JP2006017550A - Circuit for photodetection, and photodetector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit for photodetection, and a photodetector capable of measuring a quantity of light over a wide dynamic range by using a PMT. <P>SOLUTION: The circuit 2 for photodetection is provided with a voltage application means 21 for apply a predetermined potential gradient to a photocathode 33 and n stages of dynodes Dy<SB>1</SB>-Dy<SB>n</SB>, and a first changeover means 23 for switching the potential gradient between the dynode Dy<SB>1</SB>and the dynode Dy<SB>2</SB>over to a potential gradient reverse to it. With respect to light to be detected L having a smaller light quantity, the switching means SW<SB>1</SB>of the changeover means 23 is turned disconnected. On this occasion, secondary electron multiplication of photoelectrons generated at the photocathode 33 is performed by the dynodes Dy<SB>1</SB>-Dy<SB>n</SB>, and an output current I<SB>1</SB>is taken out from an anode 37. With respect to light to be detected L having a larger light quantity, the switch SW<SB>1</SB>is turned connected. On this occasion, photoelectrons generated at the photocathode 33 are taken out from the dynode Dy<SB>1</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。   The present invention relates to a photodetector circuit and a photodetector connected to a photomultiplier tube.

近年、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、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)で光量を測定することが求められている。ダイナミックレンジを拡張する方法としては、例えばPMTの各ダイノードに与える電位勾配の緩急を制御する方法がある。しかし、入射光量に対する出力電流の線形性を維持する必要もあるため、電位勾配による制御には限界がある。   In recent years, when detecting light using a photomultiplier tube (hereinafter referred to as PMT), it has been required to measure the light amount with a wider dynamic range (that is, the ratio between the minimum light amount and the maximum light amount that can be detected). It has been. As a method of expanding the dynamic range, for example, there is a method of controlling the potential gradient applied to each dynode of the PMT. However, since it is necessary to maintain the linearity of the output current with respect to the incident light quantity, there is a limit to the control by the potential gradient.

これに対し、より広いダイナミックレンジ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、入射光量が大きい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。
特開平9−61537
On the other hand, as a device for realizing a wider dynamic range, for example, there is a light detection device disclosed in Patent Document 1. This device includes two amplifiers (I / V conversion circuit), one amplifier is connected to the anode of the PMT and the other amplifier is connected to the final stage dynode of the PMT. The amplifier from which the output signal is used is controlled according to the amount of light incident on the PMT. Since the output current from the last stage dynode is smaller than the output current from the anode, this apparatus attempts to expand the dynamic range by extracting the output current from the last stage dynode instead of the anode when the amount of incident light is large.
JP-A-9-61537

特許文献1に開示された装置では、ダイナミックレンジの拡張幅は最終段ダイノードの電子増倍率に相当する幅に限られてしまう。特許文献1には、最終段より前段に設けた任意のダイノードに生ずる電流を検出してもよい旨が述べられている。しかし、この装置の構成では、各ダイノードは前段から受けた電子を二次電子増倍して後段へ放出するので、途中のダイノードから電流を取り出したとしても、入射光量が大きいと後段のダイノードに流れる電流はPMTの最大定格を超えてしまう。   In the apparatus disclosed in Patent Document 1, the expansion width of the dynamic range is limited to a width corresponding to the electron multiplication factor of the final stage dynode. Patent Document 1 states that a current generated in an arbitrary dynode provided before the final stage may be detected. However, in this device configuration, each dynode multiplies the electrons received from the previous stage and emits them to the subsequent stage, so even if the current is taken out from the dynode on the way, if the incident light quantity is large, The flowing current exceeds the maximum rating of the PMT.

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を用いて更に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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a light detection circuit and a light detector that can measure a light amount with a wider dynamic range using a PMT.

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2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、光電陰極及びn段のダイノードに所定の電位勾配を与える電圧印加手段と、n段のダイノードのうち第m段目(1≦m≦n−1)のダイノードから電子を取り出す際に、第m段目のダイノードと第m+1段目のダイノードとの間の電位勾配を所定の電位勾配とは逆の電位勾配に切り替える第1の切替手段とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a first photodetection circuit according to the present invention includes a photocathode that emits photoelectrons corresponding to the amount of incident light and dynodes arranged in n stages (n is an integer of 2 or more). Is a photodetection circuit connected to a photomultiplier tube having a multiplication unit for multiplying and an anode for collecting electrons multiplied by the multiplication unit. Voltage applying means for providing a potential gradient of the mth stage, and when taking out electrons from the mth stage (1 ≦ m ≦ n−1) dynodes of the nth dynodes, And a first switching means for switching the potential gradient between the dynode to a potential gradient opposite to the predetermined potential gradient.

第1の切替手段が第m段目のダイノードと第m+1段目のダイノードとの間の電位勾配を切り替えていないときには、増倍部のn段のダイノードのそれぞれに所定の電位勾配が与えられることにより、光電陰極において発生した光電子がn段のダイノードにおいて二次電子増倍され、陽極において収集される。従って、小さな入射光量に対しては、n段のダイノードによって大きな電子増倍率を実現できる。他方、第1の切替手段が第m段目のダイノードと第m+1段目のダイノードとの間の電位勾配を逆勾配に切り替えたときには、第m段目のダイノードから第m+1段目のダイノードへの二次電子の放出が抑えられ、入射光量に応じた電流を第m段目のダイノードから取り出すことができる。従って、大きな入射光量に対しては、n段よりも少ないm−1段のダイノードによって小さな電子増倍率を実現できる。特に、m=1の場合には、光電陰極において発生した光電子を増倍することなく第1段目のダイノードから取り出すことができる。以上のことから、上記した光検出用回路によれば、PMTを用いて従来の装置よりも更に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。   When the first switching means has not switched the potential gradient between the m-th dynode and the (m + 1) -th dynode, a predetermined potential gradient is applied to each of the n-stage dynodes of the multiplication unit. Thus, the photoelectrons generated at the photocathode are multiplied by secondary electrons at the n-stage dynode and collected at the anode. Therefore, for a small amount of incident light, a large electron multiplication factor can be realized by n stages of dynodes. On the other hand, when the first switching means switches the potential gradient between the m-th stage dynode and the m + 1-th stage dynode to the reverse slope, the m-th stage dynode to the m + 1-th stage dynode. Secondary electron emission is suppressed, and a current corresponding to the amount of incident light can be extracted from the m-th stage dynode. Therefore, for a large amount of incident light, a small electron multiplication factor can be realized by m-1 stage dynodes smaller than n stages. In particular, when m = 1, photoelectrons generated at the photocathode can be taken out from the first dynode without multiplication. From the above, according to the above-described light detection circuit, it is possible to measure the amount of light using a PMT with a wider dynamic range than the conventional apparatus.

また、光検出用回路は、陽極からの電流量、及び第m段目のダイノードからの電流量に基づいて第1の切替手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴としてもよい。これにより、PMTにおける電子増倍率を光電陰極への入射光量に応じて自動的に設定することができる。   The light detection circuit may further include a control unit that controls the first switching unit based on the amount of current from the anode and the amount of current from the m-th dynode. Thereby, the electron multiplication factor in the PMT can be automatically set according to the amount of light incident on the photocathode.

また、光検出用回路は、電圧印加手段が、光電陰極と第m段目のダイノードとの間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してもよい。これにより、光電陰極と第m段目のダイノードとの間の電位勾配を抵抗素子を用いて形成した場合と比較して、第m段目のダイノードから取り出される電流による電位勾配への影響を抑えることができる。   The photodetection circuit may be characterized in that the voltage application means includes a Zener diode that forms a potential gradient between the photocathode and the m-th dynode. Thereby, compared with the case where the potential gradient between the photocathode and the m-th dynode is formed using a resistance element, the influence on the potential gradient caused by the current taken out from the m-th dynode is suppressed. be able to.

また、光検出用回路は、第m+2段目以降のダイノードの電位を、第m段目のダイノードと略同電位となるように切り替える第2の切替手段をさらに備えることを特徴としてもよい。これにより、第m段目のダイノードからの二次電子の放出がほぼ完全に抑えられる。   The light detection circuit may further include second switching means for switching the potentials of the dynodes after the (m + 2) th stage so as to be substantially the same potential as that of the mth stage dynode. Thereby, the emission of secondary electrons from the m-th dynode is almost completely suppressed.

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2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、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。これによって、従来よりも更に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。   The photodetector according to the present invention includes a photocathode that emits photoelectrons according to the amount of incident light, a dynode arranged in n stages (n is an integer of 2 or more), a multiplier that multiplies photoelectrons, and a multiplier. A photomultiplier having an anode for collecting the electrons multiplied by the photodetection circuit and the photodetection circuit according to claim 1. As a result, a photodetector capable of measuring the amount of light with a wider dynamic range than before can be provided.

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できる。   According to the light detection circuit and the light detector of the present invention, the light quantity can be measured with a wide dynamic range using the PMT.

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。   Embodiments of a photodetection circuit and a photodetector according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

(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2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2を備えている。
(First embodiment)
A first embodiment of a light detection circuit and a light detector according to the present invention will be described. FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the photodetector 1 and the light detection circuit 2 according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, the photodetector 1 includes a PMT 3 and a light detection circuit 2.

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2以上の整数)に配置された第1段目のダイノードDyないし第n段目の(最終段)ダイノードDyを有している。ダイノードDy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〜Dy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からの二次電子を受ける位置に配置されている。 The PMT 3 includes a photocathode 33 that emits photoelectrons corresponding to the amount of incident light L to be detected, a multiplier 35 that multiplies photoelectrons, and an anode 37 that collects the electrons multiplied by the multiplier 35. It is inside the vacuum tube 39. Multiplication unit 35, an n-stage (n is an integer of 2 or more) have to arranged the first stage dynode Dy 1 through n-th stage (final stage) dynode Dy n. Dynodes Dy 1 is disposed at a position for receiving the photoelectrons from the photocathode 33, the dynodes Dy 2 ~Dy n is arranged in a position for receiving the secondary electrons from the preceding dynode. The anode 37 is disposed at a position for receiving the secondary electrons from the dynode Dy n.

光検出用回路2は、電圧印加手段21及び第1の切替手段23を備えている。電圧印加手段21は、光電陰極33及びn段のダイノードDy〜Dyに所定の電位勾配を与えるための手段である。本実施形態では、電圧印加手段21は第1の電圧印加手段21a及び第2の電圧印加手段21bによって構成されている。第1の電圧印加手段21aは、ツェナダイオードD及び抵抗素子Rを有する。ツェナダイオードDのアノード側は、抵抗素子Rを介して電源端子17に接続されるとともに、光電陰極33に接続されている。ツェナダイオードDのカソード側は、抵抗素子Rの一端に接続されている。抵抗素子Rの他端は、基準電位線38に接続されている。そして、ツェナダイオードDと抵抗素子Rとの間には、抵抗素子Rを介してダイノードDyが接続されている。なお、電源端子17には、電源電圧HV(<0)が供給される。この構成により、光電陰極33には電位Vが与えられ、ダイノードDyにはツェナダイオードD及び抵抗素子Rによって分割された電位V(>V)が与えられる。 The light detection circuit 2 includes a voltage application unit 21 and a first switching unit 23. Voltage applying means 21 is a means for providing a predetermined potential gradient in the dynode Dy 1 ~Dy n photocathode 33 and n stages. In the present embodiment, the voltage application unit 21 includes a first voltage application unit 21a and a second voltage application unit 21b. First voltage applying means 21a includes a Zener diode D 1 and the resistor element R 3. The anode side of the Zener diode D 1 is connected to the power supply terminal 17 via the resistance element R 1 and is also connected to the photocathode 33. Cathode of the Zener diode D 1 is connected to one end of the resistance element R 3. The other end of the resistance element R 3 is connected to the reference potential line 38. A dynode Dy 1 is connected between the Zener diode D 1 and the resistance element R 3 via the resistance element R 2 . The power supply terminal 17 is supplied with a power supply voltage HV (<0). With this configuration, the photocathode 33 is supplied with the potential V k , and the dynode Dy 1 is supplied with the potential V 1 (> V k ) divided by the Zener diode D 1 and the resistance element R 3 .

第2の電圧印加手段21bは、抵抗素子Rd〜Rdを有する。抵抗素子Rd〜Rdは、抵抗素子Rと基準電位線31との間に互いに直列に接続されている。抵抗素子Rdの一端は、抵抗素子Rを介して電源端子17に接続されている。抵抗素子Rdの一端は、基準電位線31に接続されている。抵抗素子Rd〜Rdのうち互いに隣接する抵抗素子の間には、それぞれダイノードDy〜Dyが接続されている。第2の電圧印加手段21bは、抵抗素子Rd〜Rdによって電源電圧HVを分割することにより、ダイノードDy〜Dyへ与える電位V〜Vを生成する。このとき、第2の電圧印加手段21bは、後段のダイノードほど高い電位となるように電位V〜Vを生成する。また、第2の電圧印加手段21bは、ダイノードDyの電位VがダイノードDyの電位Vよりも高い電位となるように、各電位V〜Vを生成する。 Second voltage applying means 21b has a resistance element Rd 1 ~ Rd n. Resistance element Rd 1 ~ Rd n are connected in series between the resistor element R 1 and the reference potential line 31. One end of the resistance element Rd 1 is connected to the power supply terminal 17 via the resistance element R 1 . One end of the resistive element Rd n is connected to the reference potential line 31. Between adjacent resistive elements to each other among the resistive element Rd 1 ~ Rd n, are respectively connected to dynodes Dy 2 ~Dy n. Second voltage applying means 21b, by dividing the supply voltage HV by the resistor element Rd 1 ~ Rd n, generates a potential V 2 ~V n giving the dynode Dy 2 ~Dy n. At this time, the second voltage application means 21b generates a potential V 2 ~V n such that the higher potential as the subsequent dynodes. The second voltage applying unit 21b, as in the potential V 2 of the dynode Dy 2 is higher than the potential V 1 of the dynode Dy 1, it generates each potential V 2 ~V n.

第1の切替手段23は、n段のダイノードDy〜Dyのうち、ダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配を所定の電位勾配とは逆の電位勾配に切り替えるための手段である。本実施形態では、第1の切替手段23はスイッチ手段SWを有する。スイッチ手段SWの一端は抵抗素子Rを介してダイノードDyに接続されており、スイッチ手段SWの他端は基準電位線40に接続されている。スイッチ手段SWが短絡すると、ダイノードDyの電位VがダイノードDyの電位Vよりも高い電位である基準電位となるので、ダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配が逆転することとなる。なお、このとき、電源端子17に供給される電源電圧HVの大きさを適宜下げるとよい。また、スイッチ手段SWとしては、機械式スイッチのほか、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。 First switching means 23, of the dynode Dy 1 ~Dy n of n stages, with means for switching the reverse potential gradient is a predetermined potential gradient potential gradient between the dynode Dy 1 and dynode Dy 2 is there. In the present embodiment, the first switching means 23 comprises a switch means SW 1. One end of the switch means SW 1 is connected to the dynode Dy 1 via the resistance element R 2, and the other end of the switch means SW 1 is connected to the reference potential line 40. When the switch means SW 1 is short-circuited, the potential V 1 of the dynode Dy 1 becomes the reference potential which is higher than the potential V 2 of the dynode Dy 2, the potential gradient is reversed between the dynode Dy 1 and dynode Dy 2 Will be. At this time, the magnitude of the power supply voltage HV supplied to the power supply terminal 17 may be appropriately reduced. As the switch means SW 1 , an electrical switch such as a transistor can be used in addition to a mechanical switch.

また、光検出用回路2は、配線25及び28を備えている。配線25は、ダイノードDyから出力電流Iを取り出すための手段である。配線25の一端はダイノードDyと抵抗素子Rとの間に接続されており、配線25の他端は出力端子27bに接続されている。また、配線28は、陽極37から出力電流Iを取り出すための手段である。配線28の一端は陽極37に接続されており、配線28の他端は出力端子27aに接続されている。なお、陽極37には、ダイノードDyの電位Vよりも高い電位V(例えば基準電位)が与えられている。 The light detection circuit 2 includes wirings 25 and 28. The wiring 25 is a means for taking out the output current I 2 from the dynode Dy 1 . One end of the wiring 25 is connected between the dynodes Dy 1 and the resistance element R 2, the other end of the wiring 25 is connected to the output terminal 27b. The wiring 28 is a means for taking out the output current I 1 from the anode 37. One end of the wiring 28 is connected to the anode 37, and the other end of the wiring 28 is connected to the output terminal 27a. Incidentally, the anode 37, the dynode Dy n of the potential V higher than the n potential V P (e.g. reference potential) is applied.

なお、本実施形態の光検出用回路2における具体的な数値例は、以下の通りである。
電源電圧HV:−1100Vまたは−400V(スイッチ手段SW短絡時:−200V)
抵抗素子R:100kΩ
抵抗素子R:10kΩ
抵抗素子R:2MΩ
抵抗素子Rd:1.5MΩ
抵抗素子Rd〜Rd:500kΩ
A specific numerical example in the light detection circuit 2 of the present embodiment is as follows.
Power supply voltage HV: -1100 V or -400 V (switch means SW 1 short-circuited: -200 V)
Resistance element R 1 : 100 kΩ
Resistance element R 2 : 10 kΩ
Resistance element R 3 : 2 MΩ
Resistance element Rd 1 : 1.5 MΩ
Resistive element Rd 2 ~Rd n: 500kΩ

以上の構成を備える光検出器1及び光検出用回路2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。入射光量が小さい場合には、第1の切替手段23のスイッチ手段SWを非接続状態に設定する。なお、スイッチ手段SWの接続状態/非接続状態の設定は、手動で行われても良いし、入射光量に基づいて自動的に行われても良い。このとき、光電陰極33及びダイノードDy〜Dyのそれぞれには、電圧印加手段21によって所定の電位勾配を有する電位V、V〜Vが与えられているので、光電陰極33において発生した光電子はダイノードDy〜Dy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陽極37に収集され、陽極37から出力されて出力電流Iとなり、配線28を介して出力端子27aに提供される。 The photodetector 1 and the photodetection circuit 2 having the above configuration operate as follows. When the detection light L enters the photocathode 33 of the PMT 3, photoelectrons corresponding to the amount of incident light are generated at the photocathode 33. If the amount of incident light is small, it sets the switch means SW 1 of the first switching means 23 to the disconnected state. The setting of the connection state / non-connection state of the switch means SW 1 may be performed manually may be performed automatically on the basis of the amount of incident light. At this time, each of the photocathode 33 and the dynode Dy 1 ~Dy n, the potential V k of a predetermined potential gradient by the voltage applying means 21, since V 1 ~V n are given, generated in the photocathode 33 photoelectrons are multiplication secondary electrons are released in order to dynode Dy 1 ~Dy n. The multiplied secondary electrons are collected by the anode 37 and output from the anode 37 to become an output current I 1 , which is provided to the output terminal 27 a via the wiring 28.

また、入射光量が大きい場合には、第1の切替手段23のスイッチ手段SWを接続状態(短絡)に設定する。このとき、ダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配が逆転し、ダイノードDyの電位VはダイノードDyの電位Vよりも高くなる。光電陰極33において発生した光電子は、ダイノードDyへ放出される。ダイノードDyに達した光電子は、逆電位勾配のためダイノードDyへは放出されず、以後のダイノードで電子は増倍されない。そして、ダイノードDyから出力電流Iとして出力され、配線25を介して出力端子27bに提供される。 Further, when the incident light amount is large, it sets the switch means SW 1 of the first switching means 23 to the connected state (short circuit). At this time, the potential gradient is reversed between the dynode Dy 1 and dynode Dy 2, the potential V 1 of the dynode Dy 1 is higher than the potential V 2 of the dynode Dy 2. Photoelectrons generated at the photocathode 33 are emitted to the dynode Dy 1 . The photoelectrons that have reached the dynode Dy 1 are not emitted to the dynode Dy 2 due to the reverse potential gradient, and the electrons are not multiplied by the subsequent dynodes. Then, the output current I 2 is output from the dynode Dy 1 and provided to the output terminal 27 b via the wiring 25.

本実施形態による光検出器1及び光検出用回路2が有する効果について説明する。本実施形態の光検出器1及び光検出用回路2では、上述したように第1の切替手段23がダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配を切り替えることができる。入射光量が比較的小さなときには、ダイノードDy〜Dyのそれぞれに所定の電位勾配を与えることにより、PMT3を通常の光電子増倍管として動作させることができる。従って、小さな入射光量に対して大きな電子増倍率を実現できるので、微弱光の光量を精度良く測定することができる。また、入射光量が比較的大きなときには、ダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配を逆転させることにより、ダイノードDyからダイノードDyへの二次電子の放出が抑えられる。すなわち、PMT3を、入射光量に応じた光電子を増倍せずに出力する光電管として動作させることができる。従って、強い光の光量についても好適に測定することができる。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2によれば、PMT3を用いて従来の装置よりも更に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。 The effects of the photodetector 1 and the light detection circuit 2 according to the present embodiment will be described. In the photodetector 1 and the light detection circuit 2 of the present embodiment, the first switching unit 23 can switch the potential gradient between the dynode Dy 1 and the dynode Dy 2 as described above. When the amount of incident light is relatively small, by applying a predetermined potential gradient in each of the dynode Dy 1 ~Dy n, it is possible to operate the PMT3 as an ordinary photomultiplier tube. Therefore, since a large electron multiplication factor can be realized with respect to a small incident light amount, the light amount of weak light can be accurately measured. Further, when the amount of incident light is relatively large, by reversing the potential gradient between the dynode Dy 1 and dynode Dy 2, the secondary electron emission from the dynodes Dy 1 to dynode Dy 2 is suppressed. That is, the PMT 3 can be operated as a photoelectric tube that outputs photoelectrons corresponding to the amount of incident light without multiplication. Therefore, it is possible to suitably measure the amount of intense light. From the above, according to the light detector 1 and the light detection circuit 2 according to the present embodiment, it is possible to measure the light amount with a wider dynamic range than the conventional apparatus using the PMT 3.

また、本実施形態のように、電圧印加手段21は、光電陰極33とダイノードDyとの間の電位勾配を形成するツェナダイオードDを有することが好ましい。ツェナダイオードDのツェナ電圧は電流の影響を殆ど受けないので、電圧印加手段21がこのように構成されることにより、抵抗素子を用いて電位勾配を形成した場合と比較して、ダイノードDyからの出力電流Iによる電位勾配への影響を抑えることができる。 In addition, as in the present embodiment, the voltage application unit 21 preferably includes a Zener diode D 1 that forms a potential gradient between the photocathode 33 and the dynode Dy 1 . Since the Zener voltage of the Zener diode D 1 is hardly affected by the current, the voltage applying means 21 is configured in this way, so that the dynode Dy 1 is compared with the case where a potential gradient is formed using a resistance element. They are possible to suppress the influence of the potential gradient due to the output current I 2 from.

(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2は、第2実施形態に係る光検出器1a及び光検出用回路2aの構成を示す回路図である。図2を参照すると、光検出器1aは、PMT3及び光検出用回路2aを備えている。このうち、PMT3の構成については第1実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。また、光検出用回路2aは、第1実施形態と同様の構成を有する電圧印加手段21、第1の切替手段23、配線25及び28を備えている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the photodetector and the circuit for detecting light according to the present invention will be described. FIG. 2 is a circuit diagram showing configurations of the photodetector 1a and the light detection circuit 2a according to the second embodiment. Referring to FIG. 2, the photodetector 1a includes a PMT 3 and a light detection circuit 2a. Among these, since the configuration of the PMT 3 is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted. The light detection circuit 2a includes a voltage application unit 21, a first switching unit 23, and wirings 25 and 28 having the same configuration as that of the first embodiment.

上記構成に加えて、本実施形態の光検出器1a及び光検出用回路2aは、光電陰極33への入射光量に基づいて第1の切替手段23及び電源電圧HVを制御する制御手段(制御回路5)を備えている。そして、本実施形態の光検出器1a及び光検出用回路2aは、被検出光Lが極微弱である場合には高い電子増倍率となるよう電源電圧HVを制御して入射光量を測定し、被検出光Lの強度がやや小さな場合には低い電子増倍率となるよう電源電圧HVを制御して入射光量を測定し、被検出光Lの強度が比較的大きい場合には光電子を増倍せずに入射光量を測定する。   In addition to the above configuration, the photodetector 1a and the light detection circuit 2a according to the present embodiment control the first switching unit 23 and the power supply voltage HV based on the amount of light incident on the photocathode 33 (control circuit). 5). Then, the photodetector 1a and the light detection circuit 2a of the present embodiment control the power supply voltage HV so as to obtain a high electron multiplication factor when the detected light L is extremely weak, and measure the amount of incident light. When the intensity of the detected light L is slightly small, the incident light quantity is measured by controlling the power supply voltage HV so that the electron multiplication factor is low. When the intensity of the detected light L is relatively large, the photoelectrons are multiplied. Measure the amount of incident light.

具体的には、光検出用回路2aは、制御回路5、高圧電源7、I/V変換器11a及び11b、及び比較器13a〜13cを備えている。I/V変換器11aは、ダイノードDyからの出力電流Iを電圧信号である光量信号Sに変換するための電流・電圧変換手段である。I/V変換器11aの入力端は、スイッチ手段SW及び配線25を介してダイノードDyと抵抗素子Rとの間に接続されている。I/V変換器11aの出力端は、出力端子15aに接続されている。I/V変換器11aは、出力端子15aを介して光検出器1aの外部へ光量信号Sを提供する。また、I/V変換器11bは、陽極37からの出力電流Iを電圧信号である光量信号Sに変換するための電流・電圧変換手段である。I/V変換器11bの入力端は、配線28を介して陽極37に接続されている。I/V変換器11bの出力端は、出力端子15bに接続されている。I/V変換器11bは、出力端子15bを介して光検出器1aの外部へ光量信号Sを提供する。 Specifically, the light detection circuit 2a includes a control circuit 5, a high-voltage power supply 7, I / V converters 11a and 11b, and comparators 13a to 13c. I / V converter 11a is a current-voltage converting means for converting an output current I 2 from the dynode Dy 1 to the light quantity signal S 2 is a voltage signal. Input of I / V converter 11a is connected between the dynodes Dy 1 through the switch means SW 2 and wiring 25 and the resistance element R 2. The output terminal of the I / V converter 11a is connected to the output terminal 15a. I / V converter 11a via the output terminal 15a to provide a light intensity signal S 2 to the outside of the optical detector 1a. Further, I / V converter 11b is a current-voltage converting means for converting the output current I 1 from the anode 37 to the light amount signals S 1 is a voltage signal. The input end of the I / V converter 11 b is connected to the anode 37 via the wiring 28. The output terminal of the I / V converter 11b is connected to the output terminal 15b. I / V converter 11b via the output terminal 15b provides a light intensity signals S 1 to the outside of the optical detector 1a.

比較器13aは、光量信号Sに基づいて、入射光量が所定の第1の光量よりも小さいか否かを判定するための手段である。所定の第1の光量とは、光検出用回路2aが光電子を二次電子増倍せずに出力する動作と二次電子増倍して出力する動作との閾値となる光量である。比較器13aのプラス側入力端は、I/V変換器11aの出力端に接続されている。比較器13aのマイナス側入力端には、所定の第1の光量を示す参照電圧Vrが供給される。比較器13aの出力端は、制御回路5に接続されている。比較器13aは、I/V変換器11aからの光量信号Sが参照電圧Vrよりも小さいか否かを示す信号を制御回路5に提供する。 The comparator 13a, based on the light quantity signal S 2, the amount of incident light is a means for determining whether less than a predetermined first amount of light. The predetermined first light amount is a light amount that becomes a threshold value between an operation in which the photodetection circuit 2a outputs photoelectrons without secondary electron multiplication and an operation in which secondary electron multiplication outputs. The positive side input terminal of the comparator 13a is connected to the output terminal of the I / V converter 11a. To the negative input terminal of the comparator 13a, the reference voltage Vr 2 showing a predetermined first amount of light is supplied. The output terminal of the comparator 13 a is connected to the control circuit 5. The comparator 13a provides a signal indicating whether or not the light quantity signal S 2 from the I / V converter 11a is smaller than the reference voltage Vr 2 to the control circuit 5.

比較器13bは、光量信号Sに基づいて、入射光量が所定の第1の光量よりも大きいか否かを判定するための手段である。比較器13bのプラス側入力端は、I/V変換器11bの出力端に接続されている。比較器13bのマイナス側入力端には、所定の第1の光量を示す参照電圧Vr11が供給される。比較器13bの出力端は、制御回路5に接続されている。比較器13bは、I/V変換器11bからの光量信号Sが参照電圧Vr11よりも大きいか否かを示す信号を制御回路5に提供する。また、比較器13cは、光量信号Sに基づいて、入射光量と所定の第2の光量との大小を判定するための手段である。所定の第2の光量とは、PMT3への電源電圧HV(<0)を制御することによりPMT3における二次電子増倍率を切り替えるときの閾値となる光量である。比較器13cのプラス側入力端は、I/V変換器11bの出力端に接続されている。比較器13cのマイナス側入力端には、所定の第2の光量を示す参照電圧Vr12が供給される。比較器13cの出力端は、制御回路5に接続されている。比較器13cは、I/V変換器11bからの光量信号Sと参照電圧Vr12との大小関係を示す信号を制御回路5に提供する。 The comparator 13b based on the light quantity signal S 1, the amount of incident light is a means for determining whether greater than a predetermined first amount of light. The plus side input terminal of the comparator 13b is connected to the output terminal of the I / V converter 11b. A reference voltage Vr 11 indicating a predetermined first light quantity is supplied to the negative side input terminal of the comparator 13b. The output terminal of the comparator 13b is connected to the control circuit 5. The comparator 13b provides a signal indicating whether or not the light amount signals S 1 from the I / V converter 11b is greater than the reference voltage Vr 11 to the control circuit 5. Further, the comparator 13c, based on the light quantity signal S 1, a means for determining the magnitude of the incident light quantity and the predetermined second amount of light. The predetermined second light amount is a light amount serving as a threshold when the secondary electron multiplication factor in the PMT 3 is switched by controlling the power supply voltage HV (<0) to the PMT 3. The positive side input terminal of the comparator 13c is connected to the output terminal of the I / V converter 11b. To the negative input terminal of the comparator 13c, the reference voltage Vr 12 indicating a predetermined second amount of light is supplied. The output terminal of the comparator 13 c is connected to the control circuit 5. The comparator 13c provides a signal indicative of the magnitude relation between the light quantity signals S 1 and the reference voltage Vr 12 from the I / V converter 11b to the control circuit 5.

制御回路5は、光電陰極33への入射光量に基づいて第1の切替手段23及び電源電圧HVを制御する制御手段である。本実施形態では、制御回路5は、比較器13a〜13cからの信号に基づいて第1の切替手段23及び電源電圧HVを制御する。制御回路5は、3つの入力端及び3つの出力端を有する。制御回路5の3つの入力端は、それぞれ比較器13a〜13cに接続されている。制御回路5の3つの出力端のうち1つは、スイッチ手段SW及びSWに接続されている。3つの出力端のうち他の1つは、高圧電源7の制御端子に接続されている。3つの出力端のうち更に他の1つは、出力端子19に接続されている。 The control circuit 5 is a control unit that controls the first switching unit 23 and the power supply voltage HV based on the amount of light incident on the photocathode 33. In the present embodiment, the control circuit 5 controls the first switching unit 23 and the power supply voltage HV based on signals from the comparators 13a to 13c. The control circuit 5 has three input terminals and three output terminals. The three input terminals of the control circuit 5 are connected to the comparators 13a to 13c, respectively. One of the three output terminals of the control circuit 5 is connected to the switch means SW 1 and SW 2 . The other one of the three output terminals is connected to the control terminal of the high-voltage power supply 7. The other one of the three output terminals is connected to the output terminal 19.

制御回路5は、比較器13a〜13cからの信号に基づいて、被検出光Lの光量を得る。そして、被検出光Lが極微弱である場合(すなわち光量信号Sが参照電圧Vr12よりも小さな場合)には、スイッチ手段SW及びSWを非接続状態とする制御信号Sをスイッチ手段SW及びSWへ送るとともに、電源電圧HVを高圧(例えば−1100V)とするための制御信号Sを高圧電源7へ送る。また、被検出光Lの強度がやや小さな場合(すなわち、光量信号Sが参照電圧Vr12よりも大きく且つ参照電圧Vr11よりも小さな場合)には、スイッチ手段SW及びSWを非接続状態とする制御信号Sをスイッチ手段SW及びSWへ送るとともに、電源電圧HVを低圧(例えば−400V)とするための制御信号Sを高圧電源7へ送る。また、被検出光Lの強度が大きな場合(すなわち、光量信号Sが参照電圧Vr11よりも大きいか、或いは光量信号Sが参照電圧Vrよりも大きい場合)には、スイッチ手段SW及びSWを接続状態とする制御信号Sをスイッチ手段SW及びSWへ送るとともに、電源電圧HVを更に低圧(例えば−200V)とするための制御信号Sを高圧電源7へ送る。また、制御回路5は、入射光量に基づくスイッチ手段SW及びSW並びに高圧電源7の制御状態を示すモード信号Sを、出力端子19を介して光検出器1aの外部へ提供する。 The control circuit 5 obtains the amount of the detected light L based on the signals from the comparators 13a to 13c. When the detected light L is extremely weak (that is, when the light amount signal S 1 is smaller than the reference voltage Vr 12 ), the control signal S 3 for switching the switch means SW 1 and SW 2 to the disconnected state is switched. The control signal S 4 for setting the power supply voltage HV to a high voltage (for example, −1100 V) is sent to the high voltage power supply 7 while being sent to the means SW 1 and SW 2 . Further, when the intensity of the light to be detected L is slightly small (i.e., smaller when than and the reference voltage Vr 11 greater than the amount the signal S 1 is the reference voltage Vr 12), the non-connected switch means SW 1 and SW 2 A control signal S 3 for setting the state is sent to the switch means SW 1 and SW 2 , and a control signal S 4 for making the power supply voltage HV low (eg, −400 V) is sent to the high voltage power source 7. Further, when the intensity of the detected light L is large (that is, when the light quantity signal S 1 is larger than the reference voltage Vr 11 or the light quantity signal S 2 is larger than the reference voltage Vr 2 ), the switch means SW 1 and and sends a control signal S 3 to the SW 2 and the connection state to the switch means SW 1 and SW 2, and sends a control signal S 4 for a more low-pressure (e.g., -200 V) power supply voltage HV to the high voltage source 7. Further, the control circuit 5 provides a mode signal S 5 indicating the control state of the switch means SW 1 and SW 2 and the high-voltage power supply 7 based on the incident light quantity to the outside of the photodetector 1 a via the output terminal 19.

高圧電源7は、電源電圧を出力する出力端子、及び電源電圧を制御するための制御端子を有する。高圧電源7の出力端子は、抵抗素子Rを介して光電陰極33及び電圧印加手段21に接続されている。高圧電源7の制御端子は、制御回路5に接続されている。高圧電源7は、制御端子から入力した制御信号Sに示された大きさの電源電圧HVを出力端子から出力する。 The high-voltage power supply 7 has an output terminal for outputting a power supply voltage and a control terminal for controlling the power supply voltage. The output terminal of the high-voltage power source 7 is connected to the photocathode 33 and the voltage application means 21 via the resistance element R 1. A control terminal of the high voltage power source 7 is connected to the control circuit 5. High-voltage power supply 7 outputs the power supply voltage HV size indicated in the control signal S 4 that is input from the control terminal from the output terminal.

以上の構成を備える光検出器1a及び光検出用回路2a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。スイッチ手段SW及びSWが非接続状態である場合には、光電子は各ダイノードDy〜Dyによって二次電子増倍される。増倍された二次電子は、陽極37に収集されて出力電流IとしてI/V変換器11bに送られる。そして、I/V変換器11bにおいて、出力電流Iが光量信号Sに変換される。光量信号Sは出力端子15bを介して光検出器1a外部へ提供されるとともに、比較器13b及び13cへ送られる。光電陰極33への入射光量が所定の第2の光量よりも小さい場合には、上記動作が継続される。また、光電陰極33への入射光量が所定の第2の光量よりも大きく且つ所定の第1の光量よりも小さい場合には、制御回路5によって高圧電源7からの電源電圧HVが低圧側へ(例えば−1100Vから−400Vへ)切り替えられる。 The photodetector 1a and the light detection circuit 2a having the above-described configuration operate as follows. When the detection light L enters the photocathode 33 of the PMT 3, photoelectrons corresponding to the amount of incident light are generated at the photocathode 33. When the switch means SW 1 and SW 2 are unconnected, photoelectrons are multiplication secondary electrons by each dynode Dy 1 ~Dy n. The multiplied secondary electrons are sent as output current I 1 is collected to the anode 37 to the I / V converter 11b. Then, the I / V converter 11b, the output current I 1 is converted into intensity signal S 1. Light intensity signals S 1, along with being provided to the optical detector 1a outside via the output terminal 15b, it is fed to the comparator 13b, and 13c. When the incident light quantity to the photocathode 33 is smaller than the predetermined second light quantity, the above operation is continued. When the amount of light incident on the photocathode 33 is larger than the predetermined second light amount and smaller than the predetermined first light amount, the control circuit 5 causes the power supply voltage HV from the high voltage power source 7 to go to the low voltage side ( For example, it is switched from -1100V to -400V.

また、光電陰極33への入射光量が所定の第1の光量よりも大きい場合には、制御回路5によって、スイッチ手段SW及びSWが非接続状態から接続状態へ切り替えられるとともに、高圧電源7からの電源電圧HVが更に低圧側へ(例えば−400Vから−200Vへ)切り替えられる。スイッチ手段SW及びSWが接続状態に切り替えられると、光電陰極33において発生した光電子は、ダイノードDyに到達するが、逆電位勾配のためダイノードDyへは放出されず、以後のダイノードで電子は増倍されない。そして、光電子は、ダイノードDyから出力電流Iとして出力される。そして、出力電流IはI/V変換器11aに送られる。そして、I/V変換器11aにおいて、出力電流Iが光量信号Sに変換される。光量信号Sは出力端子15aを介して光検出器1a外部へ提供されるとともに、比較器13aへ送られる。光電陰極33への入射光量が所定の第1の光量よりも大きい場合には、上記動作が継続される。また、光電陰極33への入射光量が所定の第1の光量よりも小さくなると、制御回路5によってスイッチ手段SW及びSWが接続状態から非接続状態へ切り替えられるとともに、高圧電源7からの電源電圧HVが高圧側へ(例えば−200Vから−400Vへ)切り替えられる。 Further, when the amount of light incident on the photocathode 33 is greater than a predetermined first amount of light, the control circuit 5, the switch means SW 1 and SW 2 are switched from the disconnected state to the connected state, the high-voltage power supply 7 Is switched to a lower voltage side (for example, from -400 V to -200 V). When the switch means SW 1 and SW 2 are switched to the connected state, the photoelectrons generated at the photocathode 33 reach the dynode Dy 1 , but are not emitted to the dynode Dy 2 due to the reverse potential gradient. The electrons are not multiplied. The photoelectrons are output as an output current I 2 from the dynode Dy 1 . The output current I 2 is sent to the I / V converter 11a. Then, the I / V converter 11a, the output current I 2 is converted to the light amount signal S 2. Light quantity signal S 2 together with is provided to the photodetector 1a outside via an output terminal 15a, it is sent to the comparator 13a. When the amount of light incident on the photocathode 33 is larger than the predetermined first light amount, the above operation is continued. Further, when the amount of light incident on the photocathode 33 is smaller than a predetermined first amount of light, the switch means SW 1 and SW 2 are switched from the connected state to the disconnected state by the control circuit 5, the power supply from the high-voltage power supply 7 The voltage HV is switched to the high voltage side (for example, from -200V to -400V).

以上に説明した本実施形態の光検出器1a及び光検出用回路2aによれば、第1実施形態の光検出器1及び光検出用回路2と同じ効果が得られる。また、本実施形態のように、光検出器1a及び光検出用回路2aは、陽極37からの出力電流I、及びダイノードDyからの出力電流Iに基づいて第1の切替手段23のスイッチ手段SW及びSWを制御する制御回路5をさらに備えることが好ましい。これにより、PMT3における二次電子増倍率(二次電子増倍しない場合も含む)を光電陰極33への入射光量に応じて自動的に設定することができる。なお、この場合には、陽極37からの出力電流I、及びダイノードDyからの出力電流Iに基づいて、電源電圧HVの値も自動的に切り替えられることが更に好ましい。 According to the photodetector 1a and the light detection circuit 2a of the present embodiment described above, the same effects as the photodetector 1 and the light detection circuit 2 of the first embodiment can be obtained. Also, as in the present embodiment, the optical detector 1a and the light detection circuit 2a based on the output current I 2 from the output current I 1, and dynodes Dy 1 from the anode 37 of the first switching means 23 It is preferable to further comprise a control circuit 5 for controlling the switch means SW 1 and SW 2 . Thereby, the secondary electron multiplication factor (including the case where the secondary electron multiplication is not performed) in the PMT 3 can be automatically set according to the amount of light incident on the photocathode 33. In this case, it is more preferable that the value of the power supply voltage HV is automatically switched based on the output current I 1 from the anode 37 and the output current I 2 from the dynode Dy 1 .

(第3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3実施形態について説明する。図3は、第3実施形態に係る光検出器1b及び光検出用回路2bの構成を示す回路図である。図3を参照すると、光検出器1bは、PMT3及び光検出用回路2bを備えている。このうち、PMT3の構成については第1実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the photodetector and the circuit for light detection according to the present invention will be described. FIG. 3 is a circuit diagram showing configurations of the photodetector 1b and the light detection circuit 2b according to the third embodiment. Referring to FIG. 3, the photodetector 1b includes a PMT 3 and a light detection circuit 2b. Among these, since the configuration of the PMT 3 is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態の光検出用回路2bが第1実施形態の光検出用回路2と相違する点は、光電陰極33への入射光量が微量であるときに、ダイノードDyではなく第m段目(2≦m≦n−1)のダイノードDyから出力電流を取り出す点である。 Point light detecting circuit 2b of the present embodiment is different from the light detection circuit 2 of the first embodiment, when the amount of light incident on the photocathode 33 is very small, the m-th stage rather than the dynodes Dy 1 ( in that taking out an output current from the dynodes Dy m of 2 ≦ m ≦ n-1) .

光検出用回路2bは、電圧印加手段22及び第1の切替手段24を備えている。電圧印加手段22は、光電陰極33及びn段のダイノードDy〜Dyに所定の電位勾配を与えるための手段である。本実施形態では、電圧印加手段22は第1の電圧印加手段22a及び第2の電圧印加手段22bによって構成されている。第1の電圧印加手段22aは、直列に接続されたツェナダイオードD〜D及び抵抗素子Rを有する。ツェナダイオードDのアノード側は、抵抗素子Rを介して電源端子17に接続されるとともに、光電陰極33に接続されている。ツェナダイオードDのカソード側は、抵抗素子Rの一端に接続されている。抵抗素子Rの他端は、基準電位線43に接続されている。ツェナダイオードDと抵抗素子Rとの間には、抵抗素子Rを介してダイノードDyが接続されている。電源端子17には、電源電圧HV(<0)が供給される。この構成により、光電陰極33には電位Vが与えられ、ダイノードDy〜DyにはツェナダイオードD〜D及び抵抗素子Rによって勾配を有する電位V〜V(>V)が与えられる。 The light detection circuit 2 b includes a voltage application unit 22 and a first switching unit 24. Voltage applying means 22 is a means for providing a predetermined potential gradient in the dynode Dy 1 ~Dy n photocathode 33 and n stages. In the present embodiment, the voltage application unit 22 includes a first voltage application unit 22a and a second voltage application unit 22b. First voltage applying means 22a includes a Zener diode D 1 to D m and a resistor R 5 connected in series. The anode side of the Zener diode D 1 is connected to the power supply terminal 17 via the resistance element R 1 and is also connected to the photocathode 33. Cathode of the Zener diode D m is connected to one end of the resistance element R 5. The other end of the resistance element R 5 is connected to the reference potential line 43. Between the zener diode D m and the resistance element R 5 is dynode Dy m via a resistor R 4 is connected. A power supply voltage HV (<0) is supplied to the power supply terminal 17. With this configuration, photocathode 33 is supplied with the potential V k, dynodes Dy 1 ~Dy the m Zener diode D 1 to D m and the potential V 1 with a gradient by the resistance element R 5 ~V m (> V k ) Is given.

第2の電圧印加手段22bは、抵抗素子Rd〜Rdを有する。抵抗素子Rd〜Rdは、抵抗素子Rと基準電位線31との間に互いに直列に接続されている。抵抗素子Rdの一端は、抵抗素子Rを介して電源端子17に接続されている。抵抗素子Rdの一端は、基準電位線31に接続されている。抵抗素子Rd〜Rdのうち互いに隣接する抵抗素子の間には、それぞれダイノードDym+1〜Dyが接続されている。第2の電圧印加手段22bは、抵抗素子Rd〜Rdによって電源電圧HVを分割することにより、ダイノードDym+1〜Dyへ与える電位Vm+1〜Vを生成する。このとき、第2の電圧印加手段22bは、後段のダイノードほど高い電位となるように電位Vm+1〜Vを生成する。また、第2の電圧印加手段22bは、ダイノードDym+1の電位Vm+1がダイノードDyの電位Vよりも高い電位となるように、各電位Vm+1〜Vを生成する。 Second voltage applying means 22b has a resistance element Rd m ~Rd n. Resistive element Rd m ~ Rd n are connected in series between the resistor element R 1 and the reference potential line 31. One end of the resistive element Rd m is connected to the power supply terminal 17 via a resistor R 1. One end of the resistive element Rd n is connected to the reference potential line 31. Between the resistive element Rd m ~ Rd resistance elements adjacent to each other among the n, are respectively connected to the dynodes Dy m + 1 ~Dy n. Second voltage applying means 22b, by dividing the supply voltage HV by the resistor element Rd m ~ Rd n, generates a potential V m + 1 ~V n giving the dynode Dy m + 1 ~Dy n. At this time, the second voltage application unit 22b generates the potentials V m + 1 to V n so that the potential of the subsequent dynode becomes higher. The second voltage applying unit 22b, the potential V m + 1 of the dynode Dy m + 1 is such that a potential higher than the potential V m dynode Dy m, generates each potential V m + 1 ~V n.

第1の切替手段24は、n段のダイノードDy〜Dyのうち、ダイノードDyとダイノードDym+1との間の電位勾配を所定の電位勾配とは逆の電位勾配に切り替えるための手段である。本実施形態では、第1の切替手段24はスイッチ手段SWを有する。スイッチ手段SWの一端は抵抗素子Rを介してダイノードDyに接続されており、スイッチ手段SWの他端は基準電位線41に接続されている。スイッチ手段SWが短絡すると、ダイノードDyの電位VがダイノードDym+1の電位Vm+1よりも高い基準電位となるので、ダイノードDyとダイノードDym+1との間の電位勾配が逆転することとなる。なお、第1実施形態とは異なり、電源端子17に供給される電源電圧HVの大きさは一定とする。 First switching means 24, of the dynode Dy 1 ~Dy n of n stages, with means for switching the reverse potential gradient is a predetermined potential gradient potential gradient between the dynode Dy m and the dynode Dy m + 1 is there. In the present embodiment, the first switching means 24 has a switch means SW 3. One end of the switch means SW 3 is connected to the dynode Dy m through the resistance element R 4, the other end of the switch means SW 3 is connected to the reference potential line 41. When the switch means SW 3 are short-circuited, the potential V m dynode Dy m is higher reference potential than the potential V m + 1 of the dynode Dy m + 1, the potential gradient between the dynode Dy m and the dynode Dy m + 1 is reversed and Become. Note that, unlike the first embodiment, the magnitude of the power supply voltage HV supplied to the power supply terminal 17 is constant.

また、光検出用回路2bは、配線26及び28を備えている。配線26は、ダイノードDyから出力電流Iを取り出すための手段である。配線26の一端はダイノードDyと抵抗素子Rとの間に接続されており、配線26の他端は出力端子27cに接続されている。配線28は、陽極37から出力電流Iを取り出すための手段である。配線28の一端は陽極37に接続されており、配線28の他端は出力端子27aに接続されている。 Further, the light detection circuit 2 b includes wirings 26 and 28. Wire 26 is means for extracting an output current I 3 from the dynode Dy m. One end of the wiring 26 is connected between the dynode Dy m and the resistance element R 4, the other end of the wiring 26 is connected to the output terminal 27c. The wiring 28 is a means for taking out the output current I 1 from the anode 37. One end of the wiring 28 is connected to the anode 37, and the other end of the wiring 28 is connected to the output terminal 27a.

以上の構成を備える光検出器1b及び光検出用回路2b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。入射光量が小さい場合には、第1の切替手段24のスイッチ手段SWを非接続状態に設定する。このとき、光電陰極33及びダイノードDy〜Dyのそれぞれには、電圧印加手段22によって所定の電位勾配を有する電位V、V〜Vが与えられているので、光電陰極33において発生した光電子はダイノードDy〜Dy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陽極37に収集され、陽極37から出力されて出力電流Iとなり、配線28を介して出力端子27aに提供される。 The photodetector 1b and the light detection circuit 2b having the above configuration operate as follows. When the detection light L enters the photocathode 33 of the PMT 3, photoelectrons corresponding to the amount of incident light are generated at the photocathode 33. If the amount of incident light is small, it sets the switch means SW 3 of the first switching means 24 to the disconnected state. At this time, each of the photocathode 33 and the dynode Dy 1 ~Dy n, the potential V k of a predetermined potential gradient by the voltage application means 22, since V 1 ~V n are given, generated in the photocathode 33 photoelectrons are multiplication secondary electrons are released in order to dynode Dy 1 ~Dy n. The multiplied secondary electrons are collected by the anode 37 and output from the anode 37 to become an output current I 1 , which is provided to the output terminal 27 a via the wiring 28.

また、入射光量が大きい場合には、第1の切替手段24のスイッチ手段SWを接続状態に設定する。このとき、ダイノードDyとダイノードDym+1との間の電位勾配が逆転し、ダイノードDyの電位VはダイノードDym+1の電位Vm+1よりも高くなる。光電陰極33において発生した光電子がダイノードDy〜Dym−1において二次電子増倍された後、二次電子がダイノードDyに達する。ダイノードDyに達した光電子は、逆電位勾配のためダイノードDym+1へは放出されず、以後のダイノードで電子は増倍されない。そして、ダイノードDyから出力電流Iとして出力され、配線26を介して出力端子27cに提供される。 Further, when the incident light amount is large, it sets the switch means SW 3 of the first switching unit 24 to the connected state. At this time, the potential gradient is reversed between the dynode Dy m and the dynode Dy m + 1, the potential V m dynode Dy m is higher than the dynode Dy m + 1 potential V m + 1. After photoelectrons generated in the photocathode 33 is multiplication secondary electrons in the dynode Dy 1 ~Dy m-1, the secondary electrons reach the dynode Dy m. Photoelectrons reaching the dynode Dy m is not released to the dynode Dy m + 1 for the reverse potential gradient, no electrons are multiplied by the subsequent dynodes. Then, it is output as the output current I 3 from the dynode Dy m, is provided to the output terminal 27c through the wiring 26.

本発明に係る光検出器及び光検出用回路においては、本実施形態のように初段ダイノードDyと最終段ダイノードDyとの間の任意のダイノードDyから出力電流Iを取り出してもよい。この場合、ダイノードDy〜Dym−1によって二次電子増倍された出力電流Iが得られるので、大きな入射光量に対しては、n段よりも少ないm−1段のダイノードDy〜Dym−1によって小さな電子増倍率を実現できる。第1実施形態のように初段ダイノードDyから出力電流Iを取り出す(すなわち、本実施形態のm=1の場合に相当)か、初段ダイノードDyよりも後段のダイノードDy(2≦m≦n−1)から出力電流Iを取り出すかは、光電陰極33への入射光量の最大値に基づいて決定されるとよい。 In the optical detector and an optical detection circuit according to the present invention, it may be taken out first-stage dynode Dy 1 and output current I 3 from any dynode Dy m between the last stage dynode Dy n as in this embodiment . In this case, since the dynode Dy 1 ~Dy m-1 by a secondary electron multiplier output current I 3 is obtained, large relative to the amount of incident light, dynodes Dy 1 ~ less m-1 stage than n stages A small electron multiplication factor can be realized by Dym -1 . The output current I 2 is extracted from the first stage dynode Dy 1 as in the first embodiment (that is, corresponding to the case of m = 1 in the present embodiment), or the dynode Dy m (2 ≦ m) subsequent to the first stage dynode Dy 1. Whether the output current I 3 is taken out from ≦ n−1) may be determined based on the maximum amount of light incident on the photocathode 33.

また、本実施形態のように初段ダイノードDyと最終段ダイノードDyとの間の任意のダイノードDyから出力電流Iを取り出す場合には、陽極37から出力電流Iを取り出す通常のPMT動作における電源電圧HVの電圧値を切り替えずにそのまま用いてもよい。高圧電源においては電源電圧を切り替える動作に一定の時間を要することが多いので、電源電圧HVを切り替えないことにより、ダイノードDyから出力電流Iを取り出す動作モードと陽極37から出力電流Iを取り出す動作モードとを切り替える際の切り替え時間を短縮できる。 Also, when taking out the output current I 3 from any dynode Dy m between the first-stage dynode Dy 1 and the final-stage dynode Dy n as in this embodiment, conventional PMT extracting an output current I 1 from the anode 37 The power supply voltage HV in operation may be used as it is without switching. Since often takes some time to operation of switching the power supply voltage in the high voltage power supply, by not switching the supply voltage HV, the output current I 1 from the operation mode and an anode 37 for taking out the output current I 3 from the dynode Dy m The switching time when switching between the operation modes to be taken out can be shortened.

(第4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4実施形態について説明する。図4は、第4実施形態に係る光検出器1c及び光検出用回路2cの構成を示す回路図である。図4を参照すると、光検出器1cは、PMT3及び光検出用回路2cを備えている。このうち、PMT3の構成については第1実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the photodetector and the circuit for light detection according to the present invention will be described. FIG. 4 is a circuit diagram showing configurations of the photodetector 1c and the photodetection circuit 2c according to the fourth embodiment. Referring to FIG. 4, the photodetector 1c includes a PMT 3 and a light detection circuit 2c. Among these, since the configuration of the PMT 3 is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.

本実施形態の光検出用回路2cと第1実施形態の光検出用回路2との相違点は、第2の切替手段45の有無である。本実施形態の光検出用回路2cは、第2の切替手段45を備える。なお、光検出用回路2cの第2の切替手段45以外の構成については、第1実施形態の光検出用回路2の構成と同様である。   The difference between the light detection circuit 2c of the present embodiment and the light detection circuit 2 of the first embodiment is the presence or absence of the second switching means 45. The light detection circuit 2 c of this embodiment includes second switching means 45. The configuration of the photodetection circuit 2c other than the second switching unit 45 is the same as the configuration of the photodetection circuit 2 of the first embodiment.

第2の切替手段45は、ダイノードDy〜Dyの電位V〜Vを、ダイノードDyと略同電位となるように切り替えるための手段である。本実施形態では、第2の切替手段45は第2の電圧印加手段21bの抵抗素子Rdと抵抗素子Rdとの間に接続されている。第2の切替手段45は、スイッチ手段SWを有する。スイッチ手段SWの一端は、抵抗素子Rdと抵抗素子Rdとの間に接続されている。スイッチ手段SWの他端は、基準電位線47に接続されている。なお、スイッチ手段SWとしては、機械式スイッチのほか、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。 Second switching means 45 is a means for switching the electric potential V 3 ~V n dynode Dy 3 ~Dy n, so as to be substantially the same potential as the dynodes Dy 1. In this embodiment, the second switching means 45 is connected between the resistive element Rd 2 and the resistor element Rd 3 of the second voltage applying means 21b. Second switching means 45 includes a switch means SW 4. One end of the switch means SW 4 is connected between the resistor element Rd 2 and the resistor element Rd 3. The other end of the switch means SW 4 is connected to the reference potential line 47. As the switch means SW 4, other mechanical switches, may be used an electrical switch such as a transistor.

本実施形態の光検出器1c及び光検出用回路2cの動作について説明する。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。入射光量が小さい場合には、第1の切替手段23のスイッチ手段SW及び第2の切替手段45のスイッチ手段SWを非接続状態に設定する。なお、スイッチ手段SW及びSWの接続状態/非接続状態の設定は、手動で行われても良いし、第2実施形態のように入射光量に基づいて自動的に行われても良い。光電陰極33において発生した光電子は、ダイノードDy〜Dy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陽極37に収集され、陽極37から出力されて出力電流Iとなり、配線28を介して出力端子27aに提供される。 The operation of the photodetector 1c and the light detection circuit 2c of this embodiment will be described. When the detection light L enters the photocathode 33 of the PMT 3, photoelectrons corresponding to the amount of incident light are generated at the photocathode 33. If the amount of incident light is small, it sets the switch means SW 4 of switch means SW 1 and the second switching means 45 of the first switching means 23 to the disconnected state. Note that the setting of the connection state / non-connection state of the switch means SW 1 and SW 4 may be performed manually or automatically based on the amount of incident light as in the second embodiment. Photoelectrons generated in the photocathode 33 is multiplication secondary electrons are released in order to dynode Dy 1 ~Dy n. The multiplied secondary electrons are collected by the anode 37 and output from the anode 37 to become an output current I 1 , which is provided to the output terminal 27 a via the wiring 28.

また、入射光量が大きい場合には、第1の切替手段23のスイッチ手段SW及び第2の切替手段45のスイッチ手段SWを接続状態に設定する。このとき、ダイノードDyとダイノードDyとの間の電位勾配が逆転するとともに、ダイノードDy〜Dyの電位V〜Vが互いに同電位(基準電位)となる。光電陰極33において発生した光電子は、ダイノードDyから出力されて出力電流Iとなり、配線25を介して出力端子27bに提供される。 Further, when the incident light amount is large, it sets the switch means SW 4 of switch means SW 1 and the second switching means 45 of the first switching means 23 to the connected state. At this time, the potential gradient between the dynode Dy 1 and dynode Dy 2 is reversed, the potential V 3 ~V n dynode Dy 3 ~Dy n have the same potential (reference potential) to each other. Photoelectrons generated at the photocathode 33 are output from the dynode Dy 1 to become an output current I 2 and are provided to the output terminal 27 b via the wiring 25.

本実施形態の光検出器1c及び光検出用回路2cによれば、第1実施形態の光検出器1及び光検出用回路2の効果に加え、さらに次の効果が得られる。すなわち、光検出用回路2cは、ダイノードDy〜Dyの電位V〜Vを、ダイノードDyと略同電位となるように切り替える第2の切替手段45を備えている。これにより、ダイノードDyからの二次電子の放出がほぼ完全に抑えられる。なお、本実施形態ではダイノードDyから出力電流Iを取り出す場合を例にとり説明したが、ダイノードDyから出力電流を取り出す場合には、第2の切替手段をダイノードDym+2に接続するとよい。この場合、第2の切替手段は、ダイノードDym+2〜Dyの電位Vm+2〜Vを、ダイノードDyと略同電位となるように切り替える。 According to the photodetector 1c and the light detection circuit 2c of the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects of the photodetector 1 and the light detection circuit 2 of the first embodiment. That is, the light detection circuit 2c includes a second switching means 45 for switching the electric potential V 3 ~V n dynode Dy 3 ~Dy n, so as to be substantially the same potential as the dynodes Dy 1. Thereby, the emission of secondary electrons from the dynode Dy 1 is almost completely suppressed. Although it described taking the case where the dynodes Dy 1 extracting an output current I 2 as an example in the present embodiment, when taking out the output current from the dynodes Dy m, it is preferable to connect the second switching means to the dynode Dy m + 2. In this case, second switch means, the potential V m + 2 ~V n dynodes Dy m + 2 ~Dy n, switch to the dynode Dy m substantially the same potential.

以上に説明した本発明に係る光検出用回路及び光検出器は、例えばMTPリーダやルミノメータに組み込まれるワイドレンジ光検出器として用いることができる。また、近年、高OD(Optical Density:光学濃度)の光学フィルタ(例えば励起光カット用蛍光フィルタ等)が求められているが、そのような光学フィルタのOD性能を測定する場合、従来の光検出器ではダイナミックレンジが狭いため精度良く測定することが困難であった。本発明に係る光検出用回路及び光検出器によれば、例えば11桁以上の広いダイナミックレンジで線形性に優れた出力電流が得られるので、このような光学フィルタのOD値測定も容易となる。また、従来、光検出器のダイナミックレンジを拡大するためにNDフィルタ(減光フィルタ)を用いて高強度の入射光を減衰させる方法も用いられていた。本発明に係る光検出用回路及び光検出器によれば、NDフィルタを用いなくともダイナミックレンジを拡大することが可能となる。   The light detection circuit and the light detector according to the present invention described above can be used as, for example, a wide range light detector incorporated in an MTP reader or a luminometer. In recent years, optical filters having high OD (Optical Density: optical density) (for example, a fluorescent filter for cutting excitation light) have been demanded. When measuring the OD performance of such optical filters, conventional optical detection is required. The instrument has a narrow dynamic range, making it difficult to measure accurately. According to the light detection circuit and the light detector according to the present invention, an output current excellent in linearity can be obtained with a wide dynamic range of, for example, 11 digits or more, and therefore it becomes easy to measure the OD value of such an optical filter. . Conventionally, a method of attenuating high-intensity incident light using an ND filter (a neutral density filter) has been used to expand the dynamic range of the photodetector. According to the light detection circuit and the light detector according to the present invention, the dynamic range can be expanded without using an ND filter.

また、本発明に係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、上記各実施形態では光電陰極の電位を負電位としているが、光電陰極の電位を基準電位とし、陽極側の電位を正の電位としてもよい。この場合、所定のダイノード間の電位勾配を逆転させるために、第1の切替手段はダイノードの電位を基準電位ではなく適切な正の電位に切り替えるとよい。   Further, the light detection circuit and the light detector according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible. For example, in each of the above embodiments, the photocathode potential is a negative potential, but the photocathode potential may be a reference potential and the anode potential may be a positive potential. In this case, in order to reverse the potential gradient between predetermined dynodes, the first switching means may switch the dynode potential to an appropriate positive potential instead of the reference potential.

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。It is a circuit diagram which shows the structure of the photodetector by 1st Embodiment, and the circuit for light detection. 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。It is a circuit diagram which shows the structure of the photodetector by 2nd Embodiment, and the circuit for light detection. 第3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。It is a circuit diagram which shows the structure of the photodetector by 3rd Embodiment, and the circuit for light detection. 第4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。It is a circuit diagram which shows the structure of the photodetector by 4th Embodiment, and the circuit for light detection.

符号の説明Explanation of symbols

1,1a〜1c…光検出器、2,2a〜2c…光検出用回路、5…制御回路、7…高圧電源、11a,11b…I/V変換器、13a〜13c…比較器、15a,15b,19,27a〜27c…出力端子、17…電源端子、21,22…電圧印加手段、21a,22a…第1の電圧印加手段、21b,22b…第2の電圧印加手段、23,24…第1の切替手段、33…光電陰極、35…増倍部、37…陽極、39…真空管、45…第2の切替手段。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a-1c ... Photo detector, 2, 2a-2c ... Photo detection circuit, 5 ... Control circuit, 7 ... High voltage power supply, 11a, 11b ... I / V converter, 13a-13c ... Comparator, 15a, 15b, 19, 27a to 27c ... output terminal, 17 ... power supply terminal, 21, 22 ... voltage applying means, 21a, 22a ... first voltage applying means, 21b, 22b ... second voltage applying means, 23, 24 ... First switching means, 33 ... photocathode, 35 ... multiplier, 37 ... anode, 39 ... vacuum tube, 45 ... second switching means.

Claims (5)

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2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、
前記光電陰極及び前記n段のダイノードに所定の電位勾配を与える電圧印加手段と、
前記n段のダイノードのうち第m段目(1≦m≦n−1)の前記ダイノードから電子を取り出す際に、前記第m段目のダイノードと第m+1段目の前記ダイノードとの間の電位勾配を前記所定の電位勾配とは逆の電位勾配に切り替える第1の切替手段と
を備えることを特徴とする、光検出用回路。
A photocathode that emits photoelectrons according to the amount of incident light, a dynode arranged in n stages (n is an integer of 2 or more), a multiplier that multiplies the photoelectrons, and an electron that has been multiplied by the multiplier A photodetection circuit connected to a photomultiplier tube having a collecting anode;
Voltage applying means for applying a predetermined potential gradient to the photocathode and the n-stage dynode;
The potential between the m-th dynode and the (m + 1) -th dynode when electrons are extracted from the m-th dynode (1 ≦ m ≦ n−1) of the n-th dynodes. And a first switching means for switching the gradient to a potential gradient opposite to the predetermined potential gradient.
前記陽極からの電流量、及び前記第m段目のダイノードからの電流量に基づいて前記第1の切替手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の光検出用回路。   2. The light detection according to claim 1, further comprising a control unit that controls the first switching unit based on a current amount from the anode and a current amount from the m-th stage dynode. Circuit. 前記電圧印加手段が、前記光電陰極と前記第m段目のダイノードとの間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または2に記載の光検出用回路。   The photodetection circuit according to claim 1, wherein the voltage applying unit includes a Zener diode that forms a potential gradient between the photocathode and the m-th dynode. 第m+2段目以降の前記ダイノードの電位を、前記第m段目のダイノードと略同電位となるように切り替える第2の切替手段をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光検出用回路。   4. The device according to claim 1, further comprising a second switching unit configured to switch the potential of the dynodes after the m + 2 stage so as to be substantially the same potential as that of the m stage dynode. The circuit for light detection according to one item. 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2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。
A photocathode that emits photoelectrons according to the amount of incident light, a dynode arranged in n stages (n is an integer of 2 or more), a multiplier that multiplies the photoelectrons, and an electron that has been multiplied by the multiplier A photomultiplier tube having an anode to be
An optical detector comprising: the optical detection circuit according to claim 1.
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