通道片与光电阴极相对设置，从光电阴极接收光电子，由此产生并倍增二次电子。在此情形下，光电子入射到第一微通道片。检测定时脉冲的负成分具有与光电子的入射量对应的大小。另一方面，检测定时脉冲的正成分具有与第一微通道片倍增的二次电子的量对应的大小。因此，负成分与正成分相比极为渺小。所以，可以抑制检测定时脉冲的零交叉定时的变动，时间分解测定的时间精确度提高。

本发明的位置检测型电子倍增管具备：使所述量子线透过的入射窗，和在与朝向量子线的入射窗的入射位置对应的位置产生电子，维持该位置的同时倍增电子的第一及第二微通道片，和与第二微通道片相对的阳极，和与第一微通道片连接的脉冲读取电路，其响应第一微通道片倍增的电子从第一微通道片放出时电位的变化，从第一微通道片取得脉冲信号。第一微通道片具有离开并相对于入射窗的输入面，和离开并相对于第二微通道片的输出面。第二微通道片具有离开并相对于第一微通道片的输出面的输入面，和离开并相对于阳极的输出面。脉冲读取电路连接于第一微通道片的输出面。

脉冲读取电路不是连接于第二微通道片，而是连接于第一微通道片。由脉冲读取电路取得的脉冲信号的负成分响应入射到第一微通道片的量子线并由此产生，因此，负成分的大小不受第一及第二微通道片倍增电子的影响。其结果是，脉冲信号中的负成分变小，由此可以抑制检测定时脉冲的零交叉定时的变动。因此，若将该脉冲信号作为表示量子线的检测定时的信号使用，则可以进行时间精确度高的时间分解测定。

本发明的上述和其它目的以及新特征，通过与对应于附图的以下的说明能够更完全地明了。但是，附图仅用作例示，并非限定本发明的技术范围。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的时间分解测定装置的结构的方框图。

图2是表示本发明第一实施方式的光电子倍增管的构造的概略图。

图3是表示比较例的光电子倍增管的构造的概略图。

图4A是表示第二堆栈的最后方MCP的电极的电位的时序变化图，图4B是表示从该电极取出的检测定时脉冲的示意图。

图5是表示由多次的检测得到的检测定时脉冲的重合的示意图。

图6A是表示第一堆栈的最后方MCP的电极的电位的时序变化图，图6B是表示由多次的检测得到的检测定时脉冲的重合的示意图。

图7是表示本发明第二实施方式的光电子倍增管的构造的概略图。

图8是表示本发明第三实施方式的光电子倍增管的构造的概略图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的优选实施方式进行详细说明。为易于理解，在图示中对于公共相同的或等价的要素使用同样的标示，并省略重复的说明。

第一实施方式

图1是表示实施方式的时间分解测定装置100的结构的方框图。装置100检测从试料10发出的光15，测定发光的二维位置和定时。装置100具有半导体测试器12、位置检测型光电子倍增管(PositionSensitive Photomultiplier Tube：PS-PMT)14、位置演算器16、时间电压转换器(Time-to-Amplitude Converter：TAC)17和数据处理装置18。

在本实施方式中，准备搭载有半导体集成电路(IC)的芯片作为试料10的一例。半导体测试器12是提供工作开始脉冲以使试料10产生发光的激励装置。测试器12施加驱动电压于试料10上的IC以驱动该IC。包含于IC的晶体管在其进行切换工作时以较低的机率发光。因此，通过使用装置100测定二维位置和定时，能够解析晶体管的工作定时。测试器12包含与提供给试料10工作开始脉冲同步，产生基准时间脉冲RT的信号产生器12a。该脉冲RT被送至时间电压转换器17。

图2是表示位置检测型光电子倍增管14的构造的概略图。光电子倍增管14将试料10发出的光子15转换成电子，在将该电子维持于该二维位置的同时进行增幅。光电子倍增管14具有外围器20和连接于外围器20的电压分割电路80。外围器20之内收容有光电阴极22、微通道片(Micro Channel Plate：MCP)23～27和电阻性阳极28。外围器20的前面设置有透明的入射窗29。光电阴极22形成于入射窗29的内面上。光电阴极22与电阻性阳极28彼此分离且相对地配置。MPC23～27设置于光电阴极22与电阻性阳极28之间。

光电阴极22接收透过入射窗29的光子15，通过光电效应转换成光电子。光电阴极22被称为“光电面”。

MCP23～27是从光电阴极22接收光电子生成二次电子并倍增的板状的电子倍增器。MCP的平面可以形成圆形，也可以是矩形。各MCP的前面及后面蒸镀有作为电极的导电性材料。各MCP的前面23a～27a是接收光电子或二次电子的输入面，后面23b～27b是放出二次电子的输出面。光电子首先入射到最前方的MCP23。光电子的入射位置与光15朝向光电阴极22的入射位置对应。MCP23在光电子的入射位置产生二次电子，在维持该二次电子于该二维位置的同时进行倍增。后续的MCP24～27也在维持二维位置的同时倍增二次电子。

MCP23～27具有用于通过二次电子的多个通道，二次电子可以在通过道内移动时被倍增。更具体地说，MCP具有将多个非常细的玻璃管捆绑成束的构造。该玻璃管即为通道。每个通道具有作为独立的电子倍增器的功能。通道的内壁是电气阻抗体，也是电子放出体。当MCP感应的量子(例如，本实施方式中的光电子)入射到一个通道的内壁时，从该内壁放出一个以上的电子。

与朝向MCP的入射面入射的量子对应地从通道的内壁放出的电子，通过施加在MCP的两端的电压生成的电场加速，以描出抛物线的轨道撞击壁的相反侧的部分。通过该撞击，二次电子从内壁放出。这样的电子放出沿通道反复进行多次，结果电子倍增，大量的电子从MCP的输出面放出。电子的二维位置通过通道维持。

MCP23～27构成第一及第二MCP堆栈30及32。第一堆栈30是由两片MCP23和24构成的二段堆栈。第一堆栈30以在与第一堆栈30之间不夹持其它MCP的方式与光电阴极22直接相对。MCP23及24具有离开并相对于每个光电阴极22的输入面23a及24a。MCP23的输出面23b与MCP24的输入面24a重合。MCP24的输出面24b离开并相对于MCP25的输入面25a。第二堆栈32是由相互重合的三片MCP25～27构成的三段堆栈。MCP25的输出面25c与MCP26的输入面26a重合，MCP26的输出面26b与MCP27的输入面27a重合。MCP27的输出面27b离开并相对于电阻性阳极28的输入面。

将MCP23～27分成两个堆栈30及32是为得到良好效率的光电子倍增。当全部的MCP彼此接近并重合时，由于光电子集中在少数的通道，因此倍增作用很容易达到饱和。与此相对，若将MCP23～27分成两个堆栈30及32，通过前侧的堆栈30倍增的电子群从堆栈30放出，在扩散的同时朝向后侧的堆栈32。通过该扩散，后侧的堆栈32中更多的通道内的光电子被倍增。因此，能够防止倍增作用的饱和，并达成效率良好的光电子倍增。

在如堆栈30及32，将MCP多段重叠使用的情形下，优选采取通道的轴相对于MCP的垂直轴具有适当的偏斜角的方式配置MCP。通过采用此种配置，能够减低造成与增益的增大同时产生的离子反馈的噪声，并得到较高的增益。

由于第一堆栈30中光电子能够以非常高的倍率进行倍增，因此第二堆栈32的倍增率可以比第一堆栈30的倍增率低。在本实施方式中，第一堆栈30的倍增率约为106，第二堆栈32的倍增率约为102。这些倍增率并非完全一定，也可以有一定程度的抖动。因此，堆栈30及32显示出与倍增时不同的倍增率。

电阻性阳极28是位置检测型阳极的一种。电阻性阳极28是设置有一面均匀的阻抗层的导体板。电阻性阳极28的周围部的四个地方设置有信号读取用的电极28a。如图1所示，这些电极28a经由前置放大器40电连接于位置演算器16。此外，为简化图面，仅绘出四个电极28a中的两个。再者，在图中绘制电极28a的位置，比实际的位置更接近电阻性阳极28的中心。当二次电子入射到电阻性阳极28时，这些读取电极28a输出电荷脉冲。入射到电阻性阳极28的二次电子的二维位置能够对应于这些电荷脉冲所具有的电荷量而求得。这样，电阻性阳极28的各电极28a产生与光子15的检测位置对应的信号DP，并送至位置演算器16。

光电阴极22、第一和第二MCP堆栈30、32以及电阻性阳极28连接于电压分割电路80。随着电压施加于阴极22与阳极28之间，电路80将该电压分割并施加于第一及第二MCP堆栈30及32。此外，电路80接收与由电阻性阳极28发出的光子15的检测位置对应的信号DP，进行增幅并送至位置演算器16。此外，电路80也具有作为取得表示光子15的检测定时的脉冲信号的脉冲读取电路的功能。

如图2所示，在第一堆栈30的MCP23的输入面23a的周围部及MCP24的输出面24b的周围部上，分别安装有圆环状的电极33及34，这些电极通过引导线连接于高压电源42。同样地，在第二堆栈32的MCP25的输入面25a的周围部及MCP27的输出面27b的周围部上，分别安装有圆环状的电极35及37，这些电极通过引导线连接于高压电源42。高压电源42连接于光电阴极22及电阻性阳极28。

高压电源42施加电压至光电阴极22、第一堆栈30、第二堆栈32和电阻性阳极28，并在这些组件之间形成电位分配。通过此电位分配，依次对电阻性阳极28、第二堆栈32、第一堆栈30和光电阴极22提供高电位。各MCP堆栈内也可形成电位分配。在第一堆栈30中，越接近MCP24的输出面24b的位置提供越高的电位。在第二堆栈32中，越接近MCP27的输出面27b的位置提供越高的电位。

更具体地说明，在光电阴极22与高压电源42之间阻抗器81～85以直列方式连接，阻抗器81的两端连接于光电阴极22和电极33，由此形成两者之间的电位分配。阻抗器82的两端连接于电极33和34，由此形成第一MCP堆栈30的输入面23a和输出面24b之间的电位分配。阻抗器83的两端连接于电极34和35，由此形成第一MCP堆栈30与第二MCP堆栈32之间的电位分配。阻抗器84的两端连接于电极35和37，由此形成第二MCP堆栈32的输入面25a与输出面27b之间的电位分配。阻抗器85的两端连接于电极37和电阻性阳极28，由此形成第二MCP堆栈32与电阻性阳极28之间的电位分配。

如后所作的详细说明，在MCP24的输出面24b中，与光子的检测定时同步，产生脉冲信号DT。以下将此脉冲信号DT称为“检测定时脉冲”。如图2所示，设置于MCP24的输出面24b上的电极34经由电压分割电路80连接于时间电压转换器17。检测定时脉冲DT通过电极34和电路80送至时间电压转换器17。

电路80为取得检测定时脉冲DT，具有彼此直列连接的阻抗器86和高压遮断用电容87。电极34连接在阻抗器86与电容87之间。电容87将后述的前置放大器41、放大器43及44、CFD45和TAC17从高压电源42分离，保护CFD45和TAC17不受通过高压电源42生成的高电压的破坏。

位置演算器16电气连接于光电子倍增管14的电阻性阳极28。位置演算器16使用电阻性阳极28发出的位置信号DP算出光子15的检测位置。位置演算器16的输出端子连接于锁存器电路49。将算出的检测位置作为数字数据送至锁存器电路。

时间电压转换器(TAC)17是测量两个输入信号的时间差的时间差测定器。TAC17同时电气连接于测试器12中的信号产生器12a和光电子倍增管14。TAC17的启始端子经由前置放大器41、放大器43和44、以及恒定系数鉴别器(constant fraction discriminator：CFD)45连接于MCP24上的电极34。TAC17在启始端子处接收来自光电子倍增管14的检测定时脉冲DT。另一方面，TAC17的结束端子经由放大器46和延迟电路47连接于测试器12。TAC17在结束端子处接来自测试器12中的信号产生器12a的基准时间脉冲RT。TAC17产生具有对应于基准时间脉冲RT与检测定时脉冲DT之间的时间差的振幅的模拟电压信号。该时间差表示将基准时间脉冲作为基准的光子15的检测时刻。TAC17的输出端子经由A/D转换器48连接于锁存器电路49。表示检测时刻的模拟信号被送至A/D转换器48，并在此处被转换为数字数据。表示检测时刻的该数据被送至锁存器电路49。

锁存器电路49接收来自位置演算器16的检测位置数据和来自TAC17的检测时刻数据，并作为一组数据转送至数据处理装置18。数据处理装置18从锁存器电路49接收数据并存储。处理装置18例如是个人计算机。处理装置18具有CPU、存储装置、硬盘、键盘和鼠标，以及显示器。存储装置中记录有数据处理所必要的程序和数据。由锁存器电路49发出的检测位置和检测时刻以彼此对应地被收容于该存储装置中。

在本实施方式中，数据处理装置18具有作为时间分解测定装置100的控制装置的功能。位置演算器16经由前置放大器40接收来自电阻性阳极28的位置信号DP，演算光子15的检测位置，将其数字转换之后送至锁存器电路49。此外，装置18将高压控制信号送至位置演算器16。位置演算器16连接于高压电源42，响应高压控制信号，使高压电源42产生输出电压，再停止该生成。装置18将时间常数控制信号送至TAC17。TAC17响应该信号，设定时间-振幅转换的时间常数。装置18将延迟控制信号送至延迟电路47。延迟电路47响应该信号，设定延迟。

以下说明时间分解测定装置100的工作。当测试器12驱动试料10上的IC时，以一定机率发出光子15。光电子倍增管14以光电阴极22接收光子15。光电阴极22通过光电效应将光子15转换成光电子。该光电子通过光电阴极22与第一堆栈30之间的电位分配入射到MCP23的输入面23a。堆栈30中的MCP23和24将光电子倍增约106倍。倍增的电子通过堆栈30内的电位分配到达MCP24的输出面24b。之后，电子通过第一和第二堆栈30与32之间的电位分配从MCP24的输出面24b被放出，入射到MCP25的输入面25a。堆栈32中的MCP25～27将光电子倍增约102倍。电子通过堆栈32内的电位分配到达MCP27的输出面27b。之后，电子通过第二堆栈32与电阻性阳极28之间的电位分配从MCP27的输出面27b被放出，被收集于电阻性阳极28。

电阻性阳极28将对应于电子的二维位置的电荷脉冲DP从四个电极28a送至位置演算器16。位置演算器16接收这些电荷脉冲DP并通过重心检测算出电子的二维位置。该二维位置是光子15的检测位置，对应于试料10上的发光位置。算出的检测位置被送至数据处理装置18。

此外，光电子倍增管14与光子15的检测定时同步，产生脉冲。该检测定时脉冲DT通过电压分割电路80从MCP24取出。当电子从MCP24的输出面24b朝向MCP25被放出时，MCP24的输出面24b上的电位瞬间上升。接着，电子从高压电源42流入MCP24，输出面24b的电位回到规定的恒定电位。该电子的流动称为充电电流。充电电流从高压电源42，经由阻抗器83～85朝向MCP24的电极34。电极34与阻抗器83之间配置有阻抗器86。由此，由于阻抗增加，从高压电源42流向电极34的单位时间内的电子流入量降低。在高频波区域中，包含电容87的路径的阻抗比包含阻抗器83～86的路径的阻抗低。因此，电子在瞬间从电容87的一端流入电极34。由于电容87的另一端经由放大器连接于CFD45，因此流向电极34的电子作为电流脉冲流入CFD45。该电流脉冲是检测定时脉冲DT。这样，电路80能够与MCP24的输出面24b的瞬间电位上升同步，取出检测定时脉冲DT。该检测定时脉冲DT通过CFD45送至TAC17。

TAC17在接收来自测试器12的与试料10上的IC的驱动同步的基准时间脉冲RT的同时，接收来自CFD45的检测定时脉冲DT。TAC17测量基准时间脉冲RT与检测定时脉冲DT之间的时间差。如上所述，该时间差以基准时间脉冲RT为基准表示光子15的检测时刻。该检测时刻被送至数据处理装置18。

数据处理装置18接收检测位置和检测时刻，并将二者相对应地储存于存储装置中。由于试料10上的晶体管在切换之际发光的机率非常小，因此试料10反复被激励，检测位置和检测时刻积蓄于数据处理装置18。积蓄的数据可以被利用于各种方面。例如，数据处理装置18能够在特定时间内对检测位置计算发光次数，生成将对应于所得的计算次数的亮度在对应于检测位置的像素分割的二维影像。再者，数据处理装置18使用积蓄的检测时刻，能够作成在特定检测位置的检测时刻的柱状图。在该柱状图中，横轴为检测时刻，纵轴为发光次数。柱状图的峰值表示在特定的检测位置中检测到以极高频率发光的时刻。因此，对应于峰值的检测时刻能够被视为对应于该检测位置的晶体管进行切换的定时。通过取得晶体管的切换定时，可以对试料10上的IC的工作进行解析。

本实施方式的特征在于从位于前侧堆栈30的最后方的MCP24读取检测定时脉冲DT。以下对其与现有技术的比较进行详细说明。

在时间分解测定装置中从光电子倍增管取得检测定时脉冲的情形下，决定从何处读取检测定时脉冲是必要的。在从阳极读取检测定时脉冲的情形下，阳极为位置检测型，由于随附于阳极周边的信号读取路径的阻抗和静电容量的缘故，定时脉冲的读取速度慢。此外，由于信号读取路径为高阻抗电路，因此时间脉冲易受外来噪声的影响。因此，即使外部电路最佳化也难以得到充分的时间精确度。再者，通过取得定时脉冲用的附加电路，信号的S/N降低。因此，不仅时间精确度，连位置分解能量都会劣质化。

针对于此，现有技术从与阳极直接相对的MCP的输出面取得检测定时脉冲。即，从配置于最后方的最终MCP的输出面朝向阳极放出电子时产生的电位上升脉冲作为检测定时脉冲读取。电位上升量与放出的电荷量成比例，该电荷量在最终MCP中最大化。因此，能够从最终MCP读取S/N较高的检测定时脉冲。

但是，与该优点相反的是，本发明人注意到伴随从最终MCP的检测定时脉冲读取的缺点。以下，参照图3和图4说明该缺点。图3是表示从最终MCP27上的电极37读取检测定时脉冲DT的光电子倍增管14a的构成的概略图。电极37与本实施方式的电极34相同，经由放大器和恒定系数鉴别器连接于TAC17，图4A表示电极37中电位的时序变化，图4B表示从电极37取出的检测定时脉冲DT。

当由MCP23～27倍增的电子从MCP27的输出面被放出时，如图4A所示，电极37上会出现电位上升脉冲60。光子被检测到时产生电位上升脉冲60。如图4A所示，当三个光子依次从试料发出时，产生三个电位上升脉冲60a～60c。如上所述，第一和第二MCP堆栈30和32的倍增率具有某种程度的抖动。对应于此种抖动，电位上升脉冲60a～60c具有各式各样的振幅。

本发明人注意到在电位上升脉冲60a～60c之前在电极37上出现其它的脉冲62a～62c。该脉冲62引起光电子倍增管14具有彼此互相分离的两个MCP堆栈30和32。第一堆栈30倍增的电子从MCP24的输出面被放出，入射到第二堆栈32的输入面，即第二堆栈32中位于最前方的MCP25的输入面25a。此时，第二堆栈32的输入面25a上的电极35与输出面27b上的电极37之间的电容结合在电极37上产生脉冲62。以下将该脉冲62称为“电子输入脉冲”。电子输入脉冲62的振幅依存于第一堆栈30的倍增率。对应于第一堆栈30的抖动，电子输入脉冲62a～62c具有各种各样的振幅。

电位上升脉冲60具有正的极性，电子输入脉冲62具有负的极性。通过从第一堆栈30入射到第二堆栈32的电子产生电子输入脉冲62，第二堆栈32在倍增电子之后，产生电位上升脉冲60。因此，电位上升脉冲60落后于电子输入脉冲62约300psec出现在电极37上。脉冲60与62部分地重合，如图4B所示地作为一个脉冲70从电极37读取。该脉冲70是上述检测定时脉冲DT。

由于第二堆栈32具有102左右的倍增率，因此电位上升脉冲60具有电子输入脉冲62的10～100倍左右的振幅。但是，电位上升脉冲60的振幅受堆栈30和32两者的倍增抖动的影响，电子输入脉冲62的振幅却不受堆栈30的倍增抖动的影响。因此，这些脉冲60和62的振幅具有互相不相关的抖动。因此，在光子的检测以不同的振幅比率合成正的电位上升脉冲60和负的电子输入脉冲62，形成检测定时脉冲。

CFD45判定脉冲70横切接地电位的定时71。这被称为零交叉定时。TAC17将该零交叉定时作为脉冲70的接收定时接收。由于脉冲70具有对应于电子输入脉冲62的负成分，因此零交叉定时71与光电子入射的第二堆栈32的定时72相比落后。由于电位上升脉冲60和电子输入脉冲62在光子检测时具有不同的振幅比率，因此从零交叉定时71的电子入射定时72算起的延迟时间不一定。参照表示多个光子检测的检测定时脉冲互相重合的图5可以明白。由于这种零交叉定时71的延迟的不均匀，因此在检测时刻产生200psec以上的抖动(jitter)，时间精确度降低。

针对于此，在本实施方式的时间分解测定装置100中，从第一堆栈30的最后方的MCP24读取定时脉冲。入射到第一堆栈30的是从一个光子转换的光电子，完全没有被倍增。因此产生于MCP24的电极34的电子输入脉冲非常小。如图6A所示，事实上，在MCP24上的电极34上仅出现电位上升脉冲64。因此，参照表示多个光子检测的检测定时脉冲互相重合的图6B可以明白，能够抑制零交叉定时的抖动。光电子在被第一堆栈30倍增106倍之后，从MCP24放出。这些光电子的电荷量虽然是从最终MCP27放出的电荷量的约1/100，但能够产生充分的振幅的电位上升脉冲64。因此，检测定时脉冲的S/N和时间精确度的降低被防止。其结果是，可以得到60psec左右的良好时间精确度。

此外，为取得检测定时脉冲，电气连接于电极34的输出端子的数目不限于一个，设置多个亦可。同时，优选多个输出端子具有相同的长度。

第二实施方式

本实施方式的时间分解测定装置具有以其它的光电子倍增管90取代第一实施方式的装置100中的光电子倍增管14的构造。图7是表示本实施方式使用的位置检测型光电子倍增管90的构造的概略图。光电子倍增管90具有与第一实施方式的光电子倍增管14不同的电压分割电路92。

电路92是为从MCP24取得检测定时脉冲DT的结构，与第一实施方式的电压分割电路80不同。即，电路92添加连接于MCP24的电极34的阻抗器86和电容87，并具有高压遮断用电容88和同轴电缆94。同轴电缆94具有内部导体(芯线)94a，和同轴包围该内部导体94a的筒状外部导体94b。内部导体94a的一端经由电容87连接于阻抗器86的一端，内部导体94a的另一端经由前置放大器41、放大器43和44连接于CFD45及TAC17。外部导体94b经由电容88连接于阻抗器86的另一端并连接于地。

如上所述，当从MCP24的输出面24b朝向MCP25放出电子时，MCP24的输出面24b中的电位瞬间上升。对应于此，充电电流从高压电源42被供给至MCP24。但是，高压电源42与MCP24之间的路径因阻抗器86而被提高阻抗。因此，在高频波区域中，包含电容87及88和同轴电缆94的路径的阻抗比包含阻抗器86的路径的阻抗低。所以，电子在瞬间从包含同轴电缆94的路径流入电极34。CFD45连接于连接同轴电缆94中电容87的端部和相对侧的端部。因此，流向电极34的电子作为电流脉冲流入CFD45。该电流脉冲是检测定时脉冲DT。这样，电路92能够与MCP24的输出面24b的瞬间电位上升同步，取出检测定时脉冲DT。

本实施方式具有与第一实施方式相同的优点。此外，由于检测定时脉冲DT通过同轴电缆94传送，因此脉冲DT的波形劣质化少。因此，能够提高时间分解测定装置的时间精确度。

第三实施方式

本实施方式的时间分解测定装置也具有以其它的光电子倍增管95取代第一实施方式的装置100中的光电子倍增管14的构造。图8是表示本实施方式使用的位置检测型光电子倍增管95的构造的概略示意图。光电子倍增管95具有与第一实施方式的光电子倍增管14不同的电压分割电路96。

电路96是为从MCP24取得检测定时脉冲DT的结构，与第一和第二实施方式的电压分割电路80和92不同。即，电路96取代电压分割电路92中的阻抗器86和电容87及88，具有高频波变压器98。变压器98连接于MCP24的电极34与同轴电缆94之间。变压器98将CFD45和TAC17从高压电源42分离，保护CFD45和TAC17不受通过高压电源42生成的高电压的破坏。电极34连接于变压器的一次侧，同轴电缆94连接于变压器的二次侧。更具体来说，一次侧线圈98a的一端连接于电极34，另一端连接在阻抗器82与83之间。此外，二次侧线圈98b的一端连接于同轴电缆94的内部导体94a，另一端与外部导体94b同时接地。

当从MCP24的输出面24b朝向MCP25放出电子时，MCP24的输出面24b的电位瞬间上升。对应于此，充电电流瞬间从高压电源42供给至MCP24。高频波变压器98的一次侧连接于充电电流的路径。因此，与充电电流的AC成分对应的起电力产生于变压器98的二次侧。通过该起电力产生脉冲电流，其通过连接于变压器98的二次侧的同轴电缆94被传送。该电流脉冲是检测定时脉冲DT。CFD45连接于连接同轴电缆94中变压器98的端部和相对侧的端部。因此，检测定时脉冲DT流入CFD45。这样，电路96能够与MCP24的输出面24b的瞬间电位上升同步，取出检测定时脉冲DT。

本实施方式具有与第一实施方式相同的优点。此外，由于检测定时脉冲DT通过同轴电缆94传送，因此脉冲DT的波形劣质化少。所以，能够进一步提高时间分解测定的时间精确度。

以上基于本发明的各实施方式详细说明了本发明。但是，本发明不仅限于上述各实施方式。本发明可在不脱离本发明的要旨的范围内有各种变化。

在本说明书中，“光电子倍增管(PMT)”是“电子倍增管(EMT)”的一种形式。上述实施方式使用位置检测型光电子倍增管(PS-PMT)。但是，本发明也能够对应于从试料发出的量子线的种类使用其它任意的位置检测型电子倍增管(PS-EMT)。已知微通道片不只对于电子线，对于紫外线(UV或VUV)、X射线、α射线、带电粒子、中性粒子等其它的量子线也直接具有感度。如果该量子线入射到微通道片的通道，则电子被放出，这些电子在通道内被倍增。对于使用PS-PMT还是PS-EMT，可以对应于检测对象发出的量子线的种类作适当的选择。

在上述实施方式中，作为位置检测型的阳极使用电阻性阳极28。此外，也可以使用其它任意的位置检测型阳极，例如复合阳极、CR链阳极、交叉线阳极(cross wire)或半导体元件位置检测组件(PSD)。此外，也可以将二次电子转换成光学成像的荧光板作为阳极使用，通过使用影像检测器摄取该光学成像测定二次电子的位置。再者，在荧光板与影像传感器之间隔着纤维绝缘垫板(fiber plate)进行光纤耦合亦可。这些位置检测可以是一维，也可以是二维。

上述实施方式采用半导体集成电路的工作解析。但是，可供本发明的时间分解型检测利用的应用范围是极为宽广，以Time Of Flight(TOF)应用为首的各种各样的计测方法，例如二维离子质量分析(SIMS)、离子散射分光(ISS)、原子探针(atom probe)等均能适用于本发明。

在第二和第三实施方式中，使用同轴电缆94传送检测定时脉冲DT。但是，在检测定时脉冲DT的传送距离较短的情形下，也可以使用相当于同轴电缆94的芯线及外部导体的平行的两条信号线取代同轴电缆94。

产业上的可利用性

本发明的时间分解测定装置不是从与阳极直接相对的最后方的微通道片，而是从配置于更前方的微通道片读取检测定时脉冲。由此，降低包含于检测定时脉冲中的负成分。能够提高时间分解测定的精确度。

Claims (10)

1.一种时间分解测定装置，取得通过试料的激励发出的量子线的位置信息及定时信息，其特征在于，具备：

信号发生器，与所述试料的激励同步，产生基准时间脉冲；

检测装置，检测所述量子线，产生对应于检测位置的位置信号和与检测定时同步的检测定时脉冲；

位置演算器，使用所述位置信号算出所述检测位置；

时间差测量器，测量所述基准时间脉冲与所述检测定时脉冲之间的时间差；和

数据处理装置，将所述位置演算器算出的所述检测位置与所述时间差测量器测量的所述时间差相对应地存储，

所述检测装置具有位置检测型电子倍增管，

所述电子倍增管具有：使所述量子线透过的入射窗，在与朝向所述量子线的所述入射窗的入射位置对应的位置产生电子，在维持该位置的同时倍增所述电子的第一及第二微通道片和阳极，

所述第一微通道片具有离开并相对于所述入射窗的输入面，和离开并相对于所述第二微通道片的输出面，

所述第二微通道片具有离开并相对于所述第一微通道片的输出面的输入面，和离开并相对于所述阳极的输出面，

所述检测定时脉冲响应所述第一微通道片倍增的电子从所述第一微通道片放出时的电位变化并由此产生，且被送至所述时间差测量器。

2.如权利要求1所述的时间分解测定装置，其特征在于，还具备：

第一堆栈，具有所述第一微通道片，以及与所述第一微通道片的输入面重合的一片以上的微通道片；和

第二堆栈，具有所述第二微通道片，以及与所述第二微通道片的输入面重合，且离开并相对于所述第一微通道片的一片以上的微通道片。

3.如权利要求2所述的时间分解测定装置，其特征在于：

所述第一堆栈以在所述入射窗与所述第一堆栈之间不夹持其它微通道片的方式与所述入射窗相对。

4.如权利要求2或3所述的时间分解测定装置，其特征在于：

所述第一堆栈具有高于所述第二堆栈的电子倍增率。

5.如权利要求1～4中任一项所述的时间分解测定装置，其特征在于：

所述位置检测型电子倍增管是进一步具有在所述入射窗与所述第一微通道片的输入面之间通过光电效应将所述量子线转变为光电子的光电阴极的位置检测型光电子倍增管，

所述第一微通道片与所述光电阴极相对地配置，从所述光电阴极接收所述光电子，由此生成并倍增二次电子。

6.一种位置检测型电子倍增管，其特征在于，具备：

入射窗，使量子线透过；

第一及第二微通道片，在与朝向所述量子线的所述入射窗的入射位置对应的位置产生电子，并在维持所述位置的同时倍增所述电子；

阳极，与所述第二微通道片相对；和

脉冲读取电路，响应所述第一微通道片倍增的电子从所述第一微通道片放出时的电位变化，取得脉冲信号，

所述第一微通道片具有离开并相对于所述入射窗的输入面，和离开并相对于所述第二微通道片的输出面，

所述第二微通道片具有离开并相对于所述第一微通道片的输出面的输入面，和离开并相对于所述阳极的输出面，

所述脉冲读取电路连接于所述第一微通道片的输出面。

7.如权利要求6所述的位置检测型电子倍增管，其特征在于，还具备：

第一堆栈，具有所述第一微通道片，以及与所述第一微通道片的输入面重合的一片以上的微通道片；和

第二堆栈，具有所述第二微通道片，以及与所述第二微通道片的输入面重合，且离开并相对于所述第一微通道片的一片以上的微通道片。

8.如权利要求7所述的位置检测型电子倍增管，其特征在于：

所述第一堆栈以在所述入射窗与所述第一堆栈之间不夹持其它微通道片的方式与所述入射窗相对。

9.如权利要求7或8所述的位置检测型电子倍增管，其特征在于：

所述第一堆栈具有高于所述第二堆栈的电子倍增率。

10.如权利要求6～9中任一项所述的位置检测型电子倍增管，其特征在于：

进一步具有配置于所述入射窗与所述第一微通道片之间，并通过光电效应将所述量子线转变为光电子的光电阴极，

所述第一微通道片与所述光电阴极相对地配置，从所述光电阴极接收所述光电子，由此生成并倍增二次电子。

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