JP4589041B2 - 光検出用回路及び光検出器 - Google Patents

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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_１ないし第ｎ段目の（最終段）ダイノードＤｙ_ｎを有している。ダイノードＤｙ_１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_２〜Ｄｙ_ｎ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_ｎからの二次電子を受ける位置に配置されている。

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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１及び抵抗素子Ｒ_３を有する。ツェナダイオードＤ_１のアノード側は、抵抗素子Ｒ_１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_１のカソード側は、抵抗素子Ｒ_３の一端に接続されている。抵抗素子Ｒ_３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_１と抵抗素子Ｒ_３との間には、抵抗素子Ｒ_２を介してダイノードＤｙ_１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_ｋが与えられ、ダイノードＤｙ_１にはツェナダイオードＤ_１及び抵抗素子Ｒ_３によって分割された電位Ｖ_１（＞Ｖ_ｋ）が与えられる。

第２の電圧印加手段２１ｂは、抵抗素子Ｒｄ_１〜Ｒｄ_ｎを有する。抵抗素子Ｒｄ_１〜Ｒｄ_ｎは、抵抗素子Ｒ_１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_１の一端は、抵抗素子Ｒ_１を介して電源端子１７に接続されている。抵抗素子Ｒｄ_ｎの一端は、基準電位線３１に接続されている。抵抗素子Ｒｄ_１〜Ｒｄ_ｎ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_２〜Ｄｙ_ｎが接続されている。第２の電圧印加手段２１ｂは、抵抗素子Ｒｄ_１〜Ｒｄ_ｎ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_２〜Ｄｙ_ｎへ与える電位Ｖ_２〜Ｖ_ｎ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_２〜Ｖ_ｎを生成する。また、第２の電圧印加手段２１ｂは、ダイノードＤｙ_２の電位Ｖ_２がダイノードＤｙ_１の電位Ｖ_１よりも高い電位となるように、各電位Ｖ_２〜Ｖ_ｎを生成する。

第１の切替手段２３は、ｎ段のダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎのうち、ダイノードＤｙ_１とダイノードＤｙ_２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_１を有する。スイッチ手段ＳＷ_１の一端は抵抗素子Ｒ_２を介してダイノードＤｙ_１に接続されており、スイッチ手段ＳＷ_１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_１が短絡すると、ダイノードＤｙ_１の電位Ｖ_１がダイノードＤｙ_２の電位Ｖ_２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_１とダイノードＤｙ_２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_１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。

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_１から出力電流Ｉ_２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_１と抵抗素子Ｒ_２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_１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_ｎの電位Ｖ_ｎよりも高い電位Ｖ_Ｐ（例えば基準電位）が与えられている。

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_１短絡時：−２００Ｖ）
抵抗素子Ｒ_１：１００ｋΩ
抵抗素子Ｒ_２：１０ｋΩ
抵抗素子Ｒ_３：２ＭΩ
抵抗素子Ｒｄ_１：１．５ＭΩ
抵抗素子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_１を非接続状態に設定する。なお、スイッチ手段ＳＷ_１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_１〜Ｄｙ_ｎ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_ｋ、Ｖ_１〜Ｖ_ｎ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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１となり、配線２８を介して出力端子２７ａに提供される。

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_１を接続状態（短絡）に設定する。このとき、ダイノードＤｙ_１とダイノードＤｙ_２との間の電位勾配が逆転し、ダイノードＤｙ_１の電位Ｖ_１はダイノードＤｙ_２の電位Ｖ_２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_１へ放出される。ダイノードＤｙ_１に達した光電子は、逆電位勾配のためダイノードＤｙ_２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_１から出力電流Ｉ_２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。

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_１とダイノードＤｙ_２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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１とダイノードＤｙ_２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_１からダイノードＤｙ_２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。

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_１との間の電位勾配を形成するツェナダイオードＤ_１を有することが好ましい。ツェナダイオードＤ_１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_１からの出力電流Ｉ_２による電位勾配への影響を抑えることができる。

（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。

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。

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_１からの出力電流Ｉ_２を電圧信号である光量信号Ｓ_２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_２及び配線２５を介してダイノードＤｙ_１と抵抗素子Ｒ_２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_２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_１を電圧信号である光量信号Ｓ_１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_１を提供する。

比較器１３ａは、光量信号Ｓ_２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_２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_２が参照電圧Ｖｒ_２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。

比較器１３ｂは、光量信号Ｓ_１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Ｖｒ_１１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_１が参照電圧Ｖｒ_１１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_１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Ｖｒ_１２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_１と参照電圧Ｖｒ_１２との大小関係を示す信号を制御回路５に提供する。

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_１及びＳＷ_２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。

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_１が参照電圧Ｖｒ_１２よりも小さな場合）には、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２を非接続状態とする制御信号Ｓ_３をスイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２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_４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_１が参照電圧Ｖｒ_１２よりも大きく且つ参照電圧Ｖｒ_１１よりも小さな場合）には、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２を非接続状態とする制御信号Ｓ_３をスイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２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_４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_１が参照電圧Ｖｒ_１１よりも大きいか、或いは光量信号Ｓ_２が参照電圧Ｖｒ_２よりも大きい場合）には、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２を接続状態とする制御信号Ｓ_３をスイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２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_４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_１及びＳＷ_２並びに高圧電源７の制御状態を示すモード信号Ｓ_５を、出力端子１９を介して光検出器１ａの外部へ提供する。

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_１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_４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。

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_１及びＳＷ_２が非接続状態である場合には、光電子は各ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎ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_１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_１が光量信号Ｓ_１に変換される。光量信号Ｓ_１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。

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_１及びＳＷ_２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_１及びＳＷ_２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_１に到達するが、逆電位勾配のためダイノードＤｙ_２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_１から出力電流Ｉ_２として出力される。そして、出力電流Ｉ_２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_２が光量信号Ｓ_２に変換される。光量信号Ｓ_２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_１及びＳＷ_２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。

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_１、及びダイノードＤｙ_１からの出力電流Ｉ_２に基づいて第１の切替手段２３のスイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_２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_１、及びダイノードＤｙ_１からの出力電流Ｉ_２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。

（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。

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_１ではなく第ｍ段目（２≦ｍ≦ｎ−１）のダイノードＤｙ_ｍから出力電流を取り出す点である。

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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１〜Ｄ_ｍ及び抵抗素子Ｒ_５を有する。ツェナダイオードＤ_１のアノード側は、抵抗素子Ｒ_１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_ｍのカソード側は、抵抗素子Ｒ_５の一端に接続されている。抵抗素子Ｒ_５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_ｍと抵抗素子Ｒ_５との間には、抵抗素子Ｒ_４を介してダイノードＤｙ_ｍ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_ｋが与えられ、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍにはツェナダイオードＤ_１〜Ｄ_ｍ及び抵抗素子Ｒ_５によって勾配を有する電位Ｖ_１〜Ｖ_ｍ（＞Ｖ_ｋ）が与えられる。

第２の電圧印加手段２２ｂは、抵抗素子Ｒｄ_ｍ〜Ｒｄ_ｎを有する。抵抗素子Ｒｄ_ｍ〜Ｒｄ_ｎは、抵抗素子Ｒ_１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_ｍの一端は、抵抗素子Ｒ_１を介して電源端子１７に接続されている。抵抗素子Ｒｄ_ｎの一端は、基準電位線３１に接続されている。抵抗素子Ｒｄ_ｍ〜Ｒｄ_ｎ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_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎが接続されている。第２の電圧印加手段２２ｂは、抵抗素子Ｒｄ_ｍ〜Ｒｄ_ｎ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_ｍ＋１〜Ｄｙ_ｎへ与える電位Ｖ_ｍ＋１〜Ｖ_ｎ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Ｖ_ｍ＋１〜Ｖ_ｎを生成する。また、第２の電圧印加手段２２ｂは、ダイノードＤｙ_ｍ＋１の電位Ｖ_ｍ＋１がダイノードＤｙ_ｍの電位Ｖ_ｍよりも高い電位となるように、各電位Ｖ_ｍ＋１〜Ｖ_ｎを生成する。

第１の切替手段２４は、ｎ段のダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｎのうち、ダイノードＤｙ_ｍとダイノードＤｙ_ｍ＋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_３を有する。スイッチ手段ＳＷ_３の一端は抵抗素子Ｒ_４を介してダイノードＤｙ_ｍに接続されており、スイッチ手段ＳＷ_３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_３が短絡すると、ダイノードＤｙ_ｍの電位Ｖ_ｍがダイノードＤｙ_ｍ＋１の電位Ｖ_ｍ＋１よりも高い基準電位となるので、ダイノードＤｙ_ｍとダイノードＤｙ_ｍ＋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。

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_ｍから出力電流Ｉ_３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_ｍと抵抗素子Ｒ_４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_１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。

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_３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_１〜Ｄｙ_ｎ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_ｋ、Ｖ_１〜Ｖ_ｎ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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１となり、配線２８を介して出力端子２７ａに提供される。

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_３を接続状態に設定する。このとき、ダイノードＤｙ_ｍとダイノードＤｙ_ｍ＋１との間の電位勾配が逆転し、ダイノードＤｙ_ｍの電位Ｖ_ｍはダイノードＤｙ_ｍ＋１の電位Ｖ_ｍ＋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_１〜Ｄｙ_ｍ−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_ｍに達する。ダイノードＤｙ_ｍに達した光電子は、逆電位勾配のためダイノードＤｙ_ｍ＋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_ｍから出力電流Ｉ_３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。

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_１と最終段ダイノードＤｙ_ｎとの間の任意のダイノードＤｙ_ｍから出力電流Ｉ_３を取り出してもよい。この場合、ダイノードＤｙ_１〜Ｄｙ_ｍ−１によって二次電子増倍された出力電流Ｉ_３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_１〜Ｄｙ_ｍ−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_１から出力電流Ｉ_２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_１よりも後段のダイノードＤｙ_ｍ（２≦ｍ≦ｎ−１）から出力電流Ｉ_３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。

また、本実施形態のように初段ダイノードＤｙ_１と最終段ダイノードＤｙ_ｎとの間の任意のダイノードＤｙ_ｍから出力電流Ｉ_３を取り出す場合には、陽極３７から出力電流Ｉ_１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_ｍから出力電流Ｉ_３を取り出す動作モードと陽極３７から出力電流Ｉ_１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。

（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。

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。

第２の切替手段４５は、ダイノードＤｙ_３〜Ｄｙ_ｎの電位Ｖ_３〜Ｖ_ｎを、ダイノードＤｙ_１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_２と抵抗素子Ｒｄ_３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_４を有する。スイッチ手段ＳＷ_４の一端は、抵抗素子Ｒｄ_２と抵抗素子Ｒｄ_３との間に接続されている。スイッチ手段ＳＷ_４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_４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。

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_１及び第２の切替手段４５のスイッチ手段ＳＷ_４を非接続状態に設定する。なお、スイッチ手段ＳＷ_１及びＳＷ_４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_１〜Ｄｙ_ｎ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_１となり、配線２８を介して出力端子２７ａに提供される。

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_１及び第２の切替手段４５のスイッチ手段ＳＷ_４を接続状態に設定する。このとき、ダイノードＤｙ_１とダイノードＤｙ_２との間の電位勾配が逆転するとともに、ダイノードＤｙ_３〜Ｄｙ_ｎの電位Ｖ_３〜Ｖ_ｎ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_１から出力されて出力電流Ｉ_２となり、配線２５を介して出力端子２７ｂに提供される。

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_３〜Ｄｙ_ｎの電位Ｖ_３〜Ｖ_ｎを、ダイノードＤｙ_１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_１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_１から出力電流Ｉ_２を取り出す場合を例にとり説明したが、ダイノードＤｙ_ｍ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Ｄｙ_ｍ＋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Ｄｙ_ｍ＋２〜Ｄｙ_ｎの電位Ｖ_ｍ＋２〜Ｖ_ｎを、ダイノードＤｙ_ｍと略同電位となるように切り替える。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

符号の説明

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。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
   

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