JP2005207955A - 光検出用回路及び光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電子増倍管を用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる光検出用回路及び光検出器を提供する。
【解決手段】 光検出用回路５は、電位勾配を有する負電圧を光電陰極３３及びダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１に印加する負電圧発生部１１と、電位勾配を有する正電圧をダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎ及び陽極３７に印加する正電圧発生部１３と、陽極３７からの出力電流ｉ_１に基づいて、光電陰極３３に入射した光子に応じたパルス信号Ｓ_４を生成するフォトンカウンティング回路１７と、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいか否かを判定するコンパレータ２９と、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きい場合に、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）が同電位となるように正電圧発生部１３とダイノードＤｙ_ｍ＋２との接続状態を切り替えるスイッチ回路２１とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光電子増倍管に接続される光検出用回路及び光検出器に関するものである。

光電子増倍管（PhotoMultiplier Tube：以下ＰＭＴという）を用いて光を検出する際には、ＰＭＴからの出力電流をアナログ信号やパルス信号等に変換することが一般的である。被検出光の光量が比較的大きい場合には、ＰＭＴからの出力電流をＩ／Ｖ変換するとともに増幅してアナログ信号を生成し、このアナログ信号値の大きさによって入射光量を示す。また、被検出光の光量が比較的小さい場合には、ＰＭＴに光子が入射する度に発生するパルス状の出力電流をカウントすることによって入射光量を示す。

近年、より広いダイナミックレンジ（すなわち、検出できる最小光量と最大光量との比）でＰＭＴへの入射光量を測定することが求められている。これを実現するための装置として、例えば特許文献１に開示された光子計数測光装置がある。この装置は、ＰＭＴからの出力電流に基づいてパルス信号を生成するフォトンカウンティング回路と、ＰＭＴからの出力電流をＩ／Ｖ変換して増幅するＣ−Ｐコンバータ回路と、これらの回路からの出力信号のうちいずれの出力信号を装置外部へ出力するかを切り替える切換スイッチとを備えている。そして、ＰＭＴへの入射光量が小さい場合にはフォトンカウンティング回路において生成されるパルス信号のパルス数によって入射光量を示し、ＰＭＴへの入射光量が大きい場合にはＣ−Ｐコンバータ回路において生成されるアナログ信号の大きさ（具体的には、アナログ信号の大きさをパルス数に換算した値）によって入射光量を示すように、切換スイッチを手動で切り替える構成となっている。

上記した装置のほかに、より広いダイナミックレンジでＰＭＴへの入射光量を測定するための装置としては、特許文献２に開示された光検出装置がある。この装置は２つの増幅器（Ｉ／Ｖ変換回路）を備えており、一方の増幅器がＰＭＴの陽極に接続され、他方の増幅器がＰＭＴの最終段ダイノードに接続されている。そして、いずれの増幅器からの出力信号を用いるかをＰＭＴへの入射光量に応じて制御している。最終段ダイノードからの出力電流は陽極からの出力電流よりも小さいので、この装置では、入射光量が比較的大きな場合に陽極ではなく最終段ダイノードから出力電流を取り出すことによって、ダイナミックレンジを拡張しようとしている。
特公平７−１８７５７ 特開平９−６１５３７

しかしながら、特許文献１に開示された装置は、２つの回路を手動によって切り替える必要があるため、入射光量が連続的に変動するような場合には不向きである。また、特許文献２に開示された装置では、比較的大きな光量の光が入射すると、ダイノードにおいて生じた過大な二次電子が分圧用の抵抗素子に流入する。これにより、各ダイノード及び陽極間の電位勾配が崩れてしまい、入射光量に対する出力電流の線形性を維持できなくなる恐れがある。従って、特許文献２に開示された装置では、ＰＭＴからの出力電流を陽極及び最終段ダイノードのうちいずれから取り出したとしても、測定可能な入射光量が制限される（ダイナミックレンジが制限される）こととなる。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、ＰＭＴを用いて広いダイナミックレンジで光量を測定できる光検出用回路及び光検出器を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による第１の光検出用回路は、入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極と、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され光電子を増倍する増倍部と、増倍部によって増倍された電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管に接続される光検出用回路であって、第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−２）のダイノードを基準電位とし、光電陰極及び第１段目〜第ｍ−１段目のダイノードのそれぞれに、所定の電位勾配で負電圧を印加する負電圧発生部と、第ｍ段目のダイノードを基準電位とし、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目のダイノード及び陽極のそれぞれに、所定の電位勾配で正電圧を印加する正電圧発生部と、陽極からの電流に基づいて、光電陰極に入射した光子に応じたパルス出力信号を生成するパルス生成手段と、ダイノードまたは陽極からの電流に基づいて、光電陰極への入射光量が所定量よりも大きいか否かを判定する判定手段と、判定手段による判定結果に基づいて、光電陰極への入射光量が所定量よりも大きい場合に、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目のダイノードのうち隣り合う少なくとも２段のダイノードが同電位となるように正電圧発生部とダイノードとの接続状態を切り替えるスイッチ部と、第ｍ段目のダイノードからの電流に基づいて、光電陰極への入射光量に応じたアナログ出力信号を生成するアナログ出力生成手段とを備えることを特徴とする。

上記した第１の光検出用回路では、光電陰極への入射光量が所定量よりも小さいと判定手段が判定すると、光電陰極、ｎ段の各ダイノード、及び陽極へ負電圧発生部及び正電圧発生部によって所定の電位勾配が与えられる。そして、パルス生成手段が、陽極からの電流に基づいて入射光子に応じたパルス出力信号を生成するので、このパルス出力信号数を積算することによって微小な入射光量を検出することができる。また、光電陰極への入射光量が所定量よりも大きいと判定手段が判定すると、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目のダイノードのうち隣り合う少なくとも２段のダイノードがスイッチ部によって同電位となる。従って、これらのダイノードでは電子増倍作用が抑えられるので、入射光量が比較的大きい場合でも二次電子が過大に発生することなく、二次電子の発生量をＰＭＴの最大定格陽極電流値の範囲内に収めることができるのでＰＭＴにおける急激な感度（ゲイン）劣化を防止できる。そして、アナログ出力生成手段からのアナログ出力信号によって比較的大きな入射光量を検出することができる。以上のことから、上記した第１の光検出用回路によれば、ＰＭＴを用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

また、第１の光検出用回路は、正電圧発生部が、ダイノード間に設けられ電位勾配を形成するツェナダイオードを有することを特徴としてもよい。これによって、抵抗素子を用いて各ダイノード間を分圧した場合と比較して、二次電子による電位勾配への影響をさらに抑えることができる。

また、第１の光検出用回路は、判定手段による判定結果を外部に提供するための出力端をさらに備えることを特徴としてもよい。これにより、入射光量の検出結果としてパルス出力信号及びアナログ出力信号のうちいずれを用いるかを判定結果に基づいて好適に決定することができる。

また、本発明による第２の光検出用回路は、入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極と、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され光電子を増倍する増倍部と、増倍部によって増倍された電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管に接続される光検出用回路であって、第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−２）のダイノードを基準電位とし、光電陰極及び第１段目〜第ｍ−１段目のダイノードのそれぞれに、所定の電位勾配で負電圧を印加する負電圧発生部と、第ｍ段目のダイノードを基準電位とし、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目のダイノード及び陽極のそれぞれに、所定の電位勾配で正電圧を印加する正電圧発生部と、陽極からの電流に基づいて、光電陰極に入射した光子に応じたパルス出力信号を生成するパルス生成手段と、第ｍ段目のダイノードからの電流に基づいて、光電陰極への入射光量に応じたアナログ出力信号を生成するアナログ出力生成手段とを備えることを特徴とする。

上記した第２の光検出用回路では、第ｍ段目のダイノードが基準電位となる。そして、光電陰極及び第１段目〜第ｍ−１段目のダイノードのそれぞれが、負電圧発生部によって所定の電位勾配で負電圧を印加される。また、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目のダイノード及び陽極のそれぞれが、正電圧発生部によって所定の電位勾配で正電圧を印加される。このように、第ｍ段目のダイノードを基準電位として各ダイノードに電圧を印加することにより、入射光量が比較的大きな場合であっても過大な二次電子が負電圧発生部に流入することなく、第１段目〜第ｍ段目のダイノード間の電位勾配を好適に維持することができる。従って、アナログ出力生成手段からのアナログ出力信号に基づいて入射光量を検出することができる。また、入射光量が比較的小さな場合には、パルス生成手段からのパルス出力信号数を積算することによって入射光量を検出することができる。以上のことから、上記した第２の光検出用回路によれば、ＰＭＴを用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

また、本発明による光検出器は、入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され光電子を増倍する増倍部、及び増倍部によって増倍された電子を収集する陽極を有する光電子増倍管と、上記したいずれかの光検出用回路とを備えることを特徴とする。これによって、広いダイナミックレンジで光量を測定可能な光検出器を提供できる。

本発明による光検出用回路及び光検出器によれば、ＰＭＴを用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光検出用回路及び光検出器の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
本発明による光検出用回路及び光検出器の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態による光検出器１及び光検出用回路５の構成を示す回路図である。図１を参照すると、光検出器１は、ＰＭＴ３及び光検出用回路５を備えている。

ＰＭＴ３は、被検出光Ｌの入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極３３と、光電子を増倍する増倍部３５と、増倍部３５によって増倍された電子を収集する陽極３７とを真空管３９の内部に有している。増倍部３５は、ｎ段（ｎは４以上の整数）に配置された第１段目のダイノードＤｙ_１〜最終段ダイノードＤｙ_ｎを有している。ダイノードＤｙ_１は光電陰極３３からの光電子を受ける位置に配置され、ダイノードＤｙ_２〜Ｄｙ_ｎは前段のダイノードからの二次電子を受ける位置に配置されている。陽極３７は、ダイノードＤｙ_ｎからの二次電子を受ける位置に配置されている。

光検出用回路５は、負電圧発生部１１、正電圧発生部１３、アンプ・切換回路１５、フォトンカウンティング回路１７、及びスイッチ回路２１を有している。負電圧発生部１１は、第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−２、本実施形態ではｍ＝ｎ−２）のダイノードＤｙ_ｍを基準電位とし、光電陰極３３及びダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１のそれぞれに、所定の電位勾配で負電圧を印加するための手段である。具体的には、接地された基準電位線１９に抵抗素子Ｒ_１を介してダイノードＤｙ_ｍを電気的に接続する配線を光検出用回路５が有しており、ダイノードＤｙ_ｍへの印加電圧Ｖ_ｍは基準電位（すなわち接地電位）となっている。そして、負電圧発生部１１は、基準電位よりも低電位であり、前段ほど低い電位となるような電位勾配を有する電圧Ｖ_１〜Ｖ_ｍ−１を例えば抵抗分圧等によって生成し、これらの電圧Ｖ_１〜Ｖ_ｍ−１をダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１へ印加する。また、負電圧発生部１１は、電圧Ｖ_１よりも低電位である電圧Ｖ_ｋを生成し、この電圧Ｖ_ｋを光電陰極３３へ印加する。

正電圧発生部１３は、高圧電源３１及びツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４を有している。正電圧発生部１３は、ダイノードＤｙ_ｍを基準電位とし、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎ及び陽極３７のそれぞれに、所定の電位勾配で正電圧を印加するための手段である。なお、本実施形態においては、ダイノードＤｙ_ｍが最終段ダイノードＤｙ_ｎよりも２段前に配置されているので、最終段ダイノードＤｙ_ｎをダイノードＤｙ_ｍ＋２と表現することができる。

高圧電源３１は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎ及び陽極３７に印加するための電圧を発生する電源である。高圧電源３１のマイナス端子は基準電位線１９に電気的に接続されており、高圧電源３１のプラス端子は並列に接続された抵抗素子Ｒ_２及び容量素子Ｃ_１の一端に電気的に接続されている。抵抗素子Ｒ_２及び容量素子Ｃ_１の他端は、ノード４３及び抵抗素子Ｒ_３を介して陽極３７に電気的に接続されている。こうして、陽極３７には基準電位線１９を基準電位とする正の電圧Ｖ_ｐが印加される。

ツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４は、高圧電源３１からの電圧を分圧するための分圧手段である。ツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４は、基準電位線１９とノード４３との間に、それぞれのアノード端子を基準電位線１９側として互いに直列に接続されている。ツェナダイオードＤ_１のカソード端子及びツェナダイオードＤ_２のアノード端子は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びスイッチ回路２１に電気的に接続されている。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１には、ツェナダイオードＤ_１とツェナダイオードＤ_２〜Ｄ_４とによって分圧された電圧Ｖ_ｍ＋１が印加される。また、ツェナダイオードＤ_３のカソード端子及びツェナダイオードＤ_４のアノード端子は、スイッチ回路２１に電気的に接続されている。

なお、高圧電源３１からの電圧を分圧するための分圧手段としては、ツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４のかわりに例えば抵抗素子などを用いてもよい。また、本実施形態では、ダイノードＤｙ_ｍとダイノードＤｙ_ｍ＋１との間に１つのツェナダイオードＤ_１が接続され、ダイノードＤｙ_ｍ＋１とダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）との間に２つのツェナダイオードＤ_２及びＤ_３が接続され（後述するスイッチ手段ＳＷ_２が接続状態となる場合）、ダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）と陽極３７との間に１つのツェナダイオードＤ_４が接続されている。ツェナダイオードの個数はこれらに限られるものではなく、必要に応じて加減することができる。また、ツェナダイオードのツェナ電圧値についても、各ダイノードへの好適な印加電圧値に応じて適宜選択するとよい。

アンプ・切換回路１５は、次の二種類の手段を有している。すなわち、ダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２を増幅して光検出器１の外部へ出力する手段、及びダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２に基づいて、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいか否かを判定する判定手段である。なお、出力電流ｉ_２は、光電陰極３３への入射光量に応じてダイノードＤｙ_ｍから取り出される。

アンプ・切換回路１５は、増幅器２５を有している。増幅器２５の入力端は、光検出用回路５が備える配線４１を介してダイノードＤｙ_ｍに電気的に接続されている。この配線４１は、ダイノードＤｙ_ｍから出力電流ｉ_２を取り出すための配線であり、ダイノードＤｙ_ｍと抵抗素子Ｒ_１との間に接続されることによって出力電流ｉ_２を取り出す。増幅器２５の出力端は、光検出用回路５のアナログ出力端４５に電気的に接続されている。本実施形態では、配線４１及び増幅器２５によってアナログ出力生成手段が構成される。すなわち、増幅器２５は、ダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２を配線４１を介して受け取り、入射光量を示すアナログ出力信号である光量信号Ｓ_１を出力電流ｉ_２を増幅することにより生成し、この光量信号Ｓ_１をアナログ出力端４５を介して光検出器１の外部へ出力する。なお、増幅器２５は、ダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２を電流のまま増幅して光量信号Ｓ_１を生成してもよいし、出力電流ｉ_２を電圧信号に変換して光量信号Ｓ_１を生成してもよい。また、アナログ出力生成手段は、増幅器２５を備えず配線４１によって構成されてもよい。この場合、ダイノードＤｙ_ｍから出力電流ｉ_２がそのままアナログ出力信号となる。

また、アンプ・切換回路１５は、増幅器２７及びコンパレータ２９を有している。増幅器２７の入力端は、増幅器２５の出力端に電気的に接続されている。また、増幅器２７の出力端は、コンパレータ２９の一方の入力端に電気的に接続されている。増幅器２７は、増幅器２５からの光量信号Ｓ_１を受け、電圧信号である光量信号Ｓ_２を生成する。

コンパレータ２９は、本実施形態における判定手段である。コンパレータ２９の他方の入力端には参照電圧Ｖ_Ｒが入力されており、コンパレータ２９は、増幅器２７からの光量信号Ｓ_２と参照電圧Ｖ_Ｒとの大小を比較することによって、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいか否かを判定する。そして、増幅器２７からの光量信号Ｓ_２と参照電圧Ｖ_Ｒとの大小を示す判定結果である判定信号Ｓ_３を生成する。具体的には、コンパレータ２９の反転端子に光量信号Ｓ_２が入力され、非反転端子に参照電圧Ｖ_Ｒが入力される。そして、光量信号Ｓ_２が参照電圧Ｖ_Ｒよりも大きい場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きい場合）には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３がＬｏレベルとなる。また、光量信号Ｓ_２が参照電圧Ｖ_Ｒよりも小さい場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さい場合）には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３がＨｉレベルとなる。コンパレータ２９は、このようにして生成した判定信号Ｓ_３をスイッチ回路２１へ提供する。

光検出用回路５は、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３を光検出用回路５の外部に提供するための出力端としてモード出力端４７を備えている。すなわち、コンパレータ２９の出力端はモード出力端４７に電気的に接続されており、モード出力端４７を介して光検出用回路５外部へ判定信号Ｓ_３を出力できるようになっている。

スイッチ回路２１は、本実施形態におけるスイッチ部である。スイッチ回路２１は、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２並びにバッファ回路２３を有している。スイッチ回路２１は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）が同電位となるように正電圧発生部１３とダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）との接続状態を切り替えるための回路である。具体的には、スイッチ回路２１のスイッチ手段ＳＷ_１は、ツェナダイオードＤ_１のカソード端子及びツェナダイオードＤ_２のアノード端子とダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。換言すれば、スイッチ手段ＳＷ_１は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１とダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。また、スイッチ手段ＳＷ_２は、ツェナダイオードＤ_３のカソード端子及びツェナダイオードＤ_４のアノード端子とダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。

スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２は、いずれか一方が接続状態となり他方が非接続状態となるように、バッファ回路２３を介して与えられるアンプ・切換回路１５からの判定信号Ｓ_３に基づいて動作する。すなわち、アンプ・切換回路１５からの判定信号Ｓ_３がＬｏレベルの場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きい場合）には、スイッチ手段ＳＷ_１が接続状態且つスイッチ手段ＳＷ_２が非接続状態となる。このとき、ダイノードＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）に印加される電圧Ｖ_ｎは、ダイノードＤｙ_ｍ＋１に印加される電圧Ｖ_ｍ＋１と等しくなる。また、判定信号Ｓ_３がＨｉレベルの場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さい場合）には、スイッチ手段ＳＷ_１が非接続状態且つスイッチ手段ＳＷ_２が接続状態となる。このとき、電圧Ｖ_ｎはツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_３とツェナダイオードＤ_４とによって分圧された電圧となる。なお、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２としては、機械的スイッチのほか、トランジスタ等の電気的スイッチを用いることができる。

フォトンカウンティング回路１７は、本実施形態におけるパルス生成手段であり、陽極３７からの出力電流ｉ_１に基づいて、光電陰極３３に入射した光子に応じたパルス出力信号であるパルス信号Ｓ_４を生成する。フォトンカウンティング回路１７の入力端は、容量素子Ｃ_２を介して陽極３７に電気的に接続されている。また、フォトンカウンティング回路１７の出力端は、光検出用回路５のパルス出力端４９に電気的に接続されている。フォトンカウンティング回路１７は、光電陰極３３に入射した光子毎に生じるパルス状の出力電流ｉ_１を陽極３７から受ける。このとき、出力電流ｉ_１に定常成分が存在する場合（光電陰極３３に或る光量以上の被検出光Ｌが入射した場合等）、この定常成分は容量素子Ｃ_２によって遮断される。フォトンカウンティング回路１７は、パルス状の出力電流ｉ_１のうち所定レベル以上のパルス成分を抽出し、デジタル信号であるパルス信号Ｓ_４を生成する。フォトンカウンティング回路１７は、パルス出力端４９を介してパルス信号Ｓ_４を光検出用回路５の外部へ出力する。測定者は、前述したモード出力端４７において判定信号Ｓ_３を参照することにより、測定結果としてパルス信号Ｓ_４及び光量信号Ｓ_１のうちいずれを用いるかを選択することができる。

以上の構成を備える光検出器１及び光検出用回路５は、次のように動作する。ＰＭＴ３の光電陰極３３に被検出光Ｌが入射すると、光電陰極３３において入射光量に応じた光電子が発生する。光電陰極３３及びダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍのそれぞれには負電圧発生部１１によって電位勾配を与えられた電圧Ｖ_ｋ、Ｖ_１〜Ｖ_ｍが印加されているので、光電陰極３３において発生した光電子はダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍへ順に放出されて二次電子増倍される。増倍された二次電子は、ダイノードＤｙ_ｍから出力されて出力電流ｉ_２となり、配線４１を介してアンプ・切換回路１５へ提供される。アンプ・切換回路１５では、出力電流ｉ_２が光量信号Ｓ_１に変換されるとともに、光電陰極３３に所定量を超える光量の被検出光Ｌが入射したか否かがコンパレータ２９によって判定される。

コンパレータ２９において、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さい（すなわち、光量信号Ｓ_２が参照電圧Ｖ_Ｒよりも小さい）と判定された場合には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３によって、スイッチ手段ＳＷ_１が非接続状態となり、スイッチ手段ＳＷ_２が接続状態となる。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）、及び陽極３７のそれぞれには、正電圧発生部１３によって電位勾配を与えられた電圧Ｖ_ｍ＋１、Ｖ_ｎ、及びＶ_ｐが印加されることとなり、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍによって二次電子増倍された電子はそのままダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）においても二次電子増倍される。そして、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）によって増倍された電子が陽極３７において収集され、出力電流ｉ_１としてフォトンカウンティング回路１７へ送られる。フォトンカウンティング回路１７では、出力電流ｉ_１が入射光子に応じたパルス信号Ｓ_４に変換されて光検出器１の外部へ出力される。この場合、光電陰極３３への入射光量は、パルス信号Ｓ_４のパルス数がカウントされることによって示される。

また、コンパレータ２９において、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きい（すなわち、光量信号Ｓ_２が参照電圧Ｖ_Ｒよりも大きい）と判定された場合には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３によって、スイッチ手段ＳＷ_１が接続状態となり、スイッチ手段ＳＷ_２が非接続状態となる。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）は同電位となり、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍによって二次電子増倍された電子はダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）によってその後の増倍が抑制されることとなる。この場合、光電陰極３３への入射光量は、アンプ・切換回路１５からの光量信号Ｓ_１によって示される。

以上に説明した本実施形態による光検出器１及び光検出用回路５は、以下の効果を有する。すなわち、光検出器１及び光検出用回路５では、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さいとコンパレータ２９が判定すると、スイッチ手段ＳＷ_１が非接続状態となり且つスイッチ手段ＳＷ_２が接続状態となるので、光電陰極３３、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎ、及び陽極３７へ負電圧発生部１１及び正電圧発生部１３によって通常の電位勾配が与えられる。そして、フォトンカウンティング回路１７が、陽極３７からの出力電流ｉ_１に基づいて入射光子に応じたパルス信号Ｓ_４を生成するので、このパルス信号Ｓ_４のパルス数を積算することによって微小な入射光量を検出することができる。また、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいとコンパレータ２９が判定すると、スイッチ手段ＳＷ_１が接続状態となり且つスイッチ手段ＳＷ_２が非接続状態となるので、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）が同電位となる。従って、これらのダイノードＤｙ_ｍ＋１及びＤｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）では電子増倍作用が抑えられるので、入射光量が比較的大きい場合でも二次電子が過大に発生することを抑制できる。これにより、二次電子の発生量をＰＭＴ３の最大定格陽極電流値の範囲内に収めることができるのでＰＭＴ３における急激な感度（ゲイン）劣化を防止でき、しかもダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ間の電位勾配は好適に維持されているので、ダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２に基づいて比較的大きな入射光量を検出することができる。以上のことから、本実施形態の光検出器１及び光検出用回路５によれば、ＰＭＴ３を用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

また、本実施形態による光検出器１及び光検出用回路５では、ダイノードＤｙ_ｍが基準電位となっている。そして、光電陰極３３及びダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１のそれぞれが、負電圧発生部１１によって所定の電位勾配で負電圧を印加されており、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎ及び陽極３７のそれぞれが、正電圧発生部１３によって所定の電位勾配で正電圧を印加されている。このように、ダイノードＤｙ_ｍを基準電位として各ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎに電圧を印加することにより、入射光量が比較的大きな場合であっても過大な二次電子が負電圧発生部１１に流入することなく、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ間の電位勾配を好適に維持することができるので、アナログ出力端４５における光量信号Ｓ_１に基づいて入射光量を検出することができる。また、入射光量が比較的小さな場合には、フォトンカウンティング回路１７からのパルス信号Ｓ_４のパルス数を積算することによって入射光量を検出することができる。以上のことから、本実施形態による光検出器１及び光検出用回路５によれば、ＰＭＴ３を用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

ここで、図２は、本実施形態における光電陰極３３への入射光量と、パルス信号Ｓ_４のパルス数、及び光量信号Ｓ_１の値との相関を示すグラフである。図２を参照すると、入射光量が比較的小さな領域（スイッチ手段ＳＷ_２が接続状態となる）では、入射光量とパルス信号Ｓ_４のパルス数とが好適に比例していることがわかる。入射光量が所定量（このグラフでは１０^−１０［Ｗ］）を超えると（図中のＡ点）、スイッチ手段ＳＷ_２が非接続状態となるとともに、スイッチ手段ＳＷ_１が接続状態となる。そして、入射光量が所定量以上の比較的大きな領域では、入射光量と光量信号Ｓ_１の値とが好適に比例していることがわかる。このように、本実施形態による光検出器１及び光検出用回路５によれば、広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

また、本実施形態のように、正電圧発生部１３は、ダイノードＤｙ_ｍ〜Ｄｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）間に設けられ電位勾配を形成するツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４を有することが好ましい。ツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４のツェナ電圧は電流の影響を殆ど受けないので、電位勾配がツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_４により形成されることによって、抵抗素子を用いてダイノードＤｙ_ｍ〜Ｄｙ_ｍ＋２（Ｄｙ_ｎ）及び陽極３７の相互間を分圧した場合と比較して、過大な二次電子による電位勾配への影響をさらに抑えることができる。

また、本実施形態のように、光検出器１及び光検出用回路５は、コンパレータ２９による判定信号Ｓ_３を外部に提供するためのモード出力端４７を備えることが好ましい。これにより、測定者が、入射光量の検出結果としてパルス信号Ｓ_４及び光量信号Ｓ_１のうちいずれを用いるかを判定信号Ｓ_３に基づいて好適に決定することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明による光検出器及び光検出用回路の第２実施形態について説明する。図３は、本実施形態による光検出器２及び光検出用回路６の構成を示す回路図である。なお、本実施形態によるＰＭＴ３の構成は第１実施形態によるＰＭＴ３の構成と同様であるので、ＰＭＴ３に関する詳細な説明を省略する。

光検出用回路６は、負電圧発生部１２、正電圧発生部１４、アンプ・切換回路１５、フォトンカウンティング回路１７といったパルス生成手段、及びスイッチ回路２２といったスイッチ部を有している。このうち、アンプ・切換回路１５及びフォトンカウンティング回路１７の構成は第１実施形態のものと同様である。負電圧発生部１２は、第ｍ段目（本実施形態ではｍ＝ｎ−３）のダイノードＤｙ_ｍを基準電位とし、光電陰極３３及びダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１のそれぞれに、電位勾配を有する負電圧を印加する。

正電圧発生部１４は、高圧電源３１及びツェナダイオードＤ_５〜Ｄ_９を有している。このうち、高圧電源３１の構成は、第１実施形態の高圧電源３１の構成と同様である。正電圧発生部１４は、ダイノードＤｙ_ｍを基準電位とし、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎ及び陽極３７のそれぞれに、所定の電位勾配でもって正電圧を印加する。本実施形態においては、ダイノードＤｙ_ｍが最終段ダイノードＤｙ_ｎよりも３段前に配置されているので、最終段ダイノードＤｙ_ｎをダイノードＤｙ_ｍ＋３と表現することができる。

ツェナダイオードＤ_５〜Ｄ_９は、高圧電源３１からの電圧を分圧するための分圧手段である。ツェナダイオードＤ_５〜Ｄ_９は、基準電位線１９とノード４３との間に、それぞれのアノード端子を基準電位線１９側として互いに直列に接続されている。ツェナダイオードＤ_５のカソード端子及びツェナダイオードＤ_６のアノード端子は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１及びスイッチ回路２２に電気的に接続されている。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１には、ツェナダイオードＤ_５とツェナダイオードＤ_６〜Ｄ_９とによって分圧された電圧Ｖ_ｍ＋１が印加される。また、ツェナダイオードＤ_６のカソード端子及びツェナダイオードＤ_７のアノード端子は、スイッチ回路２２に電気的に接続されている。また、ツェナダイオードＤ_８のカソード端子及びツェナダイオードＤ_９のアノード端子は、スイッチ回路２２に電気的に接続されている。

スイッチ回路２２は、スイッチ手段ＳＷ_３〜ＳＷ_５並びにバッファ回路２３を有している。本実施形態において、スイッチ回路２２は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２、及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）が互いに同電位となるように正電圧発生部１４とダイノードＤｙ_ｍ＋２及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）との接続状態を切り替えるための回路である。具体的には、スイッチ回路２２のスイッチ手段ＳＷ_３は、ツェナダイオードＤ_５のカソード端子及びツェナダイオードＤ_６のアノード端子とダイノードＤｙ_ｍ＋２との間に、ツェナダイオードＤ_６と並列になるように設けられている。換言すれば、スイッチ手段ＳＷ_３は、ダイノードＤｙ_ｍ＋１とダイノードＤｙ_ｍ＋２との間に設けられている。また、スイッチ手段ＳＷ_４は、ツェナダイオードＤ_６のカソード端子及びツェナダイオードＤ_７のアノード端子とダイノードＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。換言すれば、スイッチ手段ＳＷ_４は、ダイノードＤｙ_ｍ＋２とダイノードＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。また、スイッチ手段ＳＷ_５は、ツェナダイオードＤ_８のカソード端子及びツェナダイオードＤ_９のアノード端子とダイノードＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）との間に設けられている。

スイッチ手段ＳＷ_３〜ＳＷ_５は、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が接続状態のときにはスイッチ手段ＳＷ_５が非接続状態となり、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が非接続状態のときにはスイッチ手段ＳＷ_５が接続状態となるように、バッファ回路２３を介して与えられるアンプ・切換回路１５からの判定信号Ｓ_３に基づいて動作する。すなわち、アンプ・切換回路１５からの判定信号Ｓ_３がＬｏレベルの場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きい場合）には、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が接続状態且つスイッチ手段ＳＷ_５が非接続状態となる。このとき、電圧Ｖ_ｍ＋１〜Ｖ_ｎはツェナダイオードＤ_５とツェナダイオードＤ_６〜Ｄ_９とによって分圧された電圧となる。また、アンプ・切換回路１５からの判定信号Ｓ_３がＨｉレベルの場合（すなわち光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さい場合）には、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が非接続状態且つスイッチ手段ＳＷ_５が接続状態となる。このとき、電圧Ｖ_ｍ＋１はツェナダイオードＤ_５とツェナダイオードＤ_６〜Ｄ_９とによって分圧された電圧となり、電圧Ｖ_ｍ＋２はツェナダイオードＤ_５及びＤ_６とツェナダイオードＤ_７〜Ｄ_９とによって分圧された電圧となり、電圧Ｖ_ｎはツェナダイオードＤ_５〜Ｄ_８とツェナダイオードＤ_９とによって分圧された電圧となる。

以上の構成を備える光検出器２及び光検出用回路６は、次のように動作する。ＰＭＴ３の光電陰極３３に被検出光Ｌが入射すると、光電陰極３３において入射光量に応じた光電子が発生する。この光電子は、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍへ順に放出されて二次電子増倍される。増倍された二次電子は、ダイノードＤｙ_ｍから出力されて出力電流ｉ_２となり、アンプ・切換回路１５へ提供される。アンプ・切換回路１５では、出力電流ｉ_２が光量信号Ｓ_１に変換されるとともに、光電陰極３３に所定量を超える光量の被検出光Ｌが入射したか否かがコンパレータ２９によって判定される。

コンパレータ２９において、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さいと判定された場合には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３によって、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が非接続状態となり、スイッチ手段ＳＷ_５が接続状態となる。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）及び陽極３７には、正電圧発生部１４によって電位勾配を与えられた電圧Ｖ_ｍ＋１〜Ｖ_ｎ、Ｖ_ｐが印加されることとなり、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍによって二次電子増倍された電子はそのままダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）においても二次電子増倍される。そして、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎによって増倍された電子が陽極３７において収集され、出力電流ｉ_１としてフォトンカウンティング回路１７へ送られる。フォトンカウンティング回路１７では、出力電流ｉ_１が入射光子数に応じたパルス信号Ｓ_４に変換されて光検出器１の外部へ出力される。この場合、光電陰極３３への入射光量は、パルス信号Ｓ_４のパルス数がカウントされることによって示される。

また、コンパレータ２９において、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいと判定された場合には、コンパレータ２９からの判定信号Ｓ_３によって、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が接続状態となり、スイッチ手段ＳＷ_５が非接続状態となる。従って、ダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２、及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）は同電位となり、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍによって二次電子増倍された電子はダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２、及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）によってその増倍が抑制されることとなる。この場合、光電陰極３３への入射光量は、アンプ・切換回路１５からの光量信号Ｓ_１によって示される。

以上に説明した本実施形態による光検出器２及び光検出用回路６は、第１実施形態による光検出器１及び光検出用回路５と同様の効果を有する。すなわち、光検出器２及び光検出用回路６では、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも小さいとコンパレータ２９が判定すると、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が非接続状態となり且つスイッチ手段ＳＷ_５が接続状態となるので、光電陰極３３、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎ、及び陽極３７へ負電圧発生部１２及び正電圧発生部１４によって通常の電位勾配が与えられる。そして、フォトンカウンティング回路１７からのパルス信号Ｓ_４のパルス数を積算することによって微小な入射光量を検出することができる。また、光電陰極３３への入射光量が所定量よりも大きいとコンパレータ２９が判定すると、スイッチ手段ＳＷ_３及びＳＷ_４が接続状態となり且つスイッチ手段ＳＷ_５が非接続状態となるので、ダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２、及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）が同電位となる。従って、これらのダイノードＤｙ_ｍ＋１、Ｄｙ_ｍ＋２、及びＤｙ_ｍ＋３（Ｄｙ_ｎ）では電子増倍作用が抑えられるので、入射光量が比較的大きい場合でも二次電子が過大に発生することを抑制できる。これにより、二次電子の発生量をＰＭＴ３の最大定格陽極電流値の範囲内に収めることができるのでＰＭＴ３における急激な感度（ゲイン）劣化を防止でき、しかもダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ間の電位勾配は好適に維持されているので、ダイノードＤｙ_ｍからの出力電流ｉ_２に基づいて比較的大きな入射光量を検出することができる。以上のことから、本実施形態の光検出器２及び光検出用回路６によれば、ＰＭＴ３を用いて広いダイナミックレンジで光量を測定することができる。

本発明による光検出用回路及び光検出器は、上記した各実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施形態では第ｍ段目のダイノードＤｙ_ｍを最終段ダイノードＤｙ_ｎの２段前（ｍ＝ｎ−２）に設定し、第２実施形態では第ｍ段目のダイノードＤｙ_ｍを最終段ダイノードＤｙ_ｎの３段前（ｍ＝ｎ−３）に設定しているが、本発明による光検出器及び光検出用回路では、第ｍ段目のダイノードＤｙ_ｍを、２≦ｍ≦ｎ−２の範囲内でいずれのダイノードに設定してもよい。

また、上記した各実施形態では、光電陰極への入射光量が所定量を超えた場合に、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎを全て同電位としている。本発明はこれに限られるものではなく、ダイノードＤｙ_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎのうち隣り合う少なくとも２段のダイノードをスイッチ回路によって同電位とすることにより、入射光量が大きい場合であっても二次電子の発生量をＰＭＴの最大定格陽極電流値の範囲内に収め、ＰＭＴにおける急激な感度（ゲイン）劣化を防止できる。

また、上記した各実施形態では、アンプ・切換回路１５において第ｍ段目のダイノードＤｙ_ｍからの出力電流に基づいて光電陰極３３への入射光量を判定しているが、光電陰極３３への入射光量を他段のダイノードまたは陽極３７からの出力電流に基づいて判定することも可能である。すなわち、アンプ・切換回路の増幅器２７の入力端を任意のダイノードまたは陽極３７に電気的に接続し、この任意のダイノードまたは陽極３７から出力電流を取り出すことによって、光電陰極３３への入射光量を判定してもよい。

図１は、第１実施形態による光検出器及び光検出用回路の構成を示す回路図である。 図２は、第１実施形態における光電陰極への入射光量と、パルス信号のパルス数及び光量信号の値との相関を示すグラフである。 図３は、第２実施形態による光検出器及び光検出用回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１、２…光検出器、３…光電子増倍管（ＰＭＴ）、５、６…光検出用回路、１１、１２…負電圧発生部、１３、１４…正電圧発生部、１５…アンプ・切換回路、１７…フォトンカウンティング回路、１９…基準電位線、２１、２２…スイッチ回路、２３…バッファ回路、２５、２７…増幅器、２９…コンパレータ、３１…高圧電源、３３…光電陰極、３５…増倍部、３７…陽極、３９…真空管、４１…配線。

Claims (5)

1. 入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極と、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され前記光電子を増倍する増倍部と、前記増倍部によって増倍された電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管に接続される光検出用回路であって、
   第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−２）の前記ダイノードを基準電位とし、前記光電陰極及び第１段目〜第ｍ−１段目の前記ダイノードのそれぞれに、所定の電位勾配で負電圧を印加する負電圧発生部と、
   第ｍ段目の前記ダイノードを基準電位とし、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目の前記ダイノード及び前記陽極のそれぞれに、所定の電位勾配で正電圧を印加する正電圧発生部と、
   前記陽極からの電流に基づいて、前記光電陰極に入射した光子に応じたパルス出力信号を生成するパルス生成手段と、
   前記ダイノードまたは前記陽極からの電流に基づいて、前記光電陰極への前記入射光量が所定量よりも大きいか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段による判定結果に基づいて、前記光電陰極への前記入射光量が所定量よりも大きい場合に、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目の前記ダイノードのうち隣り合う少なくとも２段の前記ダイノードが同電位となるように前記正電圧発生部と前記ダイノードとの接続状態を切り替えるスイッチ部と、
   第ｍ段目の前記ダイノードからの電流に基づいて、前記光電陰極への前記入射光量に応じたアナログ出力信号を生成するアナログ出力生成手段と
   を備えることを特徴とする、光検出用回路。
2. 前記正電圧発生部が、前記ダイノード間に設けられ前記所定の電位勾配を形成するツェナダイオードを有することを特徴とする、請求項１に記載の光検出用回路。
3. 前記判定手段による判定結果を外部に提供するための出力端をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光検出用回路。
4. 入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極と、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され前記光電子を増倍する増倍部と、前記増倍部によって増倍された電子を収集する陽極とを有する光電子増倍管に接続される光検出用回路であって、
   第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−２）の前記ダイノードを基準電位とし、前記光電陰極及び第１段目〜第ｍ−１段目の前記ダイノードのそれぞれに、所定の電位勾配で負電圧を印加する負電圧発生部と、
   第ｍ段目の前記ダイノードを基準電位とし、第ｍ＋１段目〜第ｎ段目の前記ダイノード及び前記陽極のそれぞれに、所定の電位勾配で正電圧を印加する正電圧発生部と、
   前記陽極からの電流に基づいて、前記光電陰極に入射した光子に応じたパルス出力信号を生成するパルス生成手段と、
   第ｍ段目の前記ダイノードからの電流に基づいて、前記光電陰極への前記入射光量に応じたアナログ出力信号を生成するアナログ出力生成手段と
   を備えることを特徴とする、光検出用回路。
5. 入射光量に応じた光電子を放出する光電陰極、ダイノードがｎ段（ｎは４以上の整数）に配置され前記光電子を増倍する増倍部、及び前記増倍部によって増倍された電子を収集する陽極を有する光電子増倍管と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の光検出用回路と
   を備えることを特徴とする、光検出器。

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