JP3664559B2 - 光電子増倍管駆動回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子増倍管に備えられる複数のダイノード等を規定の電圧にバイアスするための光電子増倍管駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
光電子増倍管は、高電圧が印加される陰極と陽極との間に、規定の電圧にバイアスされる複数個のダイノードが配置されており、陰極に入射した光を電子に変換し、その電荷をダイノードにて高増倍率で増倍することにより、入射光に比例した出力電流を陽極より出力する機能を備えている。
【0003】
前記ダイノードのバイアス電圧(以下、ダイノード電圧という)を設定するための最も基本的な光電子増倍管駆動回路としては、陰極と陽極の間に印加される前記高電圧を複数の直列抵抗で分圧し、その分割電圧を各ダイノードに与える電圧分割回路が用いられている。しかし、この電圧分割回路を用いる場合、十分な出力電流を確保したり増倍率のリニアリティを維持するために、前記直列抵抗の値を小さくしてそれに流れる電流の値を大きくする必要があるので、消費電力が増えるという問題がある。
【0004】
従来、この消費電力を低減するための光電子増倍管駆動回路としては、特開昭62−126540号公報と、文献「"The Study of Countrate Stability ofPhotomultiplier Tube with Different Type of Voltage Dividers" Y.Yoshizawa,1995 IEEE Nuclear Science Symposhium in San Franchisco」に開示されたものがある。
【0005】
特開昭62−126540号公報に開示された駆動回路は、図3に示す如く、高電圧電源4の高電圧VHを直列抵抗R1〜R9にて分圧し、光電子増倍管2の前段側(陰極Kの側)のダイノードDy1〜Dy5には抵抗R1〜R5に生じる分割電圧を直接印加し、後段側(陽極Pの側)のダイノードDy6〜Dy8には、抵抗R6〜R9に生じる分割電圧にてベースバイアスされたPNPトランジスタQ1〜Q3の各エミッタ電圧を印加している。また、PNPトランジスタQ3のエミッタにバイアス抵抗R10が接続され、PNPトランジスタQ1のコレクタには、これらPNPトランジスタQ1〜Q3のバイアス電圧を安定化するためのコンデンサC1が接続され、高電圧VHから抵抗R11を通してPNPトランジスタQ1〜Q3に電流を供給している。
【0006】
この駆動回路では、PNPトランジスタQ1〜Q3のベース・エミッタ間電圧が一定になることを利用することにより、ダイノードDy6〜Dy8のダイノード電圧を安定化させ、増倍率のリニアリティの低下を改善している。また、ダイノードDy6〜Dy8に供給するためのダイノード電流をPNPトランジスタQ1〜Q3にて供給するので、抵抗値の大きな抵抗R1〜R9を用いてそれに流れる電流を小さくすることができることから、単なる電圧分割回路を用いる場合に較べて消費電力の低減化を図ることができる。
【0007】
図4は、前記文献に開示された光電子増倍管駆動回路を示している。この駆動回路は、複数のダイオードD1〜D17及びコンデンサC1〜C17から成る所謂コッククロフトウォルトン回路と、低電圧電源6の低電圧Vcc下で動作する安定化回路8と、直流/交流変換回路10を備えている。直流/交流変換回路10より出力される交流電圧をこのコッククロフトウォルトン回路に供給することにより、陰極Kに印加するための高電圧と各ダイノードDy1〜Dy8に印加するためのダイノード電圧を発生させ、更に、この高電圧をフィードバック抵抗R1を介して安定化回路8に帰還することにより、高電圧及びダイノード電圧の変動を抑制している。また、可変電圧源12の出力電圧Vrefを調節することにより、高電圧を可変制御できるようになっている。
【0008】
この駆動回路は、ダイオードD1〜D17の所定接続点に積み上げるようにして接続されたコンデンサC1〜C17の容量結合によってダイノードDy1〜Dy8の各ダイノード電圧を発生させるので、抵抗を用いた電圧分割回路に較べて消費電力を大幅に低減することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図3に示す駆動回路では、PNPトランジスタQ1〜Q3を流れるコレクタ電流はフィードバック抵抗R11を通して高電圧電源4より供給されるため、このフィードバック抵抗R11における電力損失が問題となり、十分な消費電力の低減化が図れない。また、このフィードバック抵抗R11の発熱により光電子増倍管2の暗電流の増加を招いたり、大容量の電圧電源4が必要になる等の問題がある。更に、PNPトランジスタQ1〜Q3のコレクタ電流は、光電子増倍管2の陽極Pにおける出力電流に比例して大きくなるため、フィードバック抵抗R11の両端電圧がこの出力電流に応じて大きく変化することになり、同時にPNPトランジスタQ1のコレクタ電圧も大きく変化する。このため、PNPトランジスタQ1には高耐圧のトランジスタを適用する必要があるという問題がある。
【0010】
図4に示す駆動回路では、直流/交流変換回路10からの交流電圧を整流して各コンデンサC1〜C9に充電電圧を発生させ、これらの充電電圧を直接ダイノード電圧としているので、充電電圧のリップル成分により光電子増倍管2の増倍率が変動したり、浮遊容量による交流結合により陽極Pからリップル成分が出力されるという問題がある。
【0011】
また、各ダイノードDy1〜Dy8のダイノード電圧を下げようとする場合、コンデンサC1〜C17に蓄えられた電荷がフィードバック抵抗R1を通して放電されることになるが、ノイズを低減する必要上、高抵抗のフィードバック抵抗R1が用いられているので、この放電経路の放電時定数が大きくなり所定電圧まで降下するのに長時間を必要とする。したがって、短時間でダイノード電圧を可変制御する必要のある用途では問題となる。
【0012】
更に、光電子増倍管2に、パルス光やステップ光が入射する場合には、コンデンサC1〜C9に蓄積された電荷が各ダイノードDy1〜Dy8へ出力されることになるが、このときに一時的にコンデンサC1〜C9の電圧(即ち、ダイノード電圧)が変動するため、増倍率の変動に伴って出力電流が変動するという問題がある。
【0013】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、主として、消費電力及び発熱を低減することができる光電子増倍管駆動回路を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明の光電子増倍管駆動回路は、直列接続された複数の抵抗から成る抵抗回路と、前記抵抗回路の両端間に高電圧を印加して前記複数の抵抗に電流を供給する昇圧回路とを備え、前記抵抗回路中の幾つかの抵抗群の接続点に生じる接点電圧を、光電子増倍管の所定ダイノードに対応して設けられた能動素子を介して前記夫々のダイノードに印加する光電子増倍管駆動回路であって、前記能動素子の電流路が、幾つかの抵抗群の両端間に並列接続されており、昇圧回路が、高電圧への昇圧途中に発生する電圧を能動素子の電流路の両端間に供給する構成とした。
【0015】
また、前記昇圧回路と抵抗回路中の適宜の接続点間にフィルタ回路を設ける構成とした。
【0016】
【実施の形態】
図1は、本発明の光電子増倍管駆動回路の一実施の形態を示す回路図である。同図において、この駆動回路は、複数のダイオードD1〜D13及びコンデンサC1〜C13から成る昇圧回路18と、低電圧電源22と、調節可能な基準電圧Vrefを発生する可変電圧源24と、安定化回路26と、直流電圧を交流電圧に変換する直流/交流変換回路28と、フィルタ回路30,32と、複数の抵抗R1〜R9から成る分圧回路34、及び複数のN型電界効果トランジスタ(NMOSFET)Q1〜Q3を備えている。
【0017】
昇圧回路18は、ダイオードD1〜D13が直列接続され、各ダイオードD1〜D13のカソードとアノードの夫々の接続点にコンデンサC1〜C13が一つ置きに接続された構成を有し、コンデンサC13とダイオードD13のカソードとの接続接点に直流/交流変換回路28からの交流電圧Vacが印加される。更に、コンデンサC1とダイオードD1のアノードとの接続点が抵抗R11ないしフィルタ回路32を介して光電子増倍管20の陰極Kに接続され、コンデンサC7がグランド端子GNDに接続されている。そして、ダイオードD1〜D13の整流作用とコンデンサC1〜C13の充電作用により交流電圧Vacを各コンデンサC1〜C13に充電することにより、各コンデンサC1〜C7に固有の直流電圧を発生させると共に、抵抗R11とコンデンサC1の接続点に高電圧VKを発生させる。
【0018】
安定化回路26は、低電圧電源22から出力される低電圧Vccの下で駆動される電圧レギュレータ等からなり、フィードバック抵抗R12を通して高電圧VKを安定させるように、直流/交流変換回路28へ入力する直流電圧VDを制御する。また、可変電圧源24の基準Vrefを調節することにより、直流電圧VDの値を変化させ、昇圧回路18の高電圧VKの値を調節することができるようになっている。即ち、安定化回路26は、たとえ高電圧VKに変動が生じた場合でも、この変動を除去して、昇圧回路18に極めて安定な高電圧VD及び各コンデンサC1〜C13の充電電圧を発生させるためのフィードバック回路を構成している。
【0019】
昇圧回路18のコンデンサC4とC5との接続点に発生する所定電圧がフィルタ回路30を通して光電子増倍管20の中間位置に配置されたダイノードDy5に印加され、例えばこの印加電圧にリップル等の変動成分が生じてもフィルタ回路30にて遮断することにより、常に安定した電圧をダイノードDy6に印加するようになっている。また、陰極KとダイオードDy5の間の電圧を所定電圧にすると共に、ダイノードDy5とグランド端子GNDの間の電圧を所定電圧にするために、昇圧回路18で発生する電圧を抵抗11を通して降下させて、フィルタ回路32を通して光電子増倍管20に印加している。フィルタ回路32も同様に高電圧VKにリップル等の変動が生じた場合でも遮断して、常に安定した高電圧VKを陰極Kに印加する。
【0020】
これらフィルタ回路30,32の出力端間に直列抵抗R1〜R5が接続され、フィルタ回路30とグランド端子GNDとの間に直列抵抗R6〜R9が接続され、これらの抵抗R1〜R9によって抵抗回路34が構成されている。そして、前段側(陰極Kの側)に位置するダイノードDy1〜Dy4には、夫々の抵抗R1〜R5の接続点に発生する接点電圧(分割電圧)が印加され、後段側(陽極Pの側)に位置するダイノードDy6〜Dy8には、抵抗R6〜R9の接続点に発生する分割電圧にてゲートバイアスされたNMOSFET Q1〜Q3を介してそれぞれ所定の定電圧が印加されている。
【0021】
即ち、抵抗R6〜R9の各接続点にNMOSFET Q1〜Q3の各ゲートが接続され、これらのNMOSFET Q1〜Q3の各電流路、即ち互いに直列接続されたこれらのNMOSFET Q1〜Q3の各ドレイン・ソース路とバイアス抵抗R10がフィルタ回路30の出力端子とグランド端子GNDとの間に接続され、NMOSFET Q1〜Q3の各ソースが各ダイノードDy6〜Dy8に接続されることにより、各抵抗R6〜R9の接続点に発生する各分割電圧をダイノードDy6〜Dy8に印加するためのバッファ回路が構成されている。
【0022】
そして、この光電子増倍管20と光電子増倍管駆動回路は、図2に示す如く、TO−8型パッケージ内に内蔵されてモジュール化されている。因みに、縦Lが25mm、横Wが50mm、高さHが18mmの立方体のモジュールに一体化されており、光電子増倍管20に隣接して、NMOSFET Q1〜Q3と抵抗R1〜R10を含んだダイノード電圧設定回路36が配置され、更にその隣に、昇圧回路18と安定化回路26及び直流/交流変換回路28を含んだ高電圧源回路38が配置され、光電子増倍管20の陽極Pに接続されたリード端子や、低電圧電源22を外部接続するためのリード端子等が備えられている。
【0023】
以上に述べた光電子増倍管駆動回路によれば、ダイオードD1〜D13及びコンデンサC1〜C13にて構成される昇圧回路18によって高電圧VKを発生させこの高電圧VKをフィルタ回路32を介して光電子増倍管20の陰極Kに印加するので、陰極Kを極めて安定した高電圧に保つことができる。更に、フィルタ回路30,32から出力される極めて安定な電圧を抵抗R1〜R9によって分圧することで各ダイノードDy1〜Dy8に印加するための基準となる電圧を発生させるので、ダイノードDy1〜Dy8の各ダイノード電圧を安定に保つことができる。
【0024】
尚、図4に示す光電子増倍管駆動回路中のコッククロフトウォルトン回路と陰極K及びダイノードDy1〜Dy8の間に、本実施の形態に備えられたフィルタ回路30,32と同様のフィルタ回路を設けることによって、コッククロフトウォルトン回路に生じるリップルを除去することが可能であるが、図4に示す従来の駆動回路の場合には、各ダイノードDy1〜Dy8とコッククロフトウォルトン回路中の対応するダイオードとの間に夫々フィルタ回路を設ける必要があるため、回路が大きくなり、本実施の形態のような小形のモジュールを実現することは困難である。
【0025】
更に、本実施の形態では、ダイノード電流の比較的少ない前段側のダイノードDy1〜Dy5には抵抗R1〜R5の分割電圧を印加し、ダイノード電流の大きな後段側のダイノードDy6〜Dy8にはNMOSFET Q1〜Q3によるバッファ回路にて各ダイノード電圧を印加するので、増倍率のリニアリティを向上させることができる。
【0026】
また、ダイノードDy6〜Dy8に二次電子が流入することによって、NMOSFET Q1〜Q3のドレイン電流の一部がダイノードDy6〜Dy8に分流することになるが、各ダイノードDy6〜Dy8の電圧は、NMOSFET Q1〜Q3のゲート電圧にて一定電圧に保持されることから、ステップ光やパルス光が入射する場合でも、陰極Kと陽極Pとの間の高電圧が変動することが無く、陽極Pの出力電流の変動を阻止することができる。
【0027】
また、抵抗R6〜R9はNMOSFET Q1〜Q3の動作点を設定するためにあり、ダイノードDy6〜Dy8のダイノード電圧を直接印加するものではないので、これらの抵抗R6〜R9の抵抗値を大きくすることによって、その電流値を小さくすることができる。更に、MOSFET Q1〜Q3のドレイン電流を電圧の低いフィルタ回路30から供給しているので、消費電力の低減化が可能であり、例えば、図3に示した従来の駆動回路と較べて消費電力を低減することができる。したがって、消費電力及び発熱の低減化を実現することができ、更に電源の容量を小さくすることができる。そして、発熱が低減することから、図2に示す如く小さなパッケージにてモジュール化しても、光電子増倍管2の暗電流の発生を抑制することができる。
【0028】
また、フィードバック抵抗R12及び安定化回路26を有する帰還回路にて昇圧回路18の各コンデンサC1〜C13の各充電電圧及び高電圧VKの変動を抑制するので、光電子増倍管20の増倍率の変動を大幅に抑制することができる。
【0029】
また、本実施の形態では、昇圧回路18のコンデンサC1〜C13に蓄積された電荷を放電するための放電経路には、抵抗R1〜R10及びフィードバック抵抗R12が並列接続されているので、放電時定数が短く、高電圧VKを早く変化させることができる。即ち、昇圧回路18のコンデンサC1〜C13に蓄積された電荷は、抵抗R1〜R10及びフィードバック抵抗R12を通して放電されることになるが、放電経路の抵抗値を小さくしても、フィルタ回路30,32が設けられているので昇圧回路18から陰極K及びダイノードDy1〜Dy8への雑音の入力を阻止することができるので、その放電経路の時定数を下げることで、高電圧VKを早く変化させることができるのである。
【0030】
このようにこの実施の形態によれば、図3及び図4に示した従来の光電子増倍管駆動回路と較べても、消費電力の低減化を実現し、更にこの消費電力の低減化を行っても、陰極Kの高電圧VKと各ダイノードDy1〜Dy8のダイノード電圧の安定化及び増倍率のリニアリティの向上を図ることができる。
【0031】
尚、この実施の形態では、NMOSFET Q1〜Q3を使用した場合を示すが、本発明ではこれに限定するものではなく、他の種類の能動素子を用いてもよい。例えば、図1中のNMOSFET Q1〜Q3を夫々バイポーラトランジスタで置き換え、夫々のバイポーラトタンジスタのベースを抵抗R6〜R9の接続点に接続すると共に、これらのバイポーラトタンジスタの各電流路、即ち各コレクタ・エミッタ路を、抵抗R6〜R9の両端間に並列接続するようにしてもよい。また、8個のダイノードDy1〜Dy8を備える光電子増倍管20のための駆動回路について述べたが、本発明は、任意の数のダイノードを備えた光電子増倍管のための駆動回路に適用することができるものである。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、能動素子の電流路が抵抗回路中の幾つかの抵抗群の両端間に並列接続され、且つ各能動素子がこの抵抗群の接続点に生じる接点電圧に基づいて前記電流路の電流を設定するので、抵抗回路における消費電力の低減化及び能動素子の電力損失の低減化を図ることができる。よって、発熱が少なく且つ消費電力の少ない光電子増倍管駆動回路を提供できる。即ち、各能動素子の電流路に流れる電流を、抵抗群の接続点に生じる低電圧の接点電圧によって供給することができるので、抵抗回路を構成する抵抗を高抵抗値にしてこの抵抗回路を流れる電流値を小さくすることによって、この抵抗回路における消費電力を低減することができる。更に、前記低電圧の下で能動素子に増幅動作させるので、電力損失を低減することができる。このように、抵抗回路及び能動素子における消費電力の低減化に伴って電源回路の小型化が可能になり、更に発熱が抑制されることから、小型の光電子増倍管回路を実現することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光電子増倍管駆動回路の実施の形態を示す回路図である。
【図2】光電子増倍管と光電子増倍管駆動回路を一体化したモジュールの構造を示す説明図である。
【図3】従来の光電子増倍管駆動回路の構成を示す回路図である。
【図4】従来の他の光電子増倍管駆動回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
18…昇圧回路、20…光電子増倍管、22…低電圧電源、24…可変電圧源、26…安定化回路、28…直流/交流変換回路、30,32…フィルタ回路、34…抵抗回路、R1〜R12…抵抗、D1〜D13…ダイオード、C1〜C13…コンデンサ、Q1〜Q3…NMOSFET、Dy1〜Dy8…ダイノード、K…陰極、P…陽極。
Claims (2)
- 直列接続された複数の抵抗から成る抵抗回路と、前記抵抗回路の両端間に高電圧を印加して前記複数の抵抗に電流を供給する昇圧回路とを備え、前記抵抗回路中の幾つかの抵抗群の接続点に生じる接点電圧を、光電子増倍管の所定ダイノードに対応して設けられた能動素子を介して前記夫々のダイノードに印加する光電子増倍管駆動回路であって、
前記能動素子の電流路が、前記幾つかの抵抗群の両端間に並列接続されており、
前記昇圧回路が、前記高電圧への昇圧途中に発生する電圧を前記能動素子の電流路の両端間に供給することを特徴とする光電子増倍管駆動回路。 - 前記昇圧回路と抵抗回路中の適宜の接続点間にフィルタ回路が設けられることを特徴とする請求項1に記載の光電子増倍管駆動回路。
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