JPH06500424A - 微弱光高解像度イメージ管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 微弱光高解像度イメージ管 技術分野 本発明は微弱光高解像度イメージ管に関するものである。

背景技術 物理学（核物理学、宇宙物理学、生物物理学）における多くの仕事においては、 光子計数の観点から極めて低いレベルの光源（微弱光）を極めて正確に配置する ことを可能ならしめるよう要求されている。

例えば、分子生物学において遂行される多くの仕事は、化学的な種（ＤＮＡ又は ＲＮＡの糸状体）の３次元的位置決めを研究することによってその情報を得てい る。このために通常行われる技術は、観察中の種に特殊な放射性プローブでマー クづけすることを含んでいる。実験信号は、β−放出個体群のマツプの形で表現 され、このマツプは随意選択的に定量されるから、多かれ少ながれ解像度を要求 されている。

ここ数年間に、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）を用いて光源の像をとらえる（ピッ クアップする）諸提案がなされている。

例えば、「物理学研究における核計器と方法」Ａ２７３　（１９８８）　、とい う文献の７４８−７５３頁ににおいて公表された「高解像度β−検出器」と題す るＹ、Ｃｈａｒｏｎ他による論文において、本明細書に添付した図１に模式的に 示したシステムが記載されている。このシステムは、特に分子生物学の実験に適 していて、試料担体（サンプルキャリア）１０と、薄いシンチレータ２０（１０ μ）と、 主として光電陰極３１、結像（電子集束）用電極３２．２次電子を増幅するマイ クロチャネルプレート３３、および光放出用の蛍光体スクリーン３４よりなる光 増幅管３０と、 電荷結合デバイス（ＣＣＤ）４１、制御モジュール４２および波形整形モジュー ル４３よりなる電子カメラ４０と、 制御用コンピュータ５０と、 外部トリガ発生器６０と、 このトリが発生器６０、電子カメラ４０およびコンピュータの間に配設されたイ ンターフェース拳カード７０とを具備している。

シンチレータ２０は、試料あるいはそれと等価なソースから来る電子を検出した ときに光子を発生する。この光が光増幅管３０て増幅され、そして電子カメラ４ ０に入射する。

モジュール４２は、ビデオ・モードではなく、ワンショット・モードでこのカメ ラを制御する。ビデオ制御モードでは、フレーム周期が互いに一定の早さで追従 する（ここで、各周期は、電荷結合デバイスがゼロにリセットされる段階、それ に続く像積分段階、それに続く読出し段階とで構成されている）。これに対して 、ワンショット制御モードでは、各フレーム周期は前の周期に関係なく制御され る。

より詳細に言えば、上記文献において、電子カメラ４０は外部トリガ発生器６０ によって反復する各ワンショット・モードで制御される。すなわち、電子カメラ ４０は、光源の像を長時間にわたって積分することと、その取込みの終末でそれ だけを読み出すことからなる単なるワンショット・モードとは異なって、短くか つ繰り返し積分周期を有するように制御される。

電子カメラ４０の制御は添付の図２．３．４、に模式％式％ 図２は、光源あるいは試料の時間分布を示す。

図３は、光増幅管３０の対応応答を示す。図３には、ノイズ・パルスがみられる 。

最後に図４には、まず第１段に、電荷結合デバイス４１の周期に重畳された光増 幅管３０の応答を示す。デバイス４１の各周期は、ＣＣＤがゼロにリセットされ る段階と、像積分段階と、ＣＣＤ続出し段階とからなる。図４の第２段には、各 周期をトリガする信号を示す。

この繰り返しワンショット会モードでのカメラ３０の制御技術は、積分時間に比 例した大きさで光増幅管および電子カメラに生じる熱ノイズの影響のために、繰 り返しワンショット会モードに要求される重要な冷却を部分的にしないですむよ うにすることができる。。

しかし、この競合的なワンショット・モードでの電子カメラ３０の制御は、十分 な満足を得ることができない。

それは次のような欠点を免れないからである。すなわち、不感時間の期間に計測 事象が失われ、そのため効率が低下し、 積分時間が与えられるので、増幅管からの熱ノイズの影響が大きく残り、そして 、 積分ウィンドウ内に計測事象が無作為に起こるので、画素の輝度情報を定量用に 使用することができない。

電荷結合デバイスの積分周期を光事象の存在するときに限ってトリガすることに よって、これらの欠点を取り除こうとする試みが行われた。

これを行うために提案されたシステムが、「物理学研究における核計画と方法Ｊ 　Ａ２９２　（１９９０）という文献の１７９−１８６頁に開示されたｒＨ−Ｒ −Ｒ−Ｉ・生物学的応用のための高解像度β−イメージ管」と題するＹ−Ｃｈａ 「Ｏｎ他による論文中に記述されている。

このシステムは添付する図５に模式的に示されている。

図５では、 試料担体１０と、 シンチレータ２０と、 光増幅管３０と、 電子カメラ４０と、 制御用コンピュータ５０と、 が再び示されている。

しかし、図５に示すこのシステムにおいては、外部トリガ発生器６０の代りに光 電子増倍器８０が設けられていて、光電子増倍器８０は波形整形カード８１に接 続されている。

光電子増倍器８０は試料担体１０に対してシンチレータ２０の反対側に配置され ている。この光電子増倍器８０は、シンチレータ２０によって発生された光子が 試料と試料担体１０を通過した後に、該光子の一部分をピックアップして、光事 象の出現に同期してトリガ・パルスを発生する。

積分時間は、光増幅管３０の蛍光消滅時間と電荷結合デバイス４１のゼロ・リセ ット段階に要求される時間のみの関数である最小値に調整することができる。

この方法で得られる周期と、対応するトリガ信号が図６に模式的に示されている 。

図４と図６を比較すると、図５に示すようなトリガが光事象の出現に同期するよ うにしたシステムは次のような利点を有している。すなわち、 検出効率がかなり増加すること、 積分ウィンドウ内にノイズが無作為に起こるが積分時間が減少されているので熱 ノイズの影響が極めて減少されていること、及び 輝度が正確に再現され、スクリーニングと重心処理の遂行を可能にすること、 が与えられる。

それにも関わらず、図５に示したシステムは十分な満足を与えない。

このシステムは、まず第一に使用する試料の厚さに依存する。もしサンプルが厚 すぎると、光電子増倍器８゜には光が少ししか入射せず、あるいは全く入射しな い。

さらにこのシステムは本質的には分子生物学の実験の分野に限定されていて、例 えば宇宙物理学の使用には適さない。

本発明の目的は、前記先行技術における欠点を除いて上記のような状態を改良す ることである。

発明の開示 本発明によれば、上記目的は、 光電陰極、電子増幅器として作用する少なくとも１つのマイクロチャネルプレー ト、および金属層を備えた光放出用蛍光体スクリーンを有する光増幅管と、入力 した光子を電子に変換することに適した光電マトリックス配列を備えた電子カメ ラと、前記電子カメラを制御するための制御手段と、を含む微弱光高解像度イメ ージ管において、前記制御手段が、前記光放出蛍光体スクリーンの金属層に葉受 （コレクト）された電子に応答して、前記光増幅器の受光部に光子が出現したこ とに同期した繰り返しワンショット・モードで前記光電マトリックス配列の積分 周期を制御するようにしたことを特徴とする微弱光高解像度イメージ管、によっ て達せられる。

本発明の他の特徴、目的及び利点は、添付の非限定的例示のための図面を参照し つつ以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 図１はすでに説明したが、第一の公知のシステムの図である。

図２は光源の時間分布を示す図である。

図３は光増幅管の出口に葉受された対応応答である。

図４は周期と、図１に示したシステムのトリガ信号を示す図である。

図５はすでに説明したが、第２の公知のシステムの図である。

図６は、図５に示したシステムの周期とトリガ信号を示す図である。

図７は本発明のイメージ管のブロックの図である。

発明を実施するための最良の形態 図７に示す本発明のイメージ管は、光増幅管３００と、電子カメラ４００と、制 御回路７００と、コンピュータ５００とを備えている。

光増幅管３００は、それに高い利得を与える２つのマイクロチャネルプレートを 備えた近接集束型であることが好ましい。

図７で示すように、光増幅管３００は本質的には光電陰極３１０と、２つのマイ クロチャネルプレート３３０及び３３１と、陽極を構成する蛍光体スクリーン３ ４０とを備えている。

蛍光体スクリーン３４０は、さらに詳細に言えば、前記マイクロチャネルプレー ト３３０．３３１に面する側が一般にアルミニウムの薄い金属層３４２で覆われ た蛍光体層３４１からなっている。

このようにして、マイクロチャネルプレート３３０及び３３１によって増幅され てきた１個の光電子に対応する２次電子シャワーがスクリーン３４０の方に加速 される。これらの電子がスクリーン内で減速すると励起された媒体（蛍光体層） ３４１によって、光が発生され、電子は数ｎｓの間にスクリーンの金属被覆面（ 薄い金属層）３４２上に葉受される。

２つのマイクロチャネルプレート３３０と３３１とを有する光増幅管３００の電 子／電子利得は、典型的な値として１０５のオーダーである。

本発明の本質的な特徴として、上記したように、制御回路７００は増幅器７１０ を備え、増幅器７１０はスクリーン３４０の金属層に葉受された電子に応答して 、カメラ４００の積分周期をゲート７１４を介して制御する。

このゲート７１４の機能は、増幅器７１０からのアナログ信号を論理信号に変換 することである。ゲート７１４は本質的には積分によって、そしてしきい値との 比較によって動作する。例えば、それは５ＥＰＨ会社によって販売されている積 分リニア・ゲートによって構成することができる。このゲート７１４は増幅器７ １０の出力例とモジュール４２０の入力例との間に配設される。

より詳細に言えば、図７に示す好適実施例において、スクリーンの金属層３４２ が抵抗Ｒ７１２を介して接地されるとともに、この金属層３４２は演算増幅器７ １０の第１人力に接続されている。演算増幅器７１０の第２人力は接地されてい る。

抵抗Ｒ７１２を通って流れる電荷は、増幅器７１０の入力側で電位差を発生する ように作用する。

この電圧は電圧増幅器７１０によって増幅される。この増幅器は広通過帯域で低 ノイズ型のものである。信号は次に電荷積分され、次にゲート７１４によって電 圧しきい値でゲートされ、ゲートか動作可能化されるとトリガ信号がモジュール ４２０に印加される。

本発明に使用される電子カメラ４００は、好ましくは、電荷結合デバイス（ＣＣ Ｄ）４１０と、制ａ　モジュール４２０と、ＣＣＤによってピックアップされた 信号を公知でありかつ図１、図５を参照してすでに説明したシステムにおけると 同様な方法で波形整形するモジュール４３０とを備える。

ゲート７１４からのトリガ信号はその後制御モジュール４２０の入力に印加され 、各トリガ信号がＣＣＤのゼロ・リセット又は“クリヤ“周期、ＣＣＤ上での像 の積分、およびモジュール４３０を介するその像の読出しを開始する。

このようにして得られた信号がインターフェース・カード７２０を介して進み、 コンピュータ５００に向けられ、そこで上記先行技術文献に記載されているよう なそれ自身公知の方法で信号処理される。

ここで、蛍光体スクリーン３４０が、ＣＣＤ４１０をゼロにリセットするに要す る時間に見合うだけの期間を持たねばならないということを必要とすることがわ かる。

すなわち、スクリーンは、各積分に先立つＣＣＤのゼロ・リセット時間の期間、 像を保存することが要求される。

きわめて短い、例えば、１μｓのゼロ・リセット期間を得るために、［核計器と 方法Ｊ　Ａ２７３　（１９８８）の７４８−７５３頁に公表されたｒＵＡ２シン チレーチング・ファイバー検出器」と題するＲ、Ｅ、Ａｎｓｏｒｇｅ他による文 献中に記載された配置にしたがって構成したあるＣＣＤの眩惑防止システムを使 用することができる。積分時間は、半高速蛍光体（数μｓ）をもつスクリーンを 使用することによって、比較的に短縮することができる。この種の動作は、検出 器の熱的バックグランドノイズの影響を無視することを可能にする。

本発明のイメージ管は、２０μｍオーダの解像度を持った極めて微弱光の光源（ 単一光電子感度）の像を提供することができる。

電荷結合デバイス（ＣＣＤ）が約１０４個の小型光電セル（約２０μｍＸ２０μ ｍ）のマトリックス配列であっで、それぞれの光電セルが受け取った光子を電子 に変換するのに適しているということはよく知られている。

積分段階の期間、各光電セルは入射光に比例する量の電荷を蓄積する。読み出し は、各光電セルの内容を作像装置（この場合は、好ましくはインターフェース・ カード７２０を介してコンピュータ５００）へ次々と転送することによってなさ れる。

本発明において、電荷転送デバイス４１０は、当業者には公知であって、各光電 セルに蓄積された電荷を転送せず直接読み出すＣＩＤ　（チャージ・インジェク ション・デバイス）型の素子と置換えてもよい。

本願の発明者等は、１０５オーダの電子／電子利得を得るよう２つのマイクロチ ャネルプレート３３０及び３３１を備えた光増幅器３００と、高速蛍光体スクリ ーン（Ｐ４７）と、ＣＣＤ電子カメラ４００と、低ノイズ（＜５ｍＶ）、広帯域 （約２００ＭＨｚ）で約１００１７）電圧利得をもつ電圧増幅器７１０と、５Ｅ ＰＨ会社の販売する積分リニア・ゲート７１４とからなるイメージ管を用いて試 験を行なった。

これらの試験は、最小振幅、すなわち単一光電子に対応する最小振幅の入射光事 象に対して９０％のトリガ効率を示した。上記効率は光増幅管３００の光電陰極 によって放出される単一光電子の数と作像（イメージング）システムによって実 際に検出されるその数との比によって与えられる。

上述のイメージ管は入射する光の光子を検出するように設計されている。

それにも拘らず、このイメージ管は、図７において鎖線で示すように、単に光増 幅管３００の上流に他の種類の入射光線、例えばβ−線を光に変換するシステム 、例えばシンチレータ２００を配設することによって容易にこのような入射光線 を検出可能にすることができる。

当然のことながら、本発明は上記説明に限定されず、その精神を逸脱しない植種 の変形にまで拡張されうるちのである。

また、一枚だけのマイクロチャネルプレートを有する光増幅管を使用することも 適切であると考えることができる。

同様に、本発明による光増幅管に、図１及び図５の従来例で模式的に示した静電 集束型光増幅管を用いた構成を企画することも可能である。

時間 国際調査報告 フロントページの続き （７２）発明者　ゲイラール、ジャンーマルクフランス国、エフ−０１１７０ジ エックス。

エツシュネーヴエ　ラ　ビニール　（番地なし） （７２）発明者　ルブラン、ミツシェルフランス国、エフ−９２１６０アントニ ー。

リュ　ロジェーサラングロ　７０ （７２）発明者　マストリツボリド−、ローランフランス国、エフ−７８３７０ プレイシール。

ルー　デ　ビュープリエ　１ （７２）発明者　トリコアール、エルヴエフランス国、エフ、９１１２０　バレ イソー。

ルー　エフーコッペー　３０ （７２）発明者　ヴアレンタン、ルックフランス国、エフ−９１４４０ピュレー 、リューゴメツツ　３６ （７２）発明者　ラニエス、フィリップフランス国、エフ−７５００６パリ、ク ールデユー　コンメルス　サンタンドゥル

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．光電陰極（３１０）、電子増幅器として作用する少なくとも１つのマイクロ チャネルプレート（３３０、３３１）及び金属層（３４２）を備えた光放出用蛍 光体スクリーン（３４０）を有する光増幅管（３００）と、受取った光子を電子 に変換することに適した光電マトリックス配列（４１０）を備えた電子カメラ（ ４００）と、 前記電子カメラ（４００）を制御するための制御手段（７００）と からなる微弱光高解像度イメージ管であって、前記光放出蛍光体スクリーン（３ ４０）の金属層（３４２）に集受された電子に応答する増幅器（７１０）を有す る前記制御手段（７００）が、前記光増幅器（３００）の入射口ヘの光子の出現 時に同期した繰り返しワンショット・モードで前記光電マトリックス配列（４１ ０）の積分周期を制御するようにしたことを特徴とする微弱光高解像度イメージ 管。
2. ２．前記光増幅管（３００）は２つのマイクロチャネルプレート（３３０、３３ １）を有していることを特徴とする請求項１記載のイメージ管。
3. ３．前記光増幅管（３００）の電子／電子利得が１０５オーダであることを特徴 とする請求項１又は２記載のイメージ管。
4. ４．前記電子カメラ（４００）の光電マトリックス配列（４１０）が電荷結合デ バイスであることを特徴とする請求項１から３までのうちの何れか１項記載のイ メージ管。
5. ５．前記蛍光体スクリーン（３４０）の金属層（３４２）が抵抗（Ｒ７１２）を 介して接地されており、かつ前記制御増幅器（７１０）の入力にも接続されてい ることを特徴とする請求項１から４までのうちの何れか１項記載のイメージ管。
6. ６．前記制御増幅器（７１０）の出力と前記電子カメラ（４００）の間に波形整 形論理ゲート（７１４）を介在させたことを特徴とする請求項１から５までのう ちの何れか１項記載のイメージ管。
7. ７．入力放射線を光に変換するのに適したシステム（２００）を前記光増幅管（ ３００）の上流に配置したことを特徴とする請求項１から６までのうちの何れか １項記載のイメージ管。
8. ８．シンチレータ（２００）を前記光増幅管（３００）の上流に配置したことを 特徴とする請求項７記載のイメージ管。
9. ９．前記光増幅管（３００）が近接集束管であることを特徴とする請求項１から ８までのうちの何れか１項記載のイメージ管。
10. １０．前記光増幅管（３００）が静電集束を備えた管であることを特徴とする請 求項１から９までのうちの何れか１項記載のイメージ管。
11. １１．前記光増幅管（３００）の金属層（３４２）がアルミニウムベースのもの であることを特徴とする請求項１から１０までのうちの何れか１項の記載のイメ ージ管。
12. １２．前記光電マトリックス配列（４１０）がＣＩＤ型のものであることを特徴 とする請求項１から１１までのうちの何れか１項記載のイメージ管。