JP2012135096A

JP2012135096A - 電圧調整装置、電圧調整方法、電圧調整システム

Info

Publication number: JP2012135096A
Application number: JP2010283648A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Sato; 節夫佐藤
Original assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Current assignee: High Energy Accelerator Research Organization
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-07-12

Abstract

【課題】素子への印加電圧を微調整する装置を提供する。
【解決手段】素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、前記素子の高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、前記素子の低電位側端子に、前記第１電圧よりも小さい第２電圧を供給する第２供給回路と、を備える電圧調整装置である。また、複数の素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、前記複数の素子の各高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、前記複数の素子の各低電位側端子に、それぞれ、前記第１電圧よりも小さい、前記複数の素子の特性に依存した複数の電圧を供給する第２供給回路と、を備える電圧調整装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、素子に印加する電圧を調整する電圧調整方法に関する。

放射線を検出する放射線検出装置として、シンチレータ及び光検出器が使用されるものがある。シンチレータは、シンチレーション現象により、放射線を光に変換する。放射線検出装置は、シンチレータで変換された光を光検出器で検出することにより、入射される放射線を検出する。放射線には、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、Ｘ線、中性子線、荷電粒子線等が含まれる。光検出器の光検出デバイス（光検出素子）として、例えば、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）といった半導体光検出素子、光電子増倍管が使用されうる。

特開２００７−６７６２２号公報特開２００３−２９４８４４号公報特開平１０−２５３７６１号公報特開平１１−１４５７３７号公報

図１は、従来の光検出器の例を示す図である。光検出器１００は、入射された光の信号を抽出する信号抽出回路を含む。ここでは、光検出器１００の光検出デバイスとして、ＭＰＰＣが使用される。図１の光検出器１００は、抵抗Ｒ１０、抵抗Ｒ２０、コンデンサＣ１０、コンデンサＣ２０、及び、ＭＰＰＣ（Ｄ１０）を含む。光検出器１００には、電源電圧Ｖ１０が印加される。光検出器１００は、ＭＰＰＣに光が入射されることにより光を検出する。コンデンサＣ２０は、信号の直流成分をカットする。図１の光検出器１００の出力（OUTPUT）は、ＡＣカップリングで取り出される。

多くのＭＰＰＣの動作電圧は、７０Ｖ程度である。ＭＰＰＣは、個体ごとに特性が異なる。例えば、個々のＭＰＰＣの動作電圧のばらつきは、±１Ｖ程度である。よって、個々のＭＰＰＣには、通常、個体ごとの特性を示すデータシートが添付されている。ＭＰＰＣのデータシートは、例えば、２５℃における動作電圧の情報、動作電圧の温度依存性の情報を含む。

ＭＰＰＣのような半導体光検出素子は、個体ごとに添付されたデータシートに基づく動作電圧が与えられると、所定の入力に対して所定の出力をする。半導体光検出素子の出力は、動作電圧に大きく依存する。例えば、ＭＰＰＣに印加される電圧が１０ｍＶ程度異なるだけで、ＭＰＰＣの出力は大きく変化する。ＭＰＰＣで一定の出力を得るには、ＭＰＰＣに印加される電圧は、１０ｍＶ以下の精度で調整されることが望ましい。

放射線検出装置では、複数の光検出器１００が同時に使用されることが多い。複数の光検出器１００を同時に使用する場合、それぞれの光検出器１００は、所定の入力に対して、一定の出力をすることが求められる。即ち、それぞれの光検出器１００は、出力にばらつきが生じないようにすることを求められる。よって、光検出器１００の半導体光検出素子（例えば、ＭＰＰＣ）には、データシートに基づく動作電圧が与えられることが求められる。

半導体光検出素子への印加電圧を調整するには、半導体光検出素子毎に専用の電源を用意して、それぞれの半導体光検出素子に印加される電圧を調整する方法がある。この方法では、複数の電源を用意し、それぞれの電源を精度よく調整しなければならない。また、半導体光検出素子に印加する７０Ｖ程度の電圧を１０ｍＶ程度の精度で調整することは困難である。

また、同一の特性を有する半導体光検出素子のみを用意して、同一の電源電圧を各半導体光検出素子に印加する方法がある。この方法では、様々な特性を有する半導体光検出素子から、同一の特性を有する半導体光検出素子を選別しなければならないため、高コストになる。

また、各光検出器１００の抵抗Ｒ１０を可変抵抗にし、コンデンサＣ１０と並列に抵抗Ｒ３０を取り付けることにより、１つの電源で、各半導体光検出素子に印加する電圧の微調整をする方法がある。このとき、抵抗Ｒ１０の抵抗値と抵抗Ｒ３０の抵抗値との比により、半導体光検出素子に印加される電圧が決まる。しかし、１つ１つの可変抵抗により、それぞれの半導体光検出素子への印加電圧を調整することは、非常に手間がかかる。

また、ＭＰＰＣのような半導体光検出素子に限らず、素子、電子回路部品では、動作特性を制御するため、印加電圧、バイアス電圧等の調整を求められるものが多い。

本発明は、素子への印加電圧を調整する装置を提供することを目的とする。

開示の電圧調整装置は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。

第１の形態は、
素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、
前記素子の高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、
前記素子の低電位側端子に、前記第１電圧よりも小さい第２電圧を供給する第２供給回路と、
を備える電圧調整装置である。

本発明によれば、素子への印加電圧を調整する装置を提供することができる。

図１は、従来の光検出器の例を示す図である。図２は、光検出器の例（１）を示す図である。図３は、多出力ＤＡＣを使用した例を示す図である。図４は、光検出器の例（２）を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、開示の実施形態の構成に限定されない。

ここでは、高電圧を印加する素子として、光検出器のＭＰＰＣを例として説明するが、高電圧を印加する素子は、光検出器のＭＰＰＣに限定されるものではない。電圧を印加する素子として、光検出器のＭＰＰＣの代わりに、フォトダイオード、光電子増倍管等の他のいかなる素子が使用されてもよい。また、素子に電圧を印加する装置として光検出器を
例として説明しているが、素子に電圧を印加する装置は、光検出器に限定されるものではない。

〔実施形態〕
図２は、本実施形態の光検出器の例（１）を示す図である。図２の光検出器２００は、第１回路２０１、第２回路２０２、電源２０３を含む。第１回路２０１、第２回路２０２は、それぞれ、入射された光の信号を検出する信号検出回路を含む。光検出器２００の第１回路２０１は、抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ２１、抵抗Ｒ３１、コンデンサＣ１１、コンデンサＣ２１、コンデンサＣ３１、及び、ＭＰＰＣ（Ｄ１１）、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）２１１を含む。また、光検出器２００の第２回路２０２は、抵抗Ｒ１２、抵抗
Ｒ２２、抵抗Ｒ３２、コンデンサＣ１２、コンデンサＣ２２、コンデンサＣ３２、及び、ＭＰＰＣ（Ｄ１２）、ＤＡＣ２１２を含む。例えば、抵抗Ｒ２２の抵抗値は５０Ω、コンデンサＣ２２の静電容量は、０．１μＦとする。

光検出器２００の第１回路２０１には、電源電圧Ｖ１１が印加される。電源電圧Ｖ１１は、例えば、７０Ｖ程度である。電源２０３として、定電圧電源が使用されうる。光検出器２００の第１回路２０１は、ＭＰＰＣ（Ｄ１１）に光が入射されることにより光を検出する。コンデンサＣ２１は、信号の直流成分をカットする。即ち、信号は、ＡＣカップリングにより取り出される。また、ＤＡＣ２１１は、ＭＰＰＣに印加される電圧を、グランド側（接地側）から調整する。

ＤＡＣ２１１は、コンピュータ等からの制御信号に基づく電圧を出力する。ＤＡＣ２１１は、例えば、０．００Ｖから２．００Ｖ程度の電圧を出力することができる。また、高周波特性を良くし、ＤＡＣ２１１を保護するために、コンデンサＣ３１と、抵抗Ｒ３１を使用する。

抵抗Ｒ１１の抵抗値が１０ｋΩ、コンデンサＣ１１の静電容量が０．１μＦであるとすると、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１とによる時定数は、１ｍｓである。これに対し、抵抗Ｒ３１の抵抗値が１００Ω、コンデンサＣ３１の静電容量が１μＦであるとすると、抵抗Ｒ３１とコンデンサＣ３１とによる時定数は、０．１ｍｓである。抵抗Ｒ３１とコンデンサＣ３１とによる時定数は、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１とによる時定数より十分小さいので、出力信号に対する、抵抗Ｒ３１及びコンデンサＣ３１の影響は、ほとんどない。

また、ＭＰＰＣには、通常、高抵抗のクエンチング抵抗が付いている。このため、コンデンサＣ３１を充電してグランドからの電圧を上げることはできない。また、仮に、ＭＰＰＣ（Ｄ１１）のクエンチング抵抗がショートしたとしても、ＤＡＣ２１１は、１０ｍＡ程度の電流を処理できればよい。抵抗Ｒ１１が１０ｋΩであるので、電源電圧が１００Ｖであったとしても、第１回路２０１には、１０ｍＡ程度しか流れないからである。よって、ＤＡＣ２１１は、耐圧性を求められない。中高圧電圧の漏電のおそれがある環境では、コンデンサＣ３１と並列にツェナーダイオード等の電圧制限素子をつなぐことで、ＤＡＣ２１１は保護されうる。

光検出器２００の第２回路２０２は、第１回路２０１と同様の構成を有し、同様の動作をする。

多くのＭＰＰＣの動作電圧は、７０Ｖ程度である。ＭＰＰＣは、個体ごとに特性が異なる。例えば、個々のＭＰＰＣの動作電圧のばらつきは、±１Ｖ程度である。よって、個々のＭＰＰＣには、通常、個体ごとの特性を示すデータシートが添付されている。ＭＰＰＣのデータシートは、例えば、２５℃における動作電圧の情報、動作電圧の温度依存性の情
報を含む。ＭＰＰＣに印加される電圧は、添付されるデータシートにおける動作電圧に基づいて、決定される。ＭＰＰＣの特性は温度に依存しうるので、動作電圧は温度に応じて決定されてもよい。

電源２０３は、第１回路２０１及び第２回路２０２に、同一の所定の電圧Ｖ１１を印加する。第１回路２０１のＤＡＣ２１１は、ＭＰＰＣ（Ｄ１１）に印加される電圧が、ＭＰＰＣ（Ｄ１１）の動作電圧になるように、出力電圧を調整する。また、同様に、第２回路２０２のＤＡＣ２１２は、ＭＰＰＣ（Ｄ１２）に印加される電圧が、ＭＰＰＣ（Ｄ１２）の動作電圧になるように、出力電圧を調整する。ＤＡＣの出力の精度で、ＭＰＰＣに印加される電圧が調整されうる。ＭＰＰＣの個々の特性に基づいて、動作電圧が印加されることで、第１回路２０１及び第２回路２０２は、所定の入力（光）に対し、所定の出力をすることができる。ＤＡＣ２１１及びＤＡＣ２１２は、１つのコンピュータに接続されて制御されてもよい。また、ＤＡＣ２１１及びＤＡＣ２１２の代わりに、多チャンネルのＤＡＣが使用されて、第１回路２０１及び第２回路２０２に、電圧が供給されてもよい。多チャンネルのＤＡＣが使用されることで、光検出器２００の部品点数を減らすことができる。

ここでは、光検出器２００は２つの光を検出する回路（第１回路２０１及び第２回路２０２）を有するとしたが、光検出器２００は２以上の光を検出する回路（電圧を印加される素子（例えば、ＭＰＰＣのような素子）を含む回路）を有してもよい。即ち、光検出器２００は、第１回路２０１及び第２回路２０２と同様の、第３回路、第４回路等を有してもよい。ここでは、ＭＰＰＣを用いる光検出器としているが、電圧を印加される素子は、ＭＰＰＣに限定されず他の素子であってもよい。光検出器２００の構成は、複数の素子を含み、それぞれの素子に対して異なる電圧を印加する装置において、有効である。光検出器２００は、例えば、素子に印加される電圧に対して、非常に小さい値（例えば、０．０１％程度から１％程度）で電圧の微調整が求められる場合でも、印加電圧の調整をできる。また、光検出器２００は、所定の電圧を印加される１以上の素子を含む装置であって、光検出器以外の装置に適用されてもよい。光検出器２００は、ＤＡＣの出力範囲で、ＭＰＰＣに印加される電圧を変化させることができる。

図３は、多出力ＤＡＣを使用した例を示す図である。図３の例では、８個のＭＰＰＣ（ＭＰＰＣを有する第１回路等と同様の回路を含む）が、多出力ＤＡＣにより接地側から電圧の供給を受けている。また、これらのＭＰＰＣは、図示しない電源から所定の電圧の電力供給をうけている。多出力ＤＡＣは、各ＭＰＰＣに対して、異なる電圧を出力することができる。多出力ＤＡＣは、各ＭＰＰＣの特性に応じた電圧を、それぞれのＭＰＰＣに対して、出力する。多出力ＤＡＣは、コンピュータ（ＰＣ）によって制御されうる。即ち、コンピュータ（ＰＣ）は、多出力ＤＡＣの各出力電圧を、ＭＰＰＣの特性に応じて、多出力ＤＡＣに対して指示する。コンピュータは、あらかじめ、ＤＡＣに接続されるＭＰＰＣの特性の情報を保持している。コンピュータが保持するＭＰＰＣの特性の情報は、例えば、データシートに記載されるような、２５℃における動作電圧の情報、動作電圧の温度依存性の情報等である。ＭＰＰＣの特性は、温度に依存しうるので、動作電圧は、温度に応じて変更されてもよい。多出力ＤＡＣは、コンピュータからの指示を含むデジタル信号を、出力するアナログ信号、即ち、電圧値に変換し、各ＭＰＰＣに対して出力する。多チャンネルのＤＡＣ（多出力ＤＡＣ）が使用されることで、光検出器２００の部品点数を減らすことができる。また、複数の多出力ＤＡＣのそれぞれが、ＰＣとシリアル通信で接続されてもよい。ただし、コンピュータと多出力ＤＡＣとの接続は、シリアル通信による接続に限定されず、多出力ＤＡＣのインタフェース仕様により、例えば、パラレル通信による接続、ネットワークを介した接続でもよい。なお、図３の例では、一部省略しているが、各多出力ＤＡＣには、それぞれ、右端の多出力ＤＡＣと同様に、複数のＭＰＰＣが接続されうる。

図４は、光検出器の例（２）を示す図である。図４の光検出器３００は、光を検出する回路が１つのみの例である。図４の光検出器３００は、第１回路３０１、電源３０３を含む。光検出器３００の第１回路３０１は、光検出器２００の第１回路２０１と同様の構成を有する。第１回路３０１に含まれるＤＡＣ３１１は、光検出器２００のＤＡＣ２１１と同様に動作する。光検出器３００は、ＤＡＣ３１１で、電圧を調整できることで、気温が変化した場合等に、電源３０３の電圧を変化させることなく、ＭＰＰＣに印加される電圧を調整することができる。また、光検出器３００は、ＭＰＰＣを交換する場合においても、電源３０３の電圧を変化させることなく、ＤＡＣ３１１によりＭＰＰＣに印加される電圧を調整することができる。

〈変形例〉
高電圧を印加する素子として、光検出器のＭＰＰＣを例として挙げたが、高電圧を印加する素子は、光検出器のＭＰＰＣに限定されるものではない。電圧を印加する素子として、光検出器のＭＰＰＣの代わりに、バイアス調整を求められる素子が使用されうる。バイアス調整を求められる素子として、例えば、感度調整が求められる、フォトダイオード、光電子増倍管、増幅回路素子、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）、大電力半導体増
幅素子等の素子が挙げられる。また、素子に電圧を印加する装置として光検出器を例として説明しているが、素子に電圧を印加する装置は、光検出器に限定されるものではなく、例えば、増幅器、放射線検出器、粒子線検出器等であってもよい。即ち、光検出器２００または光検出器３００は、電圧が印加される素子を有するいかなる装置にも適用可能である。

（実施形態の作用効果）
光検出器２００は、ＭＰＰＣに対し、電源により高電圧側から所定の電圧を印加する。また、光検出器２００は、ＭＰＰＣに対し、ＭＰＰＣに印加される電圧が所定の動作電圧になるように、ＤＡＣにより低電圧側（接地側）から電圧を印加する。光検出器２００は、ＭＰＰＣの特性に応じた電圧を、ＭＰＰＣに印加することができる。また、ＤＡＣは低電圧側（接地側）からＭＰＰＣに電圧を印加するため、ＤＡＣに高電圧がかかる恐れが少なく、ＤＡＣは、耐圧性についての設計自由度を高めることができる。

光検出器２００は、複数のＭＰＰＣに対し、高電圧側から所定の電圧を印加する。また、光検出器２００は、各ＭＰＰＣに対し、各ＭＰＰＣに印加される電圧が、各ＭＰＰＣの特性に応じた動作電圧になるように、各ＤＡＣにより低電圧側（接地側）から電圧を印加する。光検出器２００は、それぞれのＭＰＰＣの特性に応じた電圧を、電源電圧を変化させることなく、各ＭＰＰＣに印加することができる。光検出器２００は、個々のＭＰＰＣに、適切な電圧を印加することができる。また、光検出器２００は、電源２０３の電圧に依存することなく、ＤＡＣの出力の精度で、素子（ＭＰＰＣ）に印加される電圧を調整できる。例えば、ＤＡＣの出力が１ｍＶ単位で変更されうるのであれば、素子に印加される電圧は１ｍＶ単位で調整されうる。

また、光検出器２００では、コンピュータが１または複数のＤＡＣに接続されることで、コンピュータから容易に、各ＭＰＰＣに印加される電圧を、ＤＡＣの出力範囲内で調整することができる。

印加電圧の微調整用回路としてのＤＡＣは、信号源の接地側に直列に入れられる。ＤＡＣが信号源の接地側に直列に入れられることにより、ＤＡＣは耐圧性を有しなくてもよい。

光検出器２００の出力は、ＡＣカップリングであるため、直流成分はカットされる。そ
のため、光検出器２００は、ＤＡＣにより接地側で電圧を調整しても、出力に影響を及ぼさない。また、光検出器２００は、微調整用回路（ＤＡＣ）の回りに時定数調整用の抵抗及びコンデンサを入れることで、出力信号への影響を抑えられる。

光検出器２００は、異なる動作電圧を有するＭＰＰＣであっても、ＤＡＣによりＭＰＰＣへの印加電圧をＭＰＰＣの特性に応じて調整することで、均質の出力特性、感度特性に制御することができる。

光検出器３００は、光検出器２００とほぼ同様の作用効果を有する。

１００光検出器
２００光検出器
２０１第１回路
２０２第２回路
２０３電源
２１１ＤＡＣ
２１２ＤＡＣ
３００光検出器
３０１第１回路
３０３電源
３１１ＤＡＣ
Ｃ１１コンデンサ
Ｃ１２コンデンサ
Ｃ２１コンデンサ
Ｃ２２コンデンサ
Ｃ３１コンデンサ
Ｃ３２コンデンサ
Ｄ１１ＭＰＰＣ
Ｄ１２ＭＰＰＣ
Ｒ１１抵抗
Ｒ１２抵抗
Ｒ２１抵抗
Ｒ２２抵抗
Ｒ３１抵抗
Ｒ３２抵抗

Claims

素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、
前記素子の高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、
前記素子の低電位側端子に、前記第１電圧よりも小さい第２電圧を供給する第２供給回路と、
を備える電圧調整装置。
複数の素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、
前記複数の素子の各高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、
前記複数の素子の各低電位側端子に、それぞれ、前記第１電圧よりも小さい、前記複数の素子の特性に依存した複数の電圧を供給する第２供給回路と、
を備える電圧調整装置。
前記第２供給回路は、複数のＤＡＣ（Digital to Analog Converter）を含む、
請求項２に記載の電圧調整装置。
前記第２供給回路は、複数種類の電圧を出力可能な単一のＤＡＣを含む、
請求項２に記載の電圧調整装置。
前記第１供給回路は、コンデンサ及び抵抗を含む第１変動抑制回路を含む、
前記第２供給回路は、コンデンサ及び抵抗を含む第２変動抑制回路を含む、
請求項１から４のいずれか１つに記載の電圧調整装置。
複数の素子の各高電位側端子に、第１電圧を供給し、
前記複数の素子の各低電位側端子に、それぞれ、前記第１電圧よりも小さい、前記複数の素子の特性に依存した複数の電圧を供給する、
電圧調整方法。
素子に直流電圧を供給する装置であって、
前記素子の高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、
前記素子の低電位側端子に、前記第１電圧よりも小さい第２電圧を供給する第２供給回路と、を備える複数の装置と、
前記複数の装置のそれぞれの前記第２供給回路に接続され、前記複数の装置のそれぞれの前記第２供給回路に、ぞれぞれ、前記素子の特性に依存した前記第２電圧を供給するように指示する制御部を有するコンピュータと、
を備える電圧調整システム。