JP2003517702A - 改良された光電子増倍管回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電力消費を削減した光電子増倍管回路は、複数のダイノードを有する光電子増倍管と、複数のダイノードに電荷を供給するチャージング回路と、チャージング回路に高電圧を供給する発振回路とを含み、さらに、少なくとも一つのダイノードの電圧をサンプリングする手段およびサンプリングされた少なくとも一つのダイノードの電圧に基づいて発振回路のオン／オフをスイッチングするスイッチング手段を含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、光電子増倍管（ＰＭＴ）をチャージし制御するための、改良された
回路に関し、特に、モニター装置をＢＡＳＥＥＦＡ（British Approval Service
s for Electrical Equipment for use in Flammable Atmospheres）の認定が得
られるようにする回路、すなわち爆発の危険がある環境においても安全に使用で
きるよう設計された回路に関する。

【０００２】 周知のＰＭＴは、光電陰極、分圧器回路網を有する複数の増倍ダイノード、及
びアノードを含んで構成されている。ＰＭＴのダイノードは、二次電子が管の増
倍セクションを通って確実に伝達されるよう、非常に高い電圧を必要とする。通
常、電圧源は、抵抗による分圧回路網として設けられる。したがって、安定な高
電圧電源が必要となる。ダイノードの電圧が過剰に変動するのを防ぐために、分
圧回路網を通る電流は、電極電流それ自身と比較して、多くの電流を流すべきで
ある。最大平均アノード電流の少なくとも１００倍の電流が最小値として必要と
される。ＰＭＴは、典型的には１０段のダイノードを有しており、これらには必
要とされる総合利得を得るために必要とされる特定の電圧が供給される。

【０００３】 あるいはまた、ダイノードをチャージする効率的な手段として知られるコック
クロフト・ウォルトン型の構成によって、ダイノード段に電圧を供給することも
可能である。この構成では、各ダイノード段ごとに対応するキャパシタ回路が設
けられる。キャパシタ回路は、起こりうる最も大きいパルス事象に対して応答の
線形性を確保するために、各ダイノード段において要求される電圧を維持するの
に必要な電荷を蓄積する。このような構成は、ダイノードへ供給される電流を小
さくするため、回路の消費電流を軽減するのに役立つ。

【０００４】 回路にＨＶを供給する発振回路は、その損失の大部分をこのような回路におい
て生じさせるので、発振回路がオンとなっていなければならない時間を短縮する
ことは、電力効率に関する限り、最良の利益を与える。

【０００５】 さらに、周知のＰＭＴは、例えばモニター上のスクリーンが絶縁破壊されたと
きなどに光にさらされた場合に、損傷を受けやすい。これは、増倍ダイノードに
よる入力信号の増幅に起因し、増倍ダイノードは、二次電子放出によって電極か
らコーティングをはぎ取る（stripping）ことによって、ＰＭＴを過負荷にする
。この「はぎ取る」効果は、ある程度ゆっくりで制御されたものではあるがＰＭ
Ｔの通常の動作時にも起こり、ＰＭＴの寿命を制限する。

【０００６】 ＰＭＴ／ＨＶ回路の電力効率を改善するために、本発明者は、発振回路は、連
続的に供給している必要はなく、またＰＭＴが生成する信号を生じさせることな
くオン／オフをスイッチングできることを見出した。ダイノード段の一つから電
圧をサンプリングすることによって、ダイノード段の電圧が予め決められたレベ
ル以下に低下したときに発振回路をオンにスイッチングし、これにより必要とさ
れる電圧が回復するよう発振回路を制御することができる。電圧が必要なレベル
まで回復したときは、発振回路をオフにスイッチングすることができる。

【０００７】 本発明の目的は、回路の電力消費が低減されるとともに、ＢＡＳＥＥＦＡの要
件を満たすＰＭＴ回路を提供することである。

【０００８】 したがって、本発明が提供する光電子増倍管回路は、複数のダイノードを有す
る光電子増倍管と、複数のダイノードに電荷を供給するチャージング回路と、チ
ャージング回路へ高電圧を供給する発振回路とを含んで構成され、さらに光電子
増倍管回路は、複数のダイノードの少なくとも一つの電圧をサンプリングする手
段と、サンプリングされた少なくとも一つのダイノードの電圧に関連して発振回
路のオン／オフをスイッチングするスイッチング手段とを含むことを特徴とする
。

【０００９】 本発明のＰＭＴ及び関連するＨＶ回路では、与えられた電圧に対する好ましい
／改善された動作状態が決定される。各ダイノード段には、通常のチャージング
回路によって、または好ましくはコッククロフト・ウォルトン型の回路構成によ
って、最適な電圧が供給される。各ダイノードを最適な電圧に維持することによ
って、空間帯電効果及び非線形性は低減される。使用するダイノード段の数は、
達成される総合の利得を決定する。総合利得は、ＰＭＴの寿命が延びるよう、信
号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の要求を満たす最少値に維持する。ＰＭＴの使用されない
段は、アノードに接続することができる。このシステムは、起こりうる最も大き
いパルス事象に対して応答の線形性を確保するために、必要に応じてちょうど十
分な電荷を与えるよう、各ダイノードに対して低インピーダンスＨＶ電源を与え
る。

【００１０】 合計の電荷は、回路の電力効率を高めるよう精密に制御され、スイッチング手
段は、必要とされる動作状態を維持するために、サンプリングされたダイノード
電圧に応じて発振回路のオン／オフをスイッチングするよう構成される。

【００１１】 スイッチング手段の形態をマイクコントローラとすると都合がよく、また、必
要とされる動作状態を維持するために発振回路がオンにスイッチングされている
時間の長さを決定するよう構成すると有用である。この「オン」の期間を、ＰＭ
Ｔの露出状態を決定するのに用いることができ、またこの「オン」の時間によっ
てスイッチング手段は、ダイノード、アノード、光電陰極の損傷（「はぎ取り」
など）を防ぐことができる。これはまた、発振回路がオンとなっている最大時間
を制御することによって、フォイル／ウィンドウの損傷などに起因して光が過剰
になるといった、装置の通常の動作範囲外での露出状態によって生じる電流によ
る電力の無駄を削減することができる。例えば１０ｍ秒未満という短い「オン」
時間は通常の動作状態を示すことになり、長い「オン」時間は過負荷状態を示す
ことになる（秒当たりのカウント数が多すぎる）。過負荷状態になると、最大の
「オン」時間は例えば１０ｍ秒の数倍の時間が必要となる。

【００１２】 あるいはまた、発振回路を、一定の間隔、例えば１００ｍ秒ごとに、設定され
た最大時間、例えば１０ｍ秒だけ、オンにスイッチングするよう制御することも
できる。１０ｍ秒以内にダイノード段の電圧が必要とされるレベルに達した場合
には、発振回路は、例えばたった６ｍ秒でオフにスイッチングされる。

【００１３】 過負荷状態が検出されたときは、その旨はディスプレーその他に表示される。 時間遅延を、発振回路のスイッチング手段の中に構成することも可能である。
このような時間遅延は、過負荷状態が検出されているときには、過負荷状態がな
くなるまで、発振回路をオンにする間又は回路を再スタートしようとする間の時
間遅延が徐々に増加する。このような時間遅延は、光電子増倍管が過負荷状態に
なるのを防止することができ、したがって、例えば、ウィンドウが貫通してしま
った場合のダイノードの「はぎ取り」を防止し、ウィンドウの定期的な取り替え
を考慮しなくてもよくなる。この遅延は、過負荷状態によって生じる電力消費を
削減することにもなる。

【００１４】 電力効率の利点及び露出状態の検出に加え、上記によって、発振回路がオフの
間のシステム内に発生するノイズが低減され、ＰＭＴの読みがより正確になる。

【００１５】 本発明の光電子増倍管回路は、光電子増倍管が使用されるあらゆる用途におい
て使用することができるが、本発明の回路は、放射モニターにおいて使用するの
に最適化されている。特に、ＢＡＳＥＥＦＡの基準に合致する必要があり、オン
／オフのスイッチングを必要としない携帯型放射モニターにおいての使用に、本
発明の回路は最適化されている。回路の電力効率は、電離線規定（１９８５年）
によって必要とされる、予定された予防メインテナンス及び較正作業のあいだに
、年に一度電池を交換するだけでよい程度となる。

【００１６】 本発明の第二の態様によって与えるられる、チャージング手段を用いた複数の
ダイノードを有する光電子増倍管のチャージを制御する方法は、 i）ダイノードを予め決められた電圧にチャージするサイクルと、 ii）チャージング手段をオフにスイッチングするサイクルと、 iii）少なくとも一つのダイノードの電圧を決定するために、そのダイノードを
サンプリングするサイクルと、 iv）サンプリングされたダイノードの電圧が予め決められた電圧を下回ったとき
に、チャージング手段をオンにスイッチングするサイクルと、 を含んでいる。

【００１７】 また、チャージング手段を用いた複数のダイノードを有する光電子増倍管のチ
ャージを制御する方法は、 i）チャージング手段を予め決められた最大時間のあいだオンにスイッチングす
るサイクルと、 ii）予め決められた最大時間のあいだ、少なくとも一つのダイノードをサンプリ
ングしてその電圧を決定するサイクルと、 iii）サンプリングされたダイノードの電圧が予め決められたレベルに達するか
、あるいは最大時間になったときは、チャージング手段をオフにスイッチングす
るサイクルと、 iv）予め決められた時間だけ待つサイクルと、 を含んでいる。

【００１８】 ここから、本発明の実施例を、例示として、添付図面を参照しながら説明する
。 図１は、単純化した、ＰＭＴ回路の回路ブロック図を示している。

【００１９】 図１を参照すると、ＰＭＴ回路は、マイクロコントローラ１、抵抗Ｒ１、二つ
のキャパシタＣ１、Ｃ２、トランジスタＴＲ１およびインダクタＬ１を含む発振
回路２、９個のダイオードＤ１〜Ｄ９及び９個のキャパシタＣ３〜Ｃ１１を含む
コッククロフト・ウォルトン型のチャージング回路３、アノード、ダイノード段
Ｓ１〜Ｓ７及びカソードを含む光電子増倍管４、抵抗Ｒ２及びＲ３を含むサンプ
リング回路５、そしてコンパレータを含んで構成されている。

【００２０】 発振回路２は、スタート時には、光電子増倍管のダイノード段がサンプリング
回路５によって決定された予め決められた電圧に到達するまで、光電子増倍管の
ダイノード段をチャージするチャージング回路３に対する高電圧源となる。この
回路では、ダイノードＳ４〜Ｓ７の３段だけの利得が用いられ、光電子増倍管の
アノードに接続されている。ダイノード段が必要とされる電圧になると、サンプ
リング回路は「ストップ」信号を生成し、これを受け取ったマイクロコントロー
ラ１は発振回路をオフにする。

【００２１】 通常動作時には、発振回路２はマイクロコントローラ１によって、１００ｍ秒
ごとに最大１０ｍ秒間オンにスイッチングされる。必要なチャージ時間は、マイ
クロコントローラ１がサンプリング回路５を用いて決定する。光電子増倍管４が
必要な電圧になったとサンプリング回路５が判断すると、サンプリング回路５は
「ストップ」信号を生成し、マイクロコントローラ１は発振回路をオフにスイッ
チングして合計の「オン」時間を決定する。

【００２２】 この「オン」時間は露出状態の決定に用いられる。例えば７ｍ秒未満の短い「
オン」時間は通常の動作状態を示し、７ｍ秒から９ｍ秒までの長い「オン」時間
は過負荷状態を示し、そして最大の１０ｍ秒の「オン」時間は「光リーク」状態
を示す。これらの状態を示すのに要する時間は、使用する個々の部品及び必要と
される電圧に依存することは明らかであり、したがって変化しうる。

【００２３】 マイクロコントローラ１は、「過負荷」状態あるいは「光リーク」状態が検出
されたときに、発振回路２をオンにスイッチングする前により長い設定時間のあ
いだ待つように、そして電力をセーブして光電子増倍管を損傷から防ぐように設
計することができる。ダイノードをチャージしようとするあいだの時間遅延は、
「過負荷」又は「光リーク」状態を示す「オン」時間が予め決められた回数だけ
生じた後に、次第に倍加させることができる。例えば、ダイノードをチャージし
ようとする２５６回目の試みの後に「過負荷」状態又は「光リーク」状態が示さ
れた場合には、マイクロコントローラ１は、再びダイノードをチャージするまで
に２秒間待つようプログラミングされる。そして、さらにダイノードをチャージ
しようとする２５６回目の試みの後にいまだ「過負荷」状態又は「光リーク」状
態が示されるようならば、マイクロコントローラ１はダイノードをチャージする
までに４秒間待つようプログラミングされる。このサイクルは、「過負荷」状態
又は「光リーク」状態がなくなるまで繰り返される。これらの「過負荷」状態又
は「光リーク」状態は、ディスプレー（不図示）に表示させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＰＭＴ回路の単純化した回路ブロック図を示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，Ｌ Ｒ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，Ｔ Ｒ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ ，ＺＷ (72)発明者 ガードナー ジョン イギリス バークシャー アールジー７ ４ピーアール リーディング オルダーマ ストン エイダブリューイー （番地な し) Ｆターム(参考） 2G065 AA04 BA18 BC04 BC22 BC35 DA20

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のダイノードを有する光電子増倍管と、複数のダイノー
   ドに電荷を供給するチャージング回路と、チャージング回路へ高電圧を供給する
   発振回路とを含んで構成された光電子増倍管回路であって、さらに、複数のダイ
   ノードの少なくとも一つの電圧をサンプリングする手段と、サンプリングされた
   少なくとも一つのダイノードの電圧に関連して発振回路のオン／オフをスイッチ
   ングするスイッチング手段とを含むことを特徴とする光電子増倍管回路。
2. 【請求項２】 前記スイッチング手段は、マイクロコントローラを含むもの
   である請求項１に記載の光電子増倍管回路。
3. 【請求項３】 前記スイッチング手段は、前記発振回路がオンにスイッチン
   グされている時間の長さを決定するよう構成されている、請求項１又は２に記載
   の光電子増倍管回路。
4. 【請求項４】 光電子増倍管の露出状態は、発振回路がオンとされている時
   間の長さから決定されるものである、請求項３に記載の光電子増倍管回路。
5. 【請求項５】 前記チャージング回路の形態は、コッククロフト・ウォルト
   ン型である、請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光電子増倍管回路。
6. 【請求項６】 前記発振回路は、予め決められた時間を隔てながら、設定さ
   れた時間だけオンにスイッチングされ、サンプリングされたダイノードの電圧が
   予め決められた電圧に到達したときはオフにスイッチングされるものである、請
   求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の光電子増倍管回路。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のうちいずれか一項に記載の光電子増倍管回
   路を含んでいる放射モニター。
8. 【請求項８】 チャージング手段を用いた複数のダイノードを有する光電子
   増倍管のチャージングを制御する方法であって、 ダイノードを予め決められた電圧にチャージするサイクルと、 チャージング手段をオフにスイッチングするサイクルと、 少なくとも一つのダイノードの電圧を決定するために、そのダイノードをサン
   プリングするサイクルと、 サンプリングされたダイノードの電圧が予め決められた電圧を下回ったときに
   、チャージング手段をオンにスイッチングするサイクルと、 を含むことを特徴とする方法。
9. 【請求項９】 チャージング手段を用いた複数のダイノードを有する光電子
   増倍管のチャージングを制御する方法であって、 チャージング手段を予め決められた最大時間のあいだオンにスイッチングする
   サイクルと、 予め決められた最大時間のあいだ、少なくとも一つのダイノードをサンプリン
   グしてその電圧を決定するサイクルと、 サンプリングされたダイノードの電圧が予め決められたレベルに達するか、あ
   るいは最大時間になったときは、チャージング手段をオフにスイッチングするサ
   イクルと、 予め決められた時間だけ待つサイクルと、 を含むことを特徴とする方法。