JP2016516179A - 多画素光子計数器装置の利得とゼロを制御する方法、及び当該方法を実行する光測定システム - Google Patents

Abstract

多画素光子計数器装置の利得とゼロを制御するための方法、及び前記方法を実行する光測定システムを提供する。高エネルギー物理で特に用途がある本発明によれば、所定の総測定時間に達するまで、複数の所定の期間の間、装置（１２）によって提供される信号が取得され、当該取得した信号から振幅ヒストグラムが形成され、ヒストグラム上で測定可能な２つの連続ピークの位置が決定され、２つのピーク間の偏差に等しい誤差信号が生成され、偏差を所定の設定値と等しくするように前記誤差信号によって前記装置に供給する電圧が調整される。【選択図】図７

Description

本発明は、多画素光子計数装置、特に、多画素光子カウンタ型検出器であるＭＰＰＣ（浜松ホトニクス株式会社の登録商標）型検出器の利得とゼロを制御する方法に関する。

また、本発明は、この方法を実行する光測定システムに関する。

本発明は、特に、フローサイトメトリ、高エネルギー物理、及び核物理計装の分野に適用可能である。

ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器の利得を制御する方法は、参照される非特許文献１から既知である。

この文献から分かっている方法は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を熱的に制御することにある。

この既知の方法では、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を任意の環境で使用できないという１つの欠点を有する。

P.S.Marrocchesi et al., "Active control of the gain of a 3mm x 3mm silicon photomultiplier", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 602(2009), pp.391-395

本発明の目的は、この欠点を克服することである。

本発明の目的である制御方法は、「温度」パラメータを使用しない。また、以下でよりよく分かるように、この方法は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の欠点、即ち、熱運動電子の同時計数を使用する。

正確には、本発明の目的は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器、より一般には多画素光子計数装置の利得を制御する方法を提供することである。この装置は、従来、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードのアレイを含み、電圧が供給され、光子を検出したときに信号を提供する。

前記方法は、
所定の総測定時間に達するまで、複数の所定の期間の間、装置によって提供される信号が取得され、
前記取得された信号から、一連のピークを含む振幅ヒストグラムが形成され、
ヒストグラム上で測定可能な２つの連続ピークの各位置が決定され、
２つの連続ピーク間の偏差と等しい誤差信号が生成され、
偏差を所定の設定値と等しくするように誤差信号によって装置に供給する電圧が調整されることを特徴とする。

本発明の方法目的の好ましい実施形態によれば、前記複数の所定の期間は、互いに等しく、５０ｎｓ〜５００ｎｓの範囲で選択される。

前記所定の総測定時間は、０．５秒〜１０秒の範囲で選択されることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態によれば、２つの連続ピークは、前記ヒストグラムの第１のピークと第２のピークである。

本発明は、本発明の方法目的を実現する光測定システムに関する。本システムは、
光子計数装置と、
光子計数装置に高電圧を提供する供給装置と、
光子計数装置によって提供された信号を増幅し、当該増幅された信号を提供する増幅装置と、
増幅された信号を取得及び処理して前記光子を計数し、前記ヒストグラムを形成し、２つの連続ピークを決定し、前記誤差信号を生成する処理装置と、
誤差信号からの電圧を調整することで、供給装置を制御する調整装置と、
を備える。

本発明は、本発明の方法目的を実現する別の光測定システムに関する。当該別のシステムは、
光子計数装置と、
光子計数装置に高電圧を提供する供給装置と、
光子計数装置によって提供された信号を増幅し、当該増幅された信号を提供する、直列に接続された第１と第２の増幅装置と、
前記第１の増幅装置によって増幅された信号を取得し、前記ヒストグラムを形成し、両方の連続ピークを決定し、誤差信号を生成する第１の処理装置と、
誤差信号から電圧を調整することで供給装置を制御する調整装置と、
第２の増幅装置から増幅された信号を処理して前記光子を計数する第２の処理装置と、
を備える。

増幅器と関連付けられたＭＰＰＣ（登録商標）型検出器を含む電子回路を概略的に示す図である。 ２つの増幅器と関連付けられたＭＰＰＣ（登録商標）型検出器を含む別の電子回路を概略的に示す図である。 オシロスコープ上で観察でき、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器から来る信号例を概略的に示す図である。 本発明で使用される振幅ヒストグラムの例を概略的に示す図である。 温度一定の場合にＭＰＰＣ（登録商標）型検出器に印加される電圧に対するヒストグラムの依存性を示すグラフである。 本発明のシステム目的の２つの例の概略図である。 本発明のシステム目的の２つの例の概略図である。

本発明は、添付図面を参照して、単に示すためであり限定するためではない、以下に示した例示的実施形態の記述を読むことでよりよく理解されよう。

以下に、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器の利得とゼロを安定化させることが可能な本発明の方法目的の幾つかの例を示す。そのような検出器の応答が、印加される高電圧と晒される温度に依存することは想起される。

更に、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器が、熱運動電子を１秒当たり数十万回必然的かつ同時に「計数」するという欠点を有することは知られている。この欠点は、本発明では、検出器の利得をユーザによって選択されたレベルで安定化させ、この検出器のゼロ（光又は信号の欠如）を測定するために使用されるものである。したがって、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器によって行われる測定は、動作温度にかかわらず、絶対的な方式で、入射光電子の数で、広い入力範囲で表現されうる。

最初に、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器の幾つかの特徴を想起されたい。ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器に関して、以下の文献を参照することができる。MPPC（登録商標）Multi-pixel photon counter, compact opto-semiconductors with excellent photon counting capability, Hamamatsu, Cat. N°. KAP D0002E09, May 2012.

そのような検出器は、互いに物理的に分離されているが同一シリコン基板上に提供された小型アバランシェフォトダイオードのアレイを含む。入射光子が、これらの単位フォトダイオードのどれかと相互作用するとき、そのフォトダイオードは電気信号を生成し、その電荷は、相互作用間で極めて忠実に再現可能である。これは、「単一光子」を測定するという点で、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器に並外れた性能を提供する。Ｎ個の光子が、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の表面で、フォトダイオードの様々な場所と同時に相互作用するとき、平均で以前の単位電荷のＮ倍に相当する電荷の信号が再現される。したがって、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器は、その表面に同時に達する光子の数を測定するために使用されうる。

そのような検出器を使用する際に遭遇する問題は、フォトダイオードに生じる電子なだれの物理学と関係する。この電子なだれは、検出器をバイアス可能な空乏電圧、並びに検出器自体の温度に極めて強く依存する。したがって、温度の影響をなくすために、一般に、この検出器を熱的に制御することが推奨される。しかし、これは、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器を任意の環境で使用することに反する。

更に、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の単位フォトダイオードは、シリコンで作成される。したがって、単位フォトダイオードは、必然的に、熱運動によって、入射光によって生成された光電子と同じように処理される電子を放出する。したがって、そのような熱電子は、そのような光電子と同一の「シグネチャ」を有する。単位時間当たりの熱電子の数は、温度と高い印加電圧（但し、後者は僅か）の両方に依存する。更に、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器は、必然的に、単一光子しきい値よりも低い毎秒数十万〜数百万カウントを「計数」する。この態様は、一見否定的のように見えるが、ＭＰＰＣ（登録商標）型検出器の利得を制御するために逆説的に使用されるものである。

図１は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を使用するために浜松ホトニクス株式会社によって提唱された回路を概略的に示す。ＭＰＰＣ（登録商標）検出器は、図１では参照番号２が付与されている。図１では、図２と同じように、参照番号４は、ＢＮＣ型コネクタを示す。参照記号ＨＶは、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に供給する電圧（約７０Ｖ）を示す。ＭＰＰＣ（登録商標）検出器によって生成された電流は、増幅器６に送られ、その利得は１００であり、インピーダンス整合される。図示された回路は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器によって光電子又は熱運動電子が検出されたとき、数ミリボルト（例では、１０ｍｖ〜２０ｍｖ）のＳＰＵ信号を生成する。

図１に示された回路の動的制限を考慮して、本発明の図２に概略的に表わされた回路を使用することが好ましい。

この回路は、利得が１０の第１の増幅器８を含む。これにより、回路は、きわめて多数の光子がＭＰＰＣ（登録商標）検出器に到達した場合でも動作可能である。第１の増幅器８の後には、利得が１０の第２の増幅器１０がある。この増幅器１０は、単一光電子に対応しかつ容易に利用可能な電圧レベル（１０ｍｖ〜２０ｍｖ）を有するＳＰＵ信号を提供する。第１の増幅器８の出力で、信号ＳＳが回収され、その信号の電圧レベルは、約１ｍｖ〜２ｍｖであり、例えば、短時間にパルスで受け取るきわめて多数の光電子を測定するための手段である。

図１と図２に示した回路のアナログ出力で取得された信号は、オシロスコープで観察できる。これにより、図３に示した種類の信号が得られる。

これは、電圧前置増幅器の出力で得られるＭＰＰＣ（登録商標）検出器の標準オシログラムであり、その利得は１００であり、５０Ωに整合される。時間ｔは、横座標で示され、ナノ秒で表される。電圧Ｖは、縦座標で示され、ミリボルトで表される。各パルスに関して、信号の最大振幅又は検出器によって送られた電荷を測定できる。この電荷は、ユーザによって定義された、典型的にはトリガ時間の数ナノ秒前からこの時間の約１００ナノ秒後までの範囲の時間長にわたる信号の積分に対応し、トリガ時間は、信号が、ユーザによって指定されたしきい値（典型的には、バックグラウンドノイズより数ミリボルト高い）を超えた瞬間によって定義される。

これにより、振幅ヒストグラムが得られる。振幅ヒストグラムは、所定の時間（典型的には約１秒）での測定値の蓄積に対応し、図４に表わされたヒストグラムの種類のものである。

図４では、Ａで示された振幅（任意単位）が描かれ、縦座標には、前述の１秒の累積期間に所定の振幅で測定されたカウント数Ｎが示される。

図４で、一連のピークを見ることができる。第１のピークは、１個の光電子又は１個の熱運動電子に対応する。第２のピークは、２個の光電子又は２個の熱運動電子などの２単位に対応する。データ収集システム（図６の装置１８に対応する）のトリガしきい値は、図示された例では約０．２単位のレベルにある。

ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧又は温度が変化するとき、記録されるヒストグラムが大きく変化する。図５のグラフは、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器が一定温度の場合の電圧に対するヒストグラムの依存性を示す。

図５では、横座標に、測定電荷Ｃ（任意単位）が示され、縦座標に、上述の１秒の累積期間に所定の振幅で測定されたカウント数Ｎが示される。また、曲線Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ及びＶはそれぞれ、電圧７０Ｖ、７０．２Ｖ、７０．４Ｖ、７０．６Ｖ及び７０．８Ｖに対応する。

特に、影響量（ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加された電圧又は後者の温度）の修正によって、ピークが含むカウント数だけでなくピークの位置がずれることが分かる。したがって、例えば、チャネル５５０００に分配された「カウント」は、電圧７０．６Ｖでは８個の光電子に対応し、一方、高電圧７０Ｖでは１８個の光電子がカウントされる。

この依存は、例えば、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の温度の７°Ｋ増分ごとにカウント数が約２倍になり、またＭＰＰＣ（登録商標）検出器の利得の約４０〜５０％の低下による影響を受ける。したがって、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器が自動温度調整されないとき、その使用は、この依存を補償するために、その利得の制御を必要とするか、少なくともこの利得の測定を必要とする。

以下では、本発明の方法目的の幾つかの例が示され、本例では、一般にグローブボックス内で作業するために注意される温度条件下で、即ち約２０℃〜約４０℃の範囲の温度に関して、そのような変動を、数パーセントの適正レベルに戻すことを可能にする。

本発明の目的である利得を制御するための方法の例によれば、０、１、２などの増幅電子に対応するピークの位置を測定するために任意の手段（例えば、ガウス分布又は最大値の位置によるスペクトルの調整）が使用され、これらのピークの位置で誤差信号が生成される。この誤差信号は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧をフィードバックするために使用される。

システムが、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器によって提供された信号を利用可能なシステムにより、「０」に対応するピーク（信号の欠如に対応する）を適切に測定できることもできないこともある。この測定が適正な場合は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を内蔵する測定システムを修正するには、ピーク番号１の位置（即ち、第１ピーク）を書き留めるだけで十分である。実際には、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器のダークカウント率が高いので、これは、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器で十分に動作しない教科書的な事例である。

反対の事例では、ピーク番号１（即ち、第１ピーク）とピーク番号２（即ち、第２ピーク）、又はこれらの第１及び第２ピークを容易に測定可能なピークの任意の組み合わせを同時に利用できる。２つの連続ピーク間の偏差によって、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の利得を直接測定することができる一方、これらの２つのピークの相対位置によって、この位置を直接測定することなく、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器のゼロの位置を決定可能である。

方法が適切に機能するには、ピーク測定は、適正時間に行わなければならず、その時間中、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の温度は、変化しないか、無視できるほど少ししか変化しない。ＭＰＰＣ（登録商標）検出器のダークカウントを考慮して（１秒当たり数十万カウント）、測定と補正を、約１％の不確実性レベルで、数分の１秒行ないうる。

したがって、ユーザは、感度設定値を定義できる。この方法を実行するために使用される計算ユニットは、識別された２つのピーク間の偏差を書き留めることによって感度を測定し、設定値と測定値との間の誤差信号を生成する。次に、この誤差信号は、例えば単純なＰＩＤ（比例積分微分）補正器でよくかつＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧の値を制御する修正装置に送られる。補正器を調整することによって定義された何らかの時間の後で、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧は、基準ピーク間の偏差がユーザによって定義された設定値に対応するようなレベルで位置決めされる。その結果、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の感度は、制御されて、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を内蔵する測定システムが操作される温度に関係なく一定のままである。

この制御方法は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の感度を調整し、そのゼロの位置を測定することを可能にする。また、所定の光パルスは、任意単位ではなく入射光電子の数で表現可能であって、任意探知と入射光電子の数の両方は、温度とＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧の両方に依存する。次に、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器を内蔵する測定システムは、光電子の絶対数で較正される。

本発明の別の例では、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器と、その後の提供する信号を増幅する手段と、その後の取得手段を含む測定チェーンが使用される。ＭＰＰＣ（登録商標）検出器によって提供される信号は、総捕捉時間が０．５秒〜１０秒の値（例えば、１秒）に達するまで、５０ｎｓ〜５００ｎｓの範囲でよく、例えば１００ｎｓの期間に取得される。これらの捕捉によって、振幅ヒストグラムを形成可能である。振幅ヒストグラムでは、ピークｎ１及びｎ２のそれぞれの位置が、書き留められ、ピークｎ１は、例えばチャネル２５０にあり、ピークｎ２はチャネル５００にある。

次に、制御が始まる。ピークｎ１及びｎ２間の偏差が５００〜２５０、上記の例では２５０の誤差信号が生成される。他方で、検討される偏差の設定値（例えば、３００の値）が選択される。２５０はこの値より低いので、両方のピーク間の偏差を大きくするために、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧が高められる。より正確には、使用される誤差信号は、設定値から両方のピーク間で見られた偏差を引いたものと等しい。

一般に、振幅ヒストグラムの両方の第１ピークを使用するのではなく、振幅ヒストグラムの２つの連続ピークが使用され、これらのピークは容易に測定可能である。

取得手段は、振幅ヒストグラムの取得を可能にし、両方のピークのそれぞれのチャネル間の偏差を設定値から引いたものと等しい誤差を決定する計算ユニットを含みうる。これから得られた誤差信号は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の利得を一定に保つために、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器に印加される電圧を制御する調整手段に送られる。

以上説明した方法は、常に、検討された測定チェーンで実現される。

また、本発明は、図１に示す種類の回路よりも、図２に示す種類の回路を用いて実施されることが好ましく、その理由は、図１に示す種類の回路では、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器の表面に同時又はきわめて短期間に到達する数千個の光電子をカウントするには信号が高すぎるので、全体に許容されるダイナミクスが小さくなるからである。

図６は、本発明の目的である光測定システムの第１の例の概略図である。光測定システムは、
光子計数装置１２（例えば、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器）（ガイガーモードで動作しているアバランシェフォトダイオードのアレイは図示されない）と、
光子計数装置１２に供給電圧を提供するための電圧供給装置１４と、
光子計数装置１２によって提供される信号を増幅するための増幅器１６と、
前述したように、増幅された信号を取得し、ヒストグラムを形成し、２つの連続ピークを決定し、誤差信号を生成する処理装置１８と、を備える。

図６のシステムは、また、誤差信号を受信し、当該誤差信号からの電圧を調整するための電圧供給装置１４を制御する調整装置２０（例えば、ＰＩＤ型）を備える。

更に、図６の例では、増幅信号を処理して光子を計数する処理装置１８が提供される。この装置１８は、結果を表示するための装置２２を備える。

図７は、本発明の目的である光測定システムの第２の例の概略図である。
光測定システムは、
光子計数装置１２と、
光子計数装置１２に供給電圧を提供するための電圧供給装置１４と、
光子計数装置１２によって提供された信号を増幅するために、直列に接続された第１と第２の増幅器２４及び２６と、
前述したように、第１の増幅器２４によって増幅された信号を取得し、ヒストグラムを形成し、両方の連続ピークを決定し、誤差信号を生成するための第１の処理装置２８と、を備える。

図７のシステムは、誤差信号を受信し、誤差信号からの電圧を調整するための電圧供給装置１４を制御する調整装置３０（例えば、ＰＩＤ型）を備える。

図７のシステムは、光子を計数するために第２の増幅器２６から来る増幅信号を処理するための第２の処理装置３２を備える。この装置３２は、結果を表示するための装置３４を備える。

本発明の例で検討された光子計数装置は、ＭＰＰＣ（登録商標）検出器、又はより一般には、フィードバックを「開始」するため、即ちフィードバックの開始を可能にするために、１個の光電子及び時には２個又は３個の光電子に相当する信号の「必然的」な生成を可能にする任意のＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）型装置でもよい。

１２：多画素光子計数装置
１４：供給装置
１６：増幅器、増幅装置
１８：処理装置
２０：調整装置
２２：表示装置

Claims (7)

1. 電圧を供給すると共に光子を検出したときに信号を提供する多画素光子計数装置（１２）の利得を制御する方法であって、
   所定の総測定時間に達するまで、複数の所定の期間の間、前記装置（１２）によって提供される信号を取得する工程と、
   前記取得した信号から、一連のピークを含む振幅ヒストグラムを形成する工程と、
   前記ヒストグラム上で測定可能な２つの連続ピークの各位置を決定する工程と、
   ２つの連続ピーク間の偏差に等しい誤差信号を生成する工程と、
   前記偏差を所定の設定値と等しくするように前記誤差信号によって前記装置（１２）に供給する電圧を調整する工程と、を含む方法。
2. 前記複数の所定の期間は、互いに等しく、５０ｎｓ〜５００ｎｓの範囲で選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の総測定時間は、０．５秒〜１０秒の範囲で選択される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記２つの連続ピークは、前記ヒストグラムの第１のピークと第２のピークである、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
5. 多画素光子計数器（１２）から成る装置の利得が制御される、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載の方法を実行する光測定システムであって、
   光子計数装置（１２）と、
   前記光子計数装置（１２）に電圧を提供する供給装置（１４）と、
   前記光子計数装置（１２）によって提供された信号を増幅し、当該増幅された信号を提供する増幅装置（１６）と、
   前記増幅された信号を取得及び処理して前記光子を計数し、前記ヒストグラムを形成し、２つの連続ピークを決定し、前記誤差信号を生成する処理装置（１８）と、
   前記誤差信号から電圧を調整することで、前記供給装置（１４）を制御する調整装置（２０）と、
   を備える、光測定システム。
7. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載の方法を実行する光測定システムであって、
   光子計数装置（１２）と、
   前記光子計数装置（１２）に電圧を提供する供給装置（１４）と、
   前記光子計数装置（１２）によって提供された信号を増幅し、当該増幅された信号を提供する、直列に接続された第１と第２の増幅装置（２４，２６）と、
   前記第１の増幅装置（２４）によって増幅された信号を取得し、前記ヒストグラムを形成し、２つの連続ピークを決定し、前記誤差信号を生成する第１の処理装置（２８）と、
   前記誤差信号から電圧を調整することで、前記供給装置（１４）を制御する調整装置（３０）と、
   前記第２の増幅装置（２６）から前記増幅された信号を処理して前記光子を計数する第２の処理装置（３２）と、
   を備える、光測定システム。

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