JP2016146286A - 光子又は荷電粒子の計数装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のようなアナログ回路を設けることなく、光電子増倍管への入射光量が過大となっているか否かを知ることのできる光子計数装置を提供する。【解決手段】光子計数装置において、光子を検出する検出器１５１と、検出器１５１からの出力信号上に現れるパルスの数を計数するパルス計数手段１６１と、前記パルスの幅を計測するパルス幅計測手段１６２と前記パルスの幅が予め定められた値を超えた場合に、検出器１５１への光子の入射量が過大であると判定する判定手段１６３とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、光電子増倍管などの光検出器や電子増倍管などの荷電粒子検出器による検出信号をパルスカウンティング法（計数法）で処理することにより、分析対象試料から生じた光や荷電粒子（電子やイオン）の量（強度）を測定する機能を備えた光子又は荷電粒子の計数装置に関する。

上記のような光子計数装置を備えた分析装置としては、蛍光分光光度計などが知られている（例えば特許文献１を参照）。図４に従来の蛍光分光光度計の概略構成を示す。該蛍光分光光度計は、キセノン（Ｘｅ）アークランプ等から成る光源２１０と、励起側分光部２２０と、試料載置部２３０と、蛍光側分光部２４０と、光検出器である光電子増倍管（Photomultiplier Tube、ＰＭＴ）２５１とを備えている。なお、励起側分光部２２０及び蛍光側分光部２４０は、それぞれ回折格子等の波長分散素子とその後段に設けられたスリットとを備えている。光源２１０から出た光は、まず励起側分光部２２０の波長分散素子によって波長分散され、そのうち所定の波長の光が前記スリットを通過して試料載置部２３０にセットされた試料２３１に照射される。すると、これにより励起された試料２３１中の成分から蛍光が発生し、ＰＭＴ２５１に入射する。

ＰＭＴ２５１は、光電面（光電陰極）と、複数のダイノード（二次電子増倍電極）と、陽極とを含んでいる。前記光電面に光が入射すると該光電面から電子（光電子）が放出され、該光電子が最初のダイノードに衝突する。これによりダイノードから多数の二次電子が叩き出され、該二次電子が後段に設けられた複数のダイノードと衝突を繰り返すことにより電子が増幅されていく。なお、このときの増幅率は高電圧電源回路２５４からＰＭＴ２５１に供給される駆動電圧によって決定される。増幅された電子は最終的に前記陽極に到達し、電荷パルスとして外部に取り出される。これによりＰＭＴ２５１からは入射した蛍光の光量に応じた電流が出力されることとなる。

このＰＭＴ２５１からの出力電流は、蛍光検出基板２５０に搭載された複数の回路にて処理される。すなわち、まずＰＭＴ２５１からの出力電流がＩ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）２５２にて電圧に変換された後、パルス弁別回路２５３へと入力される。パルス弁別回路２５３では、予め定められた閾値（ノイズカットレベル）を基準として、信号とノイズとの弁別を行う。具体的には、Ｉ／Ｖ変換回路２５２から入力された電圧を、前記ノイズカットレベル以上であるか否かに応じてハイレベル（Ｈレベル）とローレベル（Ｌレベル）とに弁別し、ＨレベルとＬレベルの二値から成るパルス信号に変換して出力する。得られたパルス信号は、例えばプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）等のプログラマブルＩＣから成る制御回路２６０に送られ、該制御回路２６０に設けられたパルス数カウント部２６１にて所定時間当たりのＨレベルの出現回数が計数される。この計数結果（すなわちパルス数のカウント値）はＣＰＵ等を含んだデータ処理部２７０に送出され、該カウント値に基づいて、ＰＭＴ２５１への入射光量が算出される。

このように検出器からの出力信号のパルス数をカウントすることにより該検出器に入射した光子や荷電粒子の量を求める手法は、一般的に「パルスカウンティング法」又は単に「カウンティング法」とよばれている（なお、検出対象が光子の場合には特に「フォトンカウンティング法」ともよばれる）。

上記のような蛍光分光光度計において、ＰＭＴ２５１への入射光量が比較的小さい場合には、ＰＭＴ２５１の陽極から出力される電荷パルスが離散的となるため、上記のパルスカウンティング法（フォトンカウンティング法）によりＰＭＴ２５１への入射光量（すなわち蛍光強度）を正確に求めることができる。

しかしながら、フォトンカウンティング法では、ＰＭＴへの入射光量が増加するにつれ、入射光量と前記パルス数のカウント値が比例しなくなるという問題がある。この点について図５、６を参照しつつ説明する。なお、図５は、ＰＭＴへの入射光量と前記カウント値の関係を概略的に示したグラフであり、図６は図５中の区間Ａ、Ｂ、ＤにおけるＰＭＴからの出力電流の波形を示す模式図である。図５に示すように、ＰＭＴへの入射光量が比較的小さい範囲（図中の区間Ａ）では入射光量とカウント値がほぼ比例するが、入射光量が或る程度大きくなるとグラフの傾きが区間Ａよりも小さくなる（図中の区間Ｂ）。更に光量が大きくなると信号強度が大きくなってもカウント値が変化しなくなり（図中の区間Ｃ）、更に大きくなると信号強度が大きくなるにつれてカウント値が小さくなっていく（図中の区間Ｄ）。これは、ＰＭＴへの入射光量が大きくなるにつれて、複数の光子が相次いでＰＭＴの光電面に入射することになり、その結果、例えば図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＰＭＴの陽極から出力される電荷パルスが時間的に重複するようになるためである。図６の例の場合、区間Ｄにおける入射光量は区間Ａの４倍であるにもかかわらず、パルス数のカウント値は区間Ａと同じ「３」となっている。

ＰＭＴには、強い光が入射すると内部に過大な電流が流れて劣化するという問題がある。そのため、上記のような蛍光分光光度計ではＰＭＴへの入射光量が或る程度以上大きくなった場合に何らかの方法によりＰＭＴの保護を図る必要がある。具体的には、ＰＭＴ２５１への入射光量が所定の値以上になった時点で試料２３１の測定を自動的に停止し、ユーザにエラーを通知して高電圧電源回路２５４からＰＭＴ２５１に供給される駆動電圧を下げさせてＰＭＴ２５１における増倍率を下げることによりＰＭＴ２５１を流れる電流を小さくするなどの対応が考えられる。しかし上述の通り、パルスカウンティング法では、ＰＭＴへの入射光量が或る程度以上大きくなると、入射光量とパルス数のカウント値が比例しなくなると言う問題がある。例えば、上述した図５、６の例では、区間Ａと区間Ｄにおける入射光量が大きく異なるにもかかわらず、パルスカウンティング法によるカウント値からはＰＭＴが区間Ａの状態であるのか区間Ｄの状態であるのかを区別することができない。そのため、パルスカウンティング法によるカウント値のみでは、ＰＭＴに過大な電流が流れてもその旨を知ることができず、ＰＭＴの適切な保護を図ることができないおそれがあった。

そこで、従来の蛍光分光光度計では、図４に示すように、Ｉ／Ｖ変換回路２５２からの出力（例えば複数のパルスが重複したもの）を平滑化するためのアナログ回路（平滑回路２５５）がパルス弁別回路２５３に併設されている。該アナログ回路から出力される直流電圧は制御回路２６０に入力され、該直流電圧の強度値が制御回路２６０からデータ処理部２７０へと送出される。データ処理部２７０では、該直流電圧の強度値に基づいてＰＭＴ２５１への入射光量が求められ、該入射光量が予め定められた基準値以上であるか否かが判定される。このような構成によれば、ＰＭＴ２５１への入射光量が比較的大きくてパルスカウンティング法では正確な測定を行えない場合であっても、前記アナログ回路からの出力電圧の強度からＰＭＴへの入射光量が過大となっているか否かを知ることができ、ＰＭＴの保護を図ることが可能となる。

特開2009-074877号公報

しかし、上記のような構成の蛍光分光光度計の場合、パルスカウンティング法による蛍光強度を測定するための回路に加えて、ＰＭＴの保護が必要な状態であるか否かを判定するためのアナログ回路を別途設ける必要があり、製造コストの増大を招来するという問題がある。

なお、こうした問題は上記のような蛍光分光光度計に限らず、光検出器や荷電粒子検出器からの出力信号をパルスカウンティング法で処理することにより分析対象試料から生じた光や荷電粒子の量（強度）を測定する光子計数装置や荷電粒子計数装置に共通するものである。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記のようなアナログ回路を設けることなく、光検出器や荷電粒子検出器に入射する光や荷電粒子の量が過大となっているか否かを求めることができ、それにより適切に前記光検出器や前記荷電粒子検出器の保護を図ることのできる光子又は荷電粒子の計数装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る光子又は荷電粒子の計数装置は、
a)光子又は荷電粒子を検出する検出器と、
b)前記検出器からの出力信号上に現れるパルスの数を計数するパルス計数手段と、
c)前記パルスの幅を計測するパルス幅計測手段と、
d)前記パルスの幅が予め定められた値を超えた場合に、前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定する判定手段と、
を有することを特徴としている。

上述した通り、光子計数装置や荷電粒子計数装置において、検出器に入射する光子又は荷電粒子の数が増大すると、各光子又は荷電粒子に由来するパルスが時間的に重複してしまい、パルスカウンティング法によるパルス数のカウント値と入射量が比例しなくなるため、過剰量の光子や荷電粒子が検出器に入射していてもそれを知ることができなかった。

そこで、上記本発明に係る光子又は荷電粒子の計数装置は、従来のパルスカウンティング法による信号処理を行う手段（すなわちパルス計数手段）に加え、検出器からの出力信号上に現れる各パルスの幅を計測するためのパルス幅計測手段を備えている。通常、多数の光子又は荷電粒子が時間的に重複して検出器に入射すると、例えば図６（ｃ）に示すように、各光子又は各荷電粒子に対応して該検出器から出力される電荷パルスが複数融合して幅広の一つのパルスのような形状となる。そのため、上記パルス幅計測手段によって前記出力信号上のパルスの幅を計測することにより、例えば図５及び図６で示した区間Ａと区間Ｄの状態を区別することが可能となる。従って、前記の「予め定められた値」を適切に設定することにより、例えば前記パルス幅がその値を超えた場合には、検出器が前記区間Ｄの状態であって光子又は荷電粒子の入射量が過大となっていると判定することができる。

上記本発明に係る光子又は荷電粒子の計数装置は、
e)前記判定手段により前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定された場合に、その旨をユーザに通知する通知手段、
を更に備えたものとすることが望ましい。

これにより、前記通知を受けたユーザは、一旦測定を中止させ、検出器に印加する駆動電圧を下げて検出器の保護を図った上で再測定を行う、といった対応を取ることが可能となる。

上記本発明に係る光子又は荷電粒子の計数装置は、上記通知手段に加えて又は代えて、
f)前記判定手段により前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定された場合に、前記検出器に印加する駆動電圧を低減する駆動電圧低減手段、
を更に備えたものとしてもよい。

このような構成によれば、前記検出器への光子又は荷電粒子の入射量が過大であると判定された場合に、該検出器に印加される駆動電圧が自動的に低減されるため、検出器の保護に係るユーザの作業負担を軽減することができる。

なお、上記検出器としては、典型的には光検出器であるＰＭＴ（光電子増倍管）を用いることができるが、これに限らず、例えば、イオンや電子などの荷電粒子を検出する荷電粒子検出器であるＥＭＴ（電子増倍管、Electron Multiplier Tube）を用いることもできる。

以上の通り、本発明に係る光子又は荷電粒子の計数装置では、検出器からの出力信号上に現れるパルスの幅を計測し、その結果に基づいて該検出器への光や荷電粒子の入射量が過大になっているか否かを判定することができる。そのため、こうした判定のために従来のようなアナログ回路を設ける必要がなく、該アナログ回路による製造コストの増大を生じることなしに、適切に検出器の保護を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態による蛍光分光光度計の概略構成図。 同実施形態における処理の流れを示すフローチャート。 同実施形態の蛍光分光光度計による信号処理の結果を示す図であり、（ａ）は図６の区間Ａに対応した信号の処理結果を示し、（ｂ）は図６の区間Ｄに対応した信号の処理結果を示している。 従来の蛍光分光光度計の概略構成図。 パルスカウンティング法における入射光量とパルス数のカウント値との関係を示すグラフ。 図５の各区間におけるＰＭＴからの出力信号の一例を示す模式図であって、（ａ）は区間Ａを、（ｂ）は区間Ｂを、（ｃ）は区間Ｄを示している。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明を行う。図１は本発明に係る光子の計数装置を備えた蛍光分光光度計の概略構成図である。なお、上述の図４で示したものと同一又は対応する構成要素については、下二桁が共通する符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態に係る蛍光分光光度計では、蛍光検出基板１５０上に従来のようなアナログ回路（図４の平滑回路２５５）が設けられておらず、これに代わり、特徴的な構成要素としてパルス幅計測部１６２及び判定部１６３を備えている。なお、図１中のパルス数カウント部１６１、パルス幅計測部１６２、及び判定部１６３は制御回路１６０によって実現される機能ブロックである。この制御回路１６０は、例えばプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）などのプログラマブルＩＣによって構成される。

本実施形態による蛍光分光光度計の動作について図２のフローチャートを参照しつつ説明する。まず、ユーザが試料載置部１３０に試料１３１をセットし、キーボードやマウス等から成る入力部１８０で所定の操作を行って蛍光測定の開始を指示すると、制御回路１６０による制御の下で高電圧電源回路１５４からＰＭＴ１５１への駆動電圧の印加が開始される（ステップＳ１１）。このときの駆動電圧の値はユーザにより予め指定された分析条件に基づいて決定される。

続いて、光源１１０からの光が励起側分光部１２０で分光され、予め指定された所定波長の光（励起光）が試料１３１に照射される。該励起光の照射により試料１３１から生じた光（蛍光）は、蛍光側分光部１４０で分光され、前記蛍光のうち予め指定された波長の光のみがＰＭＴ１５１の光電面（光電陰極）に到達する。

この光の入射に伴ってＰＭＴ１５１の光電面から電子（光電子）が放出され、該電子はＰＭＴ１５１内部において、前記駆動電圧の値によって決まる所定の増幅率で増幅される。そして、増幅された電子はＰＭＴ１５１の陽極に到達し、電流として出力される。この出力電流はＩ／Ｖ変換回路１５２にて電圧に変換され（ステップＳ１２）、その後、パルス弁別回路１５３へと入力される。パルス弁別回路１５３では、制御回路１６０から与えられた閾値（ノイズカットレベル）を基準として、信号とノイズとの弁別を行う（ステップＳ１３）。具体的には、Ｉ／Ｖ変換回路１５２から入力された電圧を、前記ノイズカットレベル以上であるか否かに応じてハイレベル（Ｈレベル）とローレベル（Ｌレベル）とに弁別し、ＨレベルとＬレベルの二値から成るパルス信号に変換して出力する。

得られたパルス信号は、制御回路１６０のパルス数カウント部１６１及びパルス幅計測部１６２で処理される（ステップＳ１４）。パルス数カウント部１６１では、前記パルス信号がＬレベルからＨレベルに上昇してから再びＬレベルに戻るまでを一つのパルスとして、所定時間の間に前記パルス信号上に現れるパルスの数がカウントされる。

一方、パルス幅計測部１６２では、前記パルス信号上に現れる各パルスの幅が計測される。具体的には例えば、パルス弁別回路１５３から入力されるパルス信号の信号レベルを所定の時間間隔で確認し、Ｌレベルが続く限りは各時点におけるカウント数を０とし、Ｈレベルが続く限りは各時点におけるカウント数を１ずつ増加させていく。これにより、前記パルス信号がＬレベルからＨレベルに上昇してから再びＬレベルに戻るまでの時間（すなわちパルス幅）が計測される。

上記のパルス数カウント部１６１及びパルス幅計測部１６２による処理結果について、図３に具体例を挙げて説明する。図３（ａ）は、上述の図６（ａ）に示した信号（区間Ａにおける信号）を処理した結果を示し、図３（ｂ）は、図６（ｃ）に示した信号（区間Ｄにおける信号）を処理した結果を示している。また、図３（ａ）（ｂ）の上段は、ＰＭＴ１５１からの出力信号の波形を示しており、同図の下段はパルス弁別回路１５３からの出力信号の波形を示している。同図から明らかなように、本実施形態に係るパルス数カウント部１６１及びパルス幅計測部１６２による処理の結果、区間Ａではパルスの数は「３」であり、各パルスのパルス幅を示すカウント値は「１」となっている。一方、区間Ｄではパルス数は区間Ａと同じ「３」であるが、各パルスのパルス幅のカウント値は「５」となっている。すなわち、本実施形態に係る蛍光分光光度計によれば、パルスカウンティング法のみでは区別不能であった区間Ａと区間Ｄとを、各パルスのパルス幅のカウント値を計測することで区別できることとなる。

パルス数カウント部１６１によるパルス数の計数結果は、ＣＰＵ等を含んだデータ処理部１７０に送出され、該パルス数に基づいてＰＭＴ１５１への入射光量（すなわち蛍光強度）が算出される。

一方、パルス幅計測部１６２によるパルス幅の計測結果は制御回路１６０の判定部１６３で処理される。ここで、判定部１６３では前記パルス幅を示すカウント値が予め定められた基準値（例えば「５」）以上であるか否かが判定され（ステップＳ１５）、該基準値未満であった場合（例えば図３（ａ）のような場合）には、ステップＳ１４に戻ってパルス数のカウント及びパルス幅の計測が継続される。一方、前記パルス幅を示すカウント値が前記の基準値以上であった場合（例えば図３（ｂ）のような場合）には、判定部１６３はＰＭＴ１５１への入射光量が過大であると判定し、制御回路１６０を介して高電圧電源回路１５４によるＰＭＴ１５１への駆動電圧の印加を中止させる（ステップＳ１６）。また更に、前記判定結果をデータ処理部１７０に送出し、モニタ等から成る表示部１９０にエラーを示す情報を表示させる（ステップＳ１７）。

以上の通り、本実施形態による光子計数装置を備えた蛍光分光光度計によれば、ＰＭＴ１５１からの出力信号に由来するパルス信号のパルス幅を計測することにより、従来のようなアナログ回路を設けることなしにＰＭＴ１５１への入射光量が過大となっているか否かを知ることができる。また、入射光量が過大であると判断された場合に、自動的にＰＭＴ１５１への駆動電圧の印加が中止され、ユーザにエラーが通知されるため、ユーザは前記駆動電圧の設定値を下げた上で再度測定をやり直すなどの対応を取ることができ、ＰＭＴ１５１を適切に保護することができる。

以上、本発明を実施するための形態について具体例を挙げて説明を行ったが、本発明は上記の例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、上記実施形態では本発明に係る計数装置（光子計数装置）を蛍光分光光度計に適用するものとしたが、本発明に係る計数装置は、こうした蛍光の測定に限らず微弱な光量を測定する装置全般に適用することができる。また、本発明における検出器として、上記のようなＰＭＴなどの光検出器に代えて、ＥＭＴ（電子増倍管、Electron Multiplier Tube）などの荷電粒子検出器を用いるようにしてもよい。この場合、本発明に係る計数装置（荷電粒子計数装置）は質量分析装置等において試料から生じたイオンを計数するものなどとすることができる。

１１０、２１０…光源
１２０、２２０…励起側分光部
１３０、２３０…試料載置部
１３１、２３１…試料
１４０、２４０…蛍光側分光部
１５０、２５０…蛍光検出基板
１５１、２５１…ＰＭＴ
１５２、２５２…Ｉ／Ｖ変換回路
１５３、２５３…パルス弁別回路
１５４、２５４…高電圧電源回路
１６０、２６０…制御回路
１６１、２６１…パルス数カウント部
１６２…パルス幅計測部
１６３…判定部
１７０、２７０…データ処理部
１８０…入力部
１９０…表示部
２５５…平滑回路

Claims (5)

1. a)光子又は荷電粒子を検出する検出器と、
   b)前記検出器からの出力信号上に現れるパルスの数を計数するパルス計数手段と、
   c)前記パルスの幅を計測するパルス幅計測手段と、
   d)前記パルスの幅が予め定められた値を超えた場合に、前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定する判定手段と、
   を有することを特徴とする光子又は荷電粒子の計数装置。
2. e)前記判定手段により前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定された場合に、その旨をユーザに通知する通知手段、
   を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光子又は荷電粒子の計数装置。
3. f)前記判定手段により前記検出器への前記光子又は前記荷電粒子の入射量が過大であると判定された場合に、前記検出器に印加する駆動電圧を低減する駆動電圧低減手段、
   を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光子又は荷電粒子の計数装置。
4. 前記検出器が光電子増倍管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の計数装置。
5. 前記検出器が電子増倍管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の計数装置。

Images