WO2023286353A1 - 演算装置、光検出装置、及びゲイン算出方法 - Google Patents

演算装置、光検出装置、及びゲイン算出方法 Download PDF

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WO2023286353A1
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gain
dark
electrons
photomultiplier tube
digital signal
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暁成 牛津
聡和 伊藤
理 神田
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浜松ホトニクス株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers

Definitions

  • the present disclosure relates to an arithmetic device, a photodetector, and a gain calculation method.
  • a photodetector including a photomultiplier tube is known (for example, Patent Document 1).
  • the amount of light incident on the photomultiplier tube is calculated based on the output signal from the photomultiplier tube.
  • the gain of the photomultiplier tube is used to determine the amount of incident light from the output signal from the photomultiplier tube. Since this gain may change depending on the surrounding environment and usage conditions of the photomultiplier tube, it is required to measure the gain. Although it is conceivable to provide a dedicated circuit for measuring the gain, the circuit structure becomes complicated.
  • the present disclosure describes an arithmetic device, a photodetector, and a gain calculation method capable of calculating the gain of a photomultiplier tube while suppressing complication of the circuit structure.
  • a computing device is a device for calculating the gain of a photomultiplier tube.
  • This arithmetic device includes an acquisition unit that acquires a digital signal based on the dark pulse output from the photomultiplier tube placed in the dark, and a total number of electrons of the dark pulse calculated based on the digital signal. and a calculation unit that calculates the gain based on the number.
  • a digital signal based on the dark pulse output from the photomultiplier tube placed in the dark is obtained, and the total number of electrons of the dark pulse is calculated based on the digital signal. If the photomultiplier tube is placed in the dark, a single thermal electron can be generated and multiplied to produce a dark pulse. Therefore, since the total number of electrons in the dark pulse can correspond to the gain of the photomultiplier tube, the gain can be calculated based on the total number of electrons. As described above, since there is no need to provide a dedicated circuit for measuring the gain, it is possible to calculate the gain of the photomultiplier tube while suppressing the complication of the circuit structure.
  • the digital signal may be generated by the AD converter quantizing the voltage signal obtained by current-voltage conversion of the dark pulse using the conversion coefficient with the AD converter at the sampling frequency.
  • the calculator may calculate the total number of electrons based on the digital signal, the conversion coefficient, and the sampling frequency. In this case, since the conversion coefficient and sampling frequency used to generate the digital signal are taken into consideration, the calculation accuracy of the total number of electrons can be improved. As a result, it becomes possible to improve the calculation accuracy of the gain.
  • the calculation unit calculates the area of the waveform of the digital signal, multiplies the area by the physical quantity per unit area obtained by dividing the quantization width of the AD converter by the sampling frequency, and the reciprocal of the conversion coefficient, and multiplies
  • the total number of electrons may be calculated by dividing the result by the elementary charge.
  • the coulomb amount of the dark pulse is obtained by multiplying the area of the waveform of the digital signal by the physical quantity per unit area and the reciprocal of the transform coefficient.
  • the total number of electrons in the dark pulse is obtained by dividing the Coulomb amount of the dark pulse by the elementary charge. Since the physical quantity, conversion coefficient, and elementary charge per unit area are all constant values, the gain can be easily calculated simply by obtaining the area of the waveform of the digital signal.
  • the calculation unit may calculate the total number of electrons for each of the plurality of dark pulses, or may calculate the gain based on the total number of electrons of the plurality of dark pulses.
  • the total number of electrons may vary for each dark pulse. Therefore, by calculating the total number of electrons of a plurality of dark pulses and using the total number of electrons, the gain calculation accuracy can be improved.
  • the calculation unit may calculate another gain at a supply voltage different from the voltage supplied to the photomultiplier tube when the dark pulse is generated.
  • the gain at one supply voltage is used to calculate the gain at another supply voltage. Therefore, the gain at various supply voltages can be calculated without acquiring the dark pulse. As a result, it becomes possible to simplify the calculation of the gain for various supply voltages.
  • a photodetector includes a photomultiplier tube and the arithmetic device.
  • this photodetector is equipped with the arithmetic unit described above, it is possible to calculate the gain of the photomultiplier tube while suppressing complication of the circuit structure.
  • a gain calculation method is a method for calculating the gain of a photomultiplier tube.
  • This gain calculation method includes the steps of acquiring a digital signal based on a dark pulse output from the photomultiplier tube placed in the dark, calculating the total number of electrons of the dark pulse based on the digital signal, and calculating a gain based on the number.
  • a digital signal based on a dark pulse output from a photomultiplier tube placed in the dark is obtained, and the total number of electrons in the dark pulse is calculated based on the digital signal. If the photomultiplier tube is placed in the dark, a single thermal electron can be generated and multiplied to produce a dark pulse. Therefore, since the total number of electrons in the dark pulse can correspond to the gain of the photomultiplier tube, the gain can be calculated based on the total number of electrons. As described above, since there is no need to provide a dedicated circuit for measuring the gain, it is possible to calculate the gain of the photomultiplier tube while suppressing the complication of the circuit structure.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a photodetector including an arithmetic device according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a dark pulse generated from a photomultiplier tube placed in the dark.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining digital signals acquired by the arithmetic unit shown in FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the functional configuration of the arithmetic unit shown in FIG. 1;
  • FIG. 5 is a flow chart showing a gain calculation method performed by the arithmetic unit shown in FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart showing in detail the gain calculation process of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the area of the waveform of the digital signal shown in FIG.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a photodetector including an arithmetic device according to one embodiment.
  • the photodetector 1 shown in FIG. 1 is a device that detects light.
  • the photodetector 1 includes a photomultiplier tube (PMT) 2, an amplifier 3, an AD converter (Analog to Digital Converter) 4, a computer 5, an arithmetic unit 6, and a DA converter ( Digital to Analog Converter) 7 and a power supply 8 are provided.
  • PMT photomultiplier tube
  • AD converter Analog to Digital Converter
  • a computer 5 an arithmetic unit 6
  • DA converter Digital to Analog Converter
  • the photomultiplier tube 2 is a structure that converts the light incident on the photomultiplier tube 2 (incident light) into a current signal.
  • the photomultiplier tube 2 includes a photocathode 21, an electron multiplier section 22, and an anode 23 (see FIG. 2).
  • the photocathode 21 is a member (cathode) that converts incident light into photoelectrons.
  • the photocathode 21 generates photoelectrons according to the amount of incident light and emits the photoelectrons to the electron multiplier 22 .
  • the photocathode 21 generates thermoelectrons in the dark and emits the thermoelectrons to the electron multiplier 22 .
  • the dark state is a state in which incident light such as measurement light and background light is blocked.
  • the electron multiplier section 22 is a section that multiplies photoelectrons and thermoelectrons emitted from the photocathode 21 .
  • the electron multiplier section 22 includes a plurality of dynodes.
  • the electron multiplier section 22 includes n dynodes (dynodes Dy1 to Dyn).
  • the dynodes Dy1 to Dyn are arranged in multiple stages from the photocathode 21 toward the anode 23 in that order.
  • the dynode Dy1 emits secondary electrons upon collision with photoelectrons or thermoelectrons emitted from the photocathode 21 . Photoelectrons or thermoelectrons are thereby multiplied.
  • Dynode Dy1 emits secondary electrons to dynode Dy2 together with photoelectrons or thermoelectrons. After that, each of the dynodes Dy2 to Dyn-1 multiplies the electrons emitted from the preceding dynode and emits the multiplied electrons to the succeeding dynode. The final stage dynode Dyn emits the multiplied electrons to the anode 23 .
  • the anode 23 collects the electrons multiplied by the electron multiplier 22 and outputs the collected electrons to the outside of the photomultiplier tube 2 as a current signal.
  • the current signal is an analog signal.
  • the amplifier 3 is a circuit that converts the current signal output from the photomultiplier tube 2 into a voltage signal.
  • the voltage signal is an analog signal.
  • the amplifier 3 converts the current signal into a voltage signal using the conversion factor Acv .
  • Amplifier 3 outputs a voltage signal to AD converter 4 .
  • the AD converter 4 is a circuit that converts the voltage signal output from the amplifier 3 into a digital signal.
  • the AD converter 4 samples the voltage signal at the sampling frequency fs and quantizes the sampled voltage signal with a quantization width ⁇ d to generate a digital signal.
  • AD converter 4 outputs a digital signal to arithmetic unit 6 .
  • the computer 5 sets values of various parameters in the arithmetic device 6 .
  • parameters include parameters for operation mode setting, conversion coefficient A cv , sampling frequency f s , quantization width ⁇ d, and voltage value of the voltage supplied to the photomultiplier tube 2 .
  • a value indicating the operation mode of the photodetector 1 is set in the parameter for setting the operation mode.
  • the operation modes include a photodetection mode in which the photodetector 1 performs normal photodetection and a gain calculation mode in which the photodetector 1 measures (calculates) the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the computing device 6 is a device that performs computation using the digital signal output from the AD converter 4 .
  • the computing device 6 is configured as circuitry including, for example, a processor, a memory, and a communication module. Examples of processors include microcomputers and CPUs (Central Processing Units). An FPGA (Field Programmable Gate Array) may be used instead of the processor.
  • the computing device 6 performs computation according to the operation mode set by the computer 5 .
  • the calculation device 6 calculates the amount of incident light based on the digital signal output from the AD converter 4 .
  • arithmetic device 6 calculates the gain of photomultiplier tube 2 based on the digital signal output from AD converter 4 .
  • the arithmetic device 6 outputs a control voltage corresponding to the voltage value of the supply voltage set by the computer 5 to the power supply 8 via the DA converter 7 .
  • the control voltage is a voltage for causing the power supply 8 to supply a supply voltage having the voltage value.
  • a power supply 8 is a device that applies a supply voltage to the photomultiplier tube 2 .
  • the power supply 8 receives the control voltage via the DA converter 7 and applies a supply voltage corresponding to the control voltage to the photomultiplier tube 2 .
  • the power supply 8 is, for example, a high voltage power supply.
  • the photomultiplier tube 2, amplifier 3, and power supply 8 constitute a PMT module 10.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a dark pulse generated from a photomultiplier tube placed in the dark.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining digital signals acquired by the arithmetic unit shown in FIG.
  • the photomultiplier tube 2 is placed in a dark state where incident light is blocked.
  • the photomultiplier tube 2 is placed, for example, in a dark room.
  • the PMT module 10 may have a light shielding function (light shielding structure) for the photomultiplier tube 2, or the entire PMT module 10 may be arranged in the dark.
  • Thermoelectrons (dark current) are generated from the photocathode 21 even when the photomultiplier tube 2 is placed in the dark.
  • the thermoelectrons are multiplied by the electron multiplier 22 and the multiplied thermoelectrons are output from the anode 23 as an anode current.
  • This anode current has a pulsed waveform and is therefore called a dark pulse.
  • a dark pulse I dark generated in photomultiplier tube 2 is converted by amplifier 3 into a voltage signal V dark . Then, the voltage signal V dark is converted into a digital signal s(t) by the AD converter 4 and the digital signal s(t) is output to the arithmetic device 6 .
  • the computing device 6 calculates the gain of the photomultiplier tube 2 based on the digital signal s(t). A gain calculation method will be described later.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the functional configuration of the arithmetic unit shown in FIG. 1;
  • the computing device 6 functionally includes an acquisition unit 61 , an acquisition unit 62 , a calculation unit 63 , a storage unit 64 and an output unit 65 . Since the function (operation) of each functional unit will be described in detail in the explanation of the gain calculation method which will be described later, the function of each functional unit will be briefly described here.
  • the acquisition unit 61 is a functional unit that acquires the value of each parameter from the computer 5 .
  • the obtaining unit 61 obtains, for example, the parameters for setting the operation mode, the conversion coefficient Acv , the sampling frequency fs , the quantization width ⁇ d, and the voltage value of the voltage supplied to the photomultiplier tube 2 .
  • the acquisition unit 62 is a functional unit that acquires digital signals from the AD converter 4 .
  • the acquisition unit 62 acquires a digital signal corresponding to incident light.
  • the acquisition unit 62 acquires a digital signal based on a dark pulse generated by multiplication of thermoelectrons in the photomultiplier tube 2 .
  • the storage unit 64 is a functional unit that stores (stores) the estimated gain.
  • the storage section 64 stores the estimated gain calculated by the calculation section 63 .
  • the output unit 65 is a functional unit that outputs the calculation result of the calculation unit 63.
  • the output section 65 When the operation mode is set to the light detection mode, the output section 65 outputs the amount of incident light.
  • the output section 65 outputs the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the output section 65 outputs the control voltage to the power supply 8 via the DA converter 7 .
  • FIG. 5 is a flow chart showing a gain calculation method performed by the arithmetic unit shown in FIG.
  • FIG. 6 is a flowchart showing in detail the gain calculation process of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the area of the waveform of the digital signal shown in FIG. A series of processes shown in FIG. 5 is started, for example, when the operation mode is set to the gain calculation mode. Incidentally, as described above, the photomultiplier tube 2 is placed in the dark.
  • the acquiring unit 61 acquires the value of each parameter (step S11).
  • step S ⁇ b>11 the acquisition unit 61 acquires the conversion coefficient A cv , the sampling frequency f s , the quantization width ⁇ d, and the voltage value of the voltage supplied to the photomultiplier tube 2 .
  • the acquisition unit 61 outputs the conversion coefficient A cv , the sampling frequency f s , and the quantization width ⁇ d to the calculation unit 63 and causes the output unit 65 to output the control voltage corresponding to the voltage value.
  • Thermal electrons are generated from the photocathode 21 as described above.
  • the thermal electrons are multiplied by the electron multiplier 22 and a dark pulse I dark is output from the anode 23 .
  • the dark pulse I dark is then converted by the amplifier 3 into a voltage signal V dark .
  • the voltage signal V dark is sampled at the sampling frequency fs , and the sampled voltage signal V dark is quantized with the quantization width ⁇ d to generate the digital signal s(t). be.
  • the digital signal s(t) is input to the arithmetic device 6 . That is, the digital signal s(t) is input to the arithmetic unit 6 as discrete digital values.
  • the acquiring unit 62 acquires the digital signal s(t) based on the dark pulse I dark (step S12). The acquisition unit 62 then outputs the digital signal s(t) to the calculation unit 63 .
  • step S13 gain calculation processing is performed (step S13).
  • step S13 as shown in FIG. 6, the calculator 63 first measures the area S total [unit: count] of the waveform of the digital signal s(t) (step S31).
  • the digital signal s(t) has a pulse-like waveform from start time a to end time b.
  • the area S total is obtained by summing the digital values from the start time a to the end time b.
  • the calculator 63 calculates (measures) the area S total using the formula (1).
  • the calculator 63 calculates the signal amount [unit: V ⁇ s] of the voltage signal V dark (step S32).
  • the physical quantity ⁇ s [unit: V s/count] per unit bit (unit area) of the digital value is obtained by dividing the quantization width ⁇ d [unit: V/count] by the sampling frequency f s It is obtained by dividing by [unit: Hz].
  • the signal amount of the voltage signal V dark is obtained by multiplying the area S total by the physical quantity ⁇ s.
  • the calculation unit 63 calculates the signal amount of the voltage signal V dark using Equation (3).
  • the signal amount of the voltage signal V dark may be expressed as "V dark " in the mathematical expressions.
  • the calculator 63 calculates the current amount [unit: A ⁇ s] of the dark pulse I dark (step S33). Since the amplifier 3 converts the current signal into a voltage signal, the current amount of the dark pulse I dark can be obtained from the signal amount of the voltage signal V dark by using this inverse conversion. Specifically, as shown in Equation (4), the current amount of the dark pulse I dark is obtained by multiplying the signal amount of the voltage signal V dark by the reciprocal of the conversion coefficient A cv [unit: V/A]. Desired. The calculation unit 63 calculates the current amount of the dark pulse I dark using Equation (4). For convenience of explanation, the current amount of the dark pulse I dark may be expressed as "I dark " in the mathematical formula.
  • the calculator 63 calculates the coulomb amount [unit: C] of the dark pulse I dark (step S34).
  • 1 coulomb [C] is defined as the amount of electricity carried when a current of 1 ampere [A] flows for 1 second [s]. Therefore, 1 [A ⁇ s] can be replaced with 1 [C]. Therefore, as shown in equation (5), the coulomb amount of the dark pulse I dark is the same value as the current amount of the dark pulse I dark .
  • the calculator 63 calculates the coulomb amount of the dark pulse I dark using Equation (5).
  • the calculator 63 calculates the total number of electrons D electron [unit: number] of the dark pulse I dark (step S35).
  • the amount of electric charge [C] per electron is called the elementary charge e. Therefore, as shown in equation (6), the total number of electrons D electron is obtained by dividing the Coulomb amount of the dark pulse I dark by the elementary charge e.
  • the calculator 63 calculates the total number of electrons D electron using the equation (6). That is, the calculation unit 63 calculates the area S total of the waveform of the digital signal s(t), and the physical quantity ⁇ s per unit bit (unit area) obtained by dividing the quantization width ⁇ d by the sampling frequency fs .
  • the total number of electrons D electron is calculated by multiplying the area S total by the reciprocal of the conversion coefficient A cv and dividing the multiplication result by the elementary charge e.
  • the calculator 63 calculates the estimated gain ⁇ [unit: times] (step S36).
  • the total number of electrons D electron is obtained by multiplying the number of electrons K electron [unit: pieces] incident on the first dynode Dy1 from the photocathode 21 (cathode) by the estimated gain ⁇ . sought by
  • the dark pulse is mainly caused by thermoelectrons from the photocathode 21 .
  • a dark pulse is discretely generated, and in most cases is generated from a single thermoelectron. From this, equation (7) can be simplified as equation (8).
  • Equation (8) indicates that the total number of electrons D electron and the estimated gain ⁇ have the same value in an environment (dark state) in which thermal electrons can be measured. Therefore, the expression (9) is obtained by interchanging the right side and the left side of the expression (8).
  • the calculation unit 63 calculates the estimated gain ⁇ using Equation (9).
  • the calculation unit 63 stores the estimated gain ⁇ in the storage unit 64 (step S14).
  • step S15 the calculation unit 63 determines whether or not to end the measurement.
  • step S15 the calculator 63 determines not to end the measurement when the estimated gain ⁇ for the preset number of calculations has not been calculated.
  • the calculation unit 63 determines to end the measurement when the estimated gain ⁇ for the number of calculations is calculated.
  • the number of calculations is set to, for example, about 1000 times. If it is determined in step S15 that the measurement should not be terminated (step S15; NO), steps S12 to S15 are performed again.
  • step S15 when it is determined in step S15 that the measurement is finished (step S15; YES), the calculation unit 63 reads out the estimated gains ⁇ for the number of calculations from the storage unit 64, and calculates the average value of the estimated gains ⁇ for the number of calculations. is calculated (step S16). The calculator 63 then outputs the average value to the output unit 65 as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the output unit 65 outputs the gain to the outside of the calculation device 6 (step S17).
  • the output unit 65 outputs the gain to the computer 5 together with the voltage value of the supply voltage, for example.
  • the computer 5 associates and stores the voltage value of the supply voltage and the gain.
  • step S11 may be performed before the operation mode is set to the gain calculation mode.
  • 1 [C] is equal to 1 [A ⁇ s]
  • the coulomb amount of the dark pulse I dark is 1 ⁇ 10 ⁇ 12 C.
  • the elementary charge e is 1.602 ⁇ 10 ⁇ 19 C
  • the number of electrons D electron is 6.24 ⁇ 10 6 ( ⁇ (1 ⁇ 10 ⁇ 12 )/(1.602 ⁇ 10 ⁇ 19 )). Since 6.24 ⁇ 10 6 electrons are generated from one thermoelectron, the estimated gain ⁇ is estimated to be 6.24 ⁇ 10 6 .
  • the above calculations are performed for the digital signal s(t) of 1000 or more waveforms, and the average value of the estimated gains ⁇ obtained by these calculations is used as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the acquisition unit 61 acquires the conversion coefficient A cv , the sampling frequency f s , the quantization width ⁇ d, the voltage value of the voltage supplied to the photomultiplier tube 2, and the gain associated with the voltage value as parameter values. Acquired from the computer 5 . Then, the acquisition unit 61 outputs the conversion coefficient A cv , the sampling frequency f s , the quantization width ⁇ d, and the gain to the calculation unit 63 and causes the output unit 65 to output the control voltage according to the voltage value.
  • the acquisition unit 62 acquires the digital signal s(t) based on the incident light and outputs the digital signal s(t) to the calculation unit 63 .
  • the calculation unit 63 calculates the incident light amount from the digital signal s(t) using the conversion coefficient A cv , the sampling frequency f s , the quantization width ⁇ d, and the gain, and outputs the incident light amount to the output unit 65.
  • the output unit 65 outputs the amount of incident light to the outside of the computing device 6 .
  • the digital signal s(t) based on the dark pulse I dark output from the photomultiplier tube 2 placed in the dark is obtained.
  • the total number of electrons D electron of the dark pulse I dark is calculated based on the digital signal s(t).
  • a single thermoelectron is generated and multiplied by the single thermoelectron to produce a dark pulse I dark . Therefore, since the total number of electrons D electron of the dark pulse I dark can correspond to the estimated gain ⁇ , the gain of the photomultiplier tube 2 can be calculated based on the total number of electrons D electron .
  • the arithmetic device 6 and the gain calculation method there is no need to provide a dedicated circuit for measuring the gain, a structure for stabilizing the gain, and a reference light source. , the gain of the photomultiplier tube 2 can be calculated.
  • the digital signal s(t) acquired by the arithmetic unit 6 is obtained by the voltage signal V dark obtained by current-voltage conversion of the dark pulse I dark using the conversion coefficient Acv by the amplifier 3, and the voltage signal V dark obtained by sampling by the AD converter 4. It is generated by quantizing at frequency fs .
  • the calculator 63 calculates the total number of electrons D electron based on the digital signal s (t), the conversion coefficient Acv , and the sampling frequency fs. According to this configuration, the conversion coefficient A cv and the sampling frequency f s used to generate the digital signal s(t) are taken into account, so the calculation accuracy of the total number of electrons D electron can be improved. As a result, it becomes possible to improve the calculation accuracy of the gain.
  • the coulomb amount of the dark pulse I dark is obtained by multiplying the waveform area S total of the digital signal s(t) by the physical quantity ⁇ s and the reciprocal of the conversion coefficient Acv . Then, the total electron number D electron of the dark pulse I dark is obtained by dividing the coulomb quantity of the dark pulse I dark by the elementary charge e. Since the physical quantity ⁇ s, the conversion coefficient A cv , and the elementary electric charge e are constant values, the gain can be easily calculated simply by obtaining the area S total .
  • the total number of electrons D electron may vary for each dark pulse I dark .
  • the calculator 63 calculates the total number of electrons D electron for each of the dark pulses I dark for a predetermined number of calculations, and calculates the gain based on these total number of electrons D electron .
  • the calculator 63 calculates the average value of the estimated gain ⁇ obtained from each dark pulse I dark as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the calculator 63 calculates the average value of the total number of electrons D electron of the dark pulses I dark for the number of calculations as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • photodetector according to the present disclosure is not limited to the above embodiments.
  • each parameter may be set from an external computer.
  • the photodetector 1 may not have the computer 5 .
  • a supply voltage may be supplied to the photomultiplier tube 2 from an external power source.
  • the photodetector 1 does not have to include the DA converter 7 and the power supply 8 .
  • the calculator 63 uses the average value of the estimated gains obtained from a plurality of dark pulses as the gain of the photomultiplier tube 2, but the method of calculating the gain of the photomultiplier tube 2 is limited to this. can't
  • the calculator 63 may use the estimated gain obtained from one dark pulse as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the calculator 63 may calculate the median value of the estimated gain obtained from a plurality of dark pulses as the gain of the photomultiplier tube 2 .
  • the calculator 63 may calculate the gain for another supply voltage based on the gain calculated for one supply voltage.
  • Another supply voltage is a supply voltage different from the supply voltage to the photomultiplier tube 2 when a dark pulse is generated in the gain calculation mode.
  • the gain of the photomultiplier tube 2 can be expressed using a constant A, the voltage value V of the supply voltage, and the value kn.
  • the value kn is a value determined by the structure of the photomultiplier tube 2 .
  • the relationship between the supply voltage and the gain becomes a straight line with a slope equal to the value kn when drawn as a log-log graph.
  • the gain at one supply voltage can be used to calculate the gain at another supply voltage. Therefore, the gain at various supply voltages can be calculated without acquiring the dark pulse. As a result, it becomes possible to simplify the calculation of the gain for various supply voltages.
  • the computing device 6 may calculate the gain for each of the plurality of supply voltages using the gain calculation method described above.
  • the photodetector 1 may further include a light source capable of outputting a predetermined amount of weak light (for example, a single-photon light source).
  • a light source capable of outputting a predetermined amount of weak light
  • the arithmetic unit 6 acquires the digital signal of the weak light from the light source together with the digital signal based on the dark pulse, and based on these digital signals, may be used to calculate the gain.
  • the photodetector 1 may not include the light source described above, and a light source external to the photodetector 1 may be used when calculating the gain.

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Abstract

演算装置は、光電子増倍管のゲインを算出する装置であって、暗中状態に置かれた光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号を取得する取得部と、デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数を算出し、総電子数に基づいて光電子増倍管のゲインを算出する算出部と、を備える。

Description

演算装置、光検出装置、及びゲイン算出方法
　本開示は、演算装置、光検出装置、及びゲイン算出方法に関する。
　光電子増倍管を含む光検出装置が知られている（例えば、特許文献１）。このような光検出装置では、光電子増倍管からの出力信号に基づいて、光電子増倍管に入射した光の光量（入射光量）が算出される。
特開２０１４－９２７７４号公報
　光電子増倍管からの出力信号から入射光量を求めるために、光電子増倍管のゲインが用いられる。このゲインは光電子増倍管の周囲の環境及び使用状況によって変化し得るので、ゲインを測定することが求められる。ゲインを測定するための専用の回路を設けることも考えられるが、回路構造が複雑化する。
　本開示は、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管のゲインを算出可能な演算装置、光検出装置、及びゲイン算出方法を説明する。
　本開示の一側面に係る演算装置は、光電子増倍管のゲインを算出する装置である。この演算装置は、暗中状態に置かれた前記光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号を取得する取得部と、デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数を算出し、総電子数に基づいてゲインを算出する算出部と、を備える。
　この演算装置では、暗中状態に置かれた光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号が取得され、当該デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数が算出される。光電子増倍管が暗中状態に置かれている場合、１個の熱電子が発生し、１個の熱電子が増倍されることによってダークパルスが生じ得る。したがって、ダークパルスの総電子数が光電子増倍管のゲインに相当し得るので、総電子数に基づいてゲインが算出され得る。このように、ゲインを測定するための専用の回路を設ける必要が無いので、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管のゲインを算出することが可能となる。
　デジタル信号は、アンプが変換係数を用いてダークパルスを電流電圧変換することによって得られた電圧信号を、ＡＤ変換器がサンプリング周波数で量子化することによって生成されてもよい。算出部は、デジタル信号と、変換係数と、サンプリング周波数と、に基づいて、総電子数を算出してもよい。この場合、デジタル信号を生成するために用いられた変換係数及びサンプリング周波数が考慮されるので、総電子数の算出精度を向上させることができる。その結果、ゲインの算出精度を向上させることが可能となる。
　算出部は、デジタル信号の波形の面積を算出し、ＡＤ変換器の量子化幅をサンプリング周波数で除算することによって得られる単位面積あたりの物理量と変換係数の逆数とを上記面積に乗算し、乗算結果を電気素量で除算することによって総電子数を算出してもよい。この場合、デジタル信号の波形の面積に単位面積あたりの物理量と変換係数の逆数とを乗算することによってダークパルスのクーロン量が得られる。そして、ダークパルスのクーロン量を電気素量で除算することによってダークパルスの総電子数が得られる。単位面積あたりの物理量、変換係数、及び電気素量は、いずれも一定値であるので、デジタル信号の波形の面積を求めるだけで、ゲインを容易に算出することができる。
　算出部は、複数のダークパルスのそれぞれについて総電子数を算出してもよく、複数のダークパルスの総電子数に基づいてゲインを算出してもよい。ダークパルスごとに総電子数がばらつくことがある。したがって、複数のダークパルスの総電子数を算出し、それらの総電子数を用いることによってゲインの算出精度を向上させることができる。
　算出部は、ゲインに基づいて、ダークパルスを生じた際の光電子増倍管への供給電圧とは異なる供給電圧における別のゲインを算出してもよい。この場合、１つの供給電圧におけるゲインを用いて、別の供給電圧におけるゲインが算出される。したがって、ダークパルスを取得することなく様々な供給電圧におけるゲインを算出することができる。その結果、様々な供給電圧におけるゲインの算出を簡易化することが可能となる。
　本開示の別の側面に係る光検出装置は、光電子増倍管と、上記演算装置と、を備える。
　この光検出装置は上述の演算装置を備えるので、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管のゲインを算出することが可能となる。
　本開示の更に別の側面に係るゲイン算出方法は、光電子増倍管のゲインを算出する方法である。このゲイン算出方法は、暗中状態に置かれた前記光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号を取得するステップと、デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数を算出し、総電子数に基づいてゲインを算出するステップと、を含む。
　このゲイン算出方法では、暗中状態に置かれた光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号が取得され、当該デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数が算出される。光電子増倍管が暗中状態に置かれている場合、１個の熱電子が発生し、１個の熱電子が増倍されることによってダークパルスが生じ得る。したがって、ダークパルスの総電子数が光電子増倍管のゲインに相当し得るので、総電子数に基づいてゲインが算出され得る。このように、ゲインを測定するための専用の回路を設ける必要が無いので、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管のゲインを算出することが可能となる。
　本開示によれば、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管のゲインを算出することができる。
図１は、一実施形態に係る演算装置を含む光検出装置を概略的に示す構成図である。 図２は、暗中状態に置かれた光電子増倍管から生じるダークパルスを説明するための図である。 図３は、図１に示される演算装置が取得するデジタル信号を説明するための図である。 図４は、図１に示される演算装置の機能構成を示すブロック図である。 図５は、図１に示される演算装置が行うゲイン算出方法を示すフローチャートである。 図６は、図５のゲイン計算処理を詳細に示すフローチャートである。 図７は、図３に示されるデジタル信号の波形の面積を説明するための図である。
　以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号が付され、重複する説明は省略される。
　図１を参照しながら、一実施形態に係る演算装置を含む光検出装置の概略構成を説明する。図１は、一実施形態に係る演算装置を含む光検出装置を概略的に示す構成図である。図１に示される光検出装置１は、光を検出する装置である。光検出装置１は、光電子増倍管（photo-multiplier　tube；ＰＭＴ）２と、アンプ３と、ＡＤ変換器（Analog　to　Digital　Converter）４と、コンピュータ５と、演算装置６と、ＤＡ変換器（Digital　to　Analog　Converter）７と、電源８と、を備えている。
　光電子増倍管２は、光電子増倍管２に入射した光（入射光）を電流信号に変換する構造体である。光電子増倍管２は、光電面２１と、電子増倍部２２と、アノード２３と、を含む（図２参照）。光電面２１は、入射光を光電子に変換する部材（カソード）である。光電面２１は、入射光量に応じて光電子を生じ、光電子を電子増倍部２２に放出する。光電面２１は、暗中状態において熱電子を生じ、熱電子を電子増倍部２２に放出する。暗中状態とは、測定光及び背景光といった入射光が遮断されている状態である。
　電子増倍部２２は、光電面２１から放出された光電子及び熱電子を増倍する部分である。電子増倍部２２は、複数のダイノードを含む。本実施形態では、電子増倍部２２は、ｎ個のダイノード（ダイノードＤｙ１～Ｄｙｎ）を含む。ダイノードＤｙ１～Ｄｙｎは、その順に光電面２１からアノード２３に向かって多段に配列されている。ダイノードＤｙ１は、光電面２１から放出された光電子又は熱電子が衝突することによって二次電子を放出する。これにより、光電子又は熱電子が増倍される。ダイノードＤｙ１は、光電子又は熱電子とともに二次電子をダイノードＤｙ２に放出する。以降、ダイノードＤｙ２～Ｄｙｎ－１の各ダイノードは、前段のダイノードから放出された電子を増倍し、増倍した電子を後段のダイノードに放出する。最終段のダイノードＤｙｎは、増倍した電子をアノード２３に放出する。アノード２３は、電子増倍部２２において増倍された電子を収集し、収集した電子を電流信号として光電子増倍管２の外部に出力する。電流信号は、アナログ信号である。
　アンプ３は、光電子増倍管２から出力された電流信号を電圧信号に変換する回路である。電圧信号は、アナログ信号である。アンプ３は、変換係数Ａｃｖを用いて電流信号を電圧信号に変換する。アンプ３は、電圧信号をＡＤ変換器４に出力する。
　ＡＤ変換器４は、アンプ３から出力された電圧信号をデジタル信号に変換する回路である。ＡＤ変換器４は、サンプリング周波数ｆｓで電圧信号をサンプリングし、サンプリングされた電圧信号を量子化幅Δｄで量子化することによって、デジタル信号を生成する。ＡＤ変換器４は、デジタル信号を演算装置６に出力する。
　コンピュータ５は、演算装置６に各種パラメータの値を設定する。パラメータの例としては、動作モード設定用のパラメータ、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、及び光電子増倍管２への供給電圧の電圧値が挙げられる。動作モード設定用のパラメータには、光検出装置１の動作モードを示す値が設定される。動作モードは、光検出装置１が通常の光検出を行う光検出モードと、光検出装置１が光電子増倍管２のゲインを測定（算出）するゲイン算出モードと、を含む。
　演算装置６は、ＡＤ変換器４から出力されたデジタル信号を用いて演算を行う装置である。演算装置６は、例えば、プロセッサと、メモリと、通信モジュールと、を含む回路（circuitry）として構成される。プロセッサの例としては、マイクロコンピュータ及びＣＰＵ（Central　Processing　Unit）が挙げられる。プロセッサに代えて、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）が用いられてもよい。
　演算装置６は、コンピュータ５によって設定された動作モードに応じた演算を行う。動作モードが光検出モードに設定されている場合には、演算装置６は、ＡＤ変換器４から出力されたデジタル信号に基づいて入射光量を算出する。動作モードがゲイン算出モードに設定されている場合には、演算装置６は、ＡＤ変換器４から出力されたデジタル信号に基づいて光電子増倍管２のゲインを算出する。演算装置６は、コンピュータ５によって設定された供給電圧の電圧値に応じたコントロール電圧を、ＤＡ変換器７を介して電源８に出力する。コントロール電圧は、電源８に当該電圧値を有する供給電圧を供給させるための電圧である。演算装置６の機能構成については後述する。
　電源８は、光電子増倍管２に供給電圧を印加する装置である。電源８は、ＤＡ変換器７を介してコントロール電圧を受け取り、コントロール電圧に応じた供給電圧を光電子増倍管２に印加する。電源８は、例えば、高圧電源である。
　なお、光電子増倍管２、アンプ３、及び電源８によってＰＭＴモジュール１０が構成されている。
　次に、図２及び図３を参照しながら、ゲイン算出モードにおける光検出装置１の動作を説明する。図２は、暗中状態に置かれた光電子増倍管から生じるダークパルスを説明するための図である。図３は、図１に示される演算装置が取得するデジタル信号を説明するための図である。図２に示されるように、光検出装置１がゲイン算出モードで動作する場合、光電子増倍管２は、入射光が遮断された暗中状態に置かれる。光電子増倍管２は、例えば、暗室に配置される。ＰＭＴモジュール１０が光電子増倍管２に対する遮光機能（遮光構造）を有していてもよいし、ＰＭＴモジュール１０全体が暗中に配置されてもよい。光電子増倍管２が暗中状態に置かれている場合でも、光電面２１から熱電子（暗電流）が発生する。この熱電子が電子増倍部２２において増倍され、増倍された熱電子がアノード電流としてアノード２３から出力される。このアノード電流は、パルス状の波形を有するので、ダークパルスと称される。
　図３に示されるように、光電子増倍管２において発生したダークパルスＩｄａｒｋがアンプ３によって電圧信号Ｖｄａｒｋに変換される。そして、電圧信号ＶｄａｒｋがＡＤ変換器４によってデジタル信号ｓ（ｔ）に変換され、デジタル信号ｓ（ｔ）が演算装置６に出力される。演算装置６は、デジタル信号ｓ（ｔ）に基づいて光電子増倍管２のゲインを算出する。ゲイン算出方法については後述する。
　次に、図４を参照しながら、演算装置６の機能構成を説明する。図４は、図１に示される演算装置の機能構成を示すブロック図である。図４に示されるように、演算装置６は、機能的には、取得部６１と、取得部６２と、算出部６３と、記憶部６４と、出力部６５と、を含む。後述のゲイン算出方法の説明において、各機能部の機能（動作）を詳細に説明するので、ここでは各機能部の機能を簡単に説明する。
　取得部６１は、コンピュータ５から各パラメータの値を取得する機能部である。取得部６１は、例えば、動作モード設定用のパラメータ、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、及び光電子増倍管２への供給電圧の電圧値を取得する。
　取得部６２は、ＡＤ変換器４からデジタル信号を取得する機能部である。動作モードが光検出モードに設定されている場合には、取得部６２は、入射光に応じたデジタル信号を取得する。動作モードがゲイン算出モードに設定されている場合には、取得部６２は、光電子増倍管２において熱電子が増倍されることによって生じたダークパルスに基づくデジタル信号を取得する。
　算出部６３は、各種計算を行う機能部である。動作モードが光検出モードに設定されている場合には、算出部６３は、デジタル信号に基づいて入射光量を算出する。動作モードがゲイン算出モードに設定されている場合には、算出部６３は、デジタル信号に基づいてダークパルスの総電子数を算出し、総電子数に基づいて光電子増倍管２のゲインを算出する。算出部６３は、１つのダークパルスの総電子数を推定ゲインとして算出し、複数のダークパルスの推定ゲインに基づいて光電子増倍管２のゲインを算出してもよい。推定ゲインは、１つのダークパルス（デジタル信号）から算出されたゲインであり、電子増倍率とも称される。一方、複数のダークパルスの推定ゲイン（電子増倍率）に基づいて算出される平均値から得られる光電子増倍管２のゲインは、電流増倍率とも称される。
　記憶部６４は、推定ゲインを記憶（格納）する機能部である。記憶部６４は、算出部６３によって算出された推定ゲインを記憶する。
　出力部６５は、算出部６３の計算結果を出力する機能部である。動作モードが光検出モードに設定されている場合には、出力部６５は、入射光量を出力する。動作モードがゲイン算出モードに設定されている場合には、出力部６５は、光電子増倍管２のゲインを出力する。出力部６５は、ＤＡ変換器７を介してコントロール電圧を電源８に出力する。
　次に、図５～図７を参照しながら、演算装置６が行うゲイン算出方法を説明する。図５は、図１に示される演算装置が行うゲイン算出方法を示すフローチャートである。図６は、図５のゲイン計算処理を詳細に示すフローチャートである。図７は、図３に示されるデジタル信号の波形の面積を説明するための図である。図５に示される一連の処理は、例えば、動作モードがゲイン算出モードに設定されたことによって開始される。なお、上述のように、光電子増倍管２は、暗中状態に置かれている。
　図５に示されるように、まず、取得部６１が各パラメータの値を取得する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、取得部６１は、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、及び光電子増倍管２への供給電圧の電圧値を取得する。そして、取得部６１は、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、及び量子化幅Δｄを算出部６３に出力するとともに、電圧値に応じたコントロール電圧を出力部６５に出力させる。
　上述のように、光電面２１から熱電子が発生する。この熱電子が電子増倍部２２において増倍され、アノード２３からダークパルスＩｄａｒｋが出力される。そして、ダークパルスＩｄａｒｋがアンプ３によって電圧信号Ｖｄａｒｋに変換される。そして、ＡＤ変換器４において、サンプリング周波数ｆｓで電圧信号Ｖｄａｒｋがサンプリングされ、サンプリングされた電圧信号Ｖｄａｒｋが量子化幅Δｄで量子化されることによって、デジタル信号ｓ（ｔ）が生成される。そして、デジタル信号ｓ（ｔ）が演算装置６に入力される。つまり、デジタル信号ｓ（ｔ）は、離散的なデジタル値として演算装置６に入力される。時間ｔは離散時間であり、サンプリング時間（＝１／ｆｓ）ごとに１増加する。
　続いて、取得部６２がダークパルスＩｄａｒｋに基づくデジタル信号ｓ（ｔ）を取得する（ステップＳ１２）。そして、取得部６２は、デジタル信号ｓ（ｔ）を算出部６３に出力する。
　続いて、ゲイン計算処理が行われる（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、図６に示されるように、まず算出部６３がデジタル信号ｓ（ｔ）の波形の面積Ｓｔｏｔａｌ［単位：ｃｏｕｎｔ］を測定する（ステップＳ３１）。図７に示されるように、本実施形態では、デジタル信号ｓ（ｔ）は、開始時間ａから終了時間ｂまでのパルス状の波形を有する。式（１）に示されるように、面積Ｓｔｏｔａｌは、開始時間ａから終了時間ｂまでのデジタル値を合計することによって求められる。算出部６３は、式（１）を用いて面積Ｓｔｏｔａｌを算出（測定）する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　続いて、算出部６３は、電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量［単位：Ｖ・ｓ］を算出する（ステップＳ３２）。式（２）に示されるように、デジタル値の単位ビット（単位面積）あたりの物理量Δｓ［単位：Ｖ・ｓ／ｃｏｕｎｔ］は、量子化幅Δｄ［単位：Ｖ／ｃｏｕｎｔ］をサンプリング周波数ｆｓ［単位：Ｈｚ］で除算することによって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（３）に示されるように、電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量は、面積Ｓｔｏｔａｌに物理量Δｓを乗算することによって求められる。算出部６３は、式（３）を用いて電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量を算出する。なお、説明の便宜上、数式において電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量を「Ｖｄａｒｋ」と表すことがある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　続いて、算出部６３は、ダークパルスＩｄａｒｋの電流量［単位：Ａ・ｓ］を算出する（ステップＳ３３）。アンプ３は電流信号を電圧信号に変換しているので、この逆変換を用いることで電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量からダークパルスＩｄａｒｋの電流量が求められる。具体的には、式（４）に示されるように、ダークパルスＩｄａｒｋの電流量は、電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量に変換係数Ａｃｖ［単位：Ｖ／Ａ］の逆数を乗算することによって求められる。算出部６３は、式（４）を用いてダークパルスＩｄａｒｋの電流量を算出する。なお、説明の便宜上、数式においてダークパルスＩｄａｒｋの電流量を「Ｉｄａｒｋ」と表すことがある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　続いて、算出部６３は、ダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量［単位：Ｃ］を算出する（ステップＳ３４）。一般的に、１クーロン［Ｃ］は、１アンペア［Ａ］の電流が１秒間［ｓ］流れた時に運ばれる電気量と定義される。したがって、１［Ａ・ｓ］は、１［Ｃ］に置き換えることができる。したがって、式（５）に示されるように、ダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量は、ダークパルスＩｄａｒｋの電流量と同じ値となる。算出部６３は、式（５）を用いてダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　続いて、算出部６３は、ダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎ［単位：個］を算出する（ステップＳ３５）。一般的に、電子１個あたりの電荷量［Ｃ］は、電気素量ｅと称される。したがって、式（６）に示されるように、総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎは、ダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量を電気素量ｅで除算することによって求められる。算出部６３は、式（６）を用いて総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎを算出する。つまり、算出部６３は、デジタル信号ｓ（ｔ）の波形の面積Ｓｔｏｔａｌを算出し、量子化幅Δｄをサンプリング周波数ｆｓで除算することによって得られる単位ビット（単位面積）あたりの物理量Δｓと変換係数Ａｃｖの逆数とを面積Ｓｔｏｔａｌに乗算し、その乗算結果を電気素量ｅで除算することによって総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　続いて、算出部６３は、推定ゲインμ［単位：倍］を算出する（ステップＳ３６）。式（７）に示されるように、総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎは、光電面２１（カソード）から１番目のダイノードＤｙ１に入射した電子数Ｋｅｌｅｃｔｒｏｎ［単位：個］と推定ゲインμとを乗算することによって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、ダークパルスは、光電面２１からの熱電子に主に起因して発生する。ダークパルスは、離散的に発生するとともに、ほとんどの場合には１個の熱電子を起因として発生する。このことから、式（７）は、式（８）として簡略化され得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（８）は、熱電子を測定可能な環境（暗中状態）においては総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎと推定ゲインμとが同じ値となることを示している。よって、式（８）の右辺と左辺とを入れ替えることによって、式（９）が得られる。算出部６３は、式（９）を用いて推定ゲインμを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　以上により、ゲイン計算処理が終了する。そして、算出部６３は、推定ゲインμを記憶部６４に格納する（ステップＳ１４）。
　続いて、算出部６３は、測定を終了するか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５では、算出部６３は、予め設定された算出回数分の推定ゲインμが算出されていない場合に、測定を終了しないと判定する。算出部６３は、上記算出回数分の推定ゲインμが算出された場合に、測定を終了すると判定する。算出回数は、例えば、１０００回程度に設定される。ステップＳ１５において、測定を終了しないと判定された場合（ステップＳ１５；ＮＯ）、ステップＳ１２～Ｓ１５が再び行われる。
　一方、ステップＳ１５において、測定を終了すると判定された場合（ステップＳ１５；ＹＥＳ）、算出部６３は、記憶部６４から算出回数分の推定ゲインμを読み出し、算出回数分の推定ゲインμの平均値を計算する（ステップＳ１６）。そして、算出部６３は、平均値を光電子増倍管２のゲインとして出力部６５に出力する。
　続いて、出力部６５は、算出部６３からゲインを受け取ると、ゲインを演算装置６の外部に出力する（ステップＳ１７）。出力部６５は、例えば、供給電圧の電圧値とともにゲインをコンピュータ５に出力する。そして、コンピュータ５は、供給電圧の電圧値とゲインとを対応付けて記憶する。
　以上により、ゲイン算出方法の一連の処理が終了する。なお、推定ゲインμは式（９）によって求められるので、面積Ｓｔｏｔａｌが測定されれば、推定ゲインμは算出され得る。したがって、ステップＳ３２～Ｓ３５は省略されてもよい。ステップＳ１１の少なくとも一部は、動作モードがゲイン算出モードに設定される前に実施されてもよい。
　例えば、測定条件として、サンプリング周波数ｆｓが１００ＭＳＰＳ（Mega-sample(s)　per　second）に設定され、量子化幅Δｄが０．１ｍＶ／ｃｏｕｎｔに設定され、変換係数Ａｃｖが０．１Ｖ／μＡに設定されたと仮定する。この測定条件において観測されたデジタル信号ｓ（ｔ）の波形の面積Ｓｔｏｔａｌが１×１０５ｃｏｕｎｔであったとする。式（３）から、電圧信号Ｖｄａｒｋの信号量は、１×１０－７Ｖ・ｓ（＝１×１０５×｛１／（１００×１０６）｝×（０．１×１０－３））と算出される。
　さらに、式（４）から、ダークパルスＩｄａｒｋの電流量は、１×１０－１２Ａ・ｓ（＝１×１０－７×１０×１０－６）と算出される。上述のように、１［Ｃ］は、１［Ａ・ｓ］と等しいので、ダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量は、１×１０－１２Ｃとなる。電気素量ｅは１．６０２×１０－１９Ｃであるので、式（６）から電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎは、６．２４×１０６個（≒（１×１０－１２）／（１．６０２×１０－１９））と算出される。１個の熱電子から６．２４×１０６個の電子が発生したことから、推定ゲインμは６．２４×１０６と推定される。
　以上の計算が１０００波形以上のデジタル信号ｓ（ｔ）に対して行われ、これらの計算によって得られた推定ゲインμの平均値が光電子増倍管２のゲインとされる。
　次に、動作モードが光検出モードに設定された場合の演算装置６の動作について簡単に説明する。まず取得部６１が、パラメータの値として、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、光電子増倍管２への供給電圧の電圧値、及び当該電圧値に対応付けられたゲインをコンピュータ５から取得する。そして、取得部６１は、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、及びゲインを算出部６３に出力するとともに、電圧値に応じたコントロール電圧を出力部６５に出力させる。
　そして、取得部６２が入射光に基づくデジタル信号ｓ（ｔ）を取得し、デジタル信号ｓ（ｔ）を算出部６３に出力する。そして、算出部６３は、変換係数Ａｃｖ、サンプリング周波数ｆｓ、量子化幅Δｄ、及びゲインを用いて、デジタル信号ｓ（ｔ）から入射光量を算出し、入射光量を出力部６５に出力する。そして、出力部６５は、入射光量を演算装置６の外部に出力する。以上により、光検出モードにおける一連の処理が終了する。
　以上説明した光検出装置１、演算装置６、及びゲイン算出方法では、暗中状態に置かれた光電子増倍管２から出力されたダークパルスＩｄａｒｋに基づくデジタル信号ｓ（ｔ）が取得され、当該デジタル信号ｓ（ｔ）に基づいてダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎが算出される。光電子増倍管２が暗中状態に置かれている場合、１個の熱電子が発生し、１個の熱電子が増倍されることによってダークパルスＩｄａｒｋが生じ得る。したがって、ダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎが推定ゲインμに相当し得るので、総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎに基づいて光電子増倍管２のゲインが算出され得る。
　上述のように、デジタル信号ｓ（ｔ）から入射光量を算出するために用いられるパラメータ値のほとんどが一定値であるが、ゲインは光電子増倍管２の周囲環境及び使用状況に応じて変化し得る。ゲインを測定するための測定回路を設けることが考えられるが、回路構造が複雑化するおそれがある。ゲインを安定化させる構造を採用することも考えられるが、光電子増倍管２が大型化するおそれがある。基準光源を搭載することも考えられるが、基準光源を高安定化させる必要があり、光検出装置１が大型化するおそれがある。光検出装置１、演算装置６、及びゲイン算出方法では、ゲインを測定するための専用の回路、ゲインを安定化させる構造、及び基準光源を設ける必要が無いので、回路構造の複雑化を抑えつつ、光電子増倍管２のゲインを算出することが可能となる。
　演算装置６が取得するデジタル信号ｓ（ｔ）は、アンプ３が変換係数Ａｃｖを用いてダークパルスＩｄａｒｋを電流電圧変換することによって得られた電圧信号Ｖｄａｒｋを、ＡＤ変換器４がサンプリング周波数ｆｓで量子化することによって生成される。算出部６３は、デジタル信号ｓ（ｔ）と、変換係数Ａｃｖと、サンプリング周波数ｆｓと、に基づいて、総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎを算出する。この構成によれば、デジタル信号ｓ（ｔ）を生成するために用いられた変換係数Ａｃｖ及びサンプリング周波数ｆｓが考慮されるので、総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎの算出精度を向上させることができる。その結果、ゲインの算出精度を向上させることが可能となる。
　具体的には、デジタル信号ｓ（ｔ）の波形の面積Ｓｔｏｔａｌに物理量Δｓと変換係数Ａｃｖの逆数とを乗算することによってダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量が得られる。そして、ダークパルスＩｄａｒｋのクーロン量を電気素量ｅで除算することによってダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎが得られる。物理量Δｓ、変換係数Ａｃｖ、及び電気素量ｅは一定値であるので、面積Ｓｔｏｔａｌを求めるだけで、ゲインを容易に算出することができる。
　ダークパルスＩｄａｒｋごとに総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎがばらつくことがある。これに対して、算出部６３は、予め定められた算出回数分のダークパルスＩｄａｒｋのそれぞれについて総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎを算出し、これらの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎに基づいてゲインを算出する。具体的には、算出部６３は、各ダークパルスＩｄａｒｋから得られた推定ゲインμの平均値を光電子増倍管２のゲインとして算出する。言い換えると、算出部６３は、算出回数分のダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎの平均値を光電子増倍管２のゲインとして算出する。このように、複数のダークパルスＩｄａｒｋの総電子数Ｄｅｌｅｃｔｒｏｎを用いることによってゲインの算出精度を向上させることができる。
　なお、本開示に係る光検出装置は上記実施形態に限定されない。
　外部のコンピュータから各パラメータの値が設定されてもよい。この場合、光検出装置１は、コンピュータ５を備えていなくてもよい。外部の電源から光電子増倍管２に供給電圧の供給を受けてもよい。この場合、光検出装置１は、ＤＡ変換器７及び電源８を備えていなくてもよい。
　上記実施形態では、算出部６３は、複数回のダークパルスから得られた推定ゲインの平均値を光電子増倍管２のゲインとしているが、光電子増倍管２のゲインの算出方法はこれに限られない。例えば、算出部６３は、１つのダークパルスから得られた推定ゲインを光電子増倍管２のゲインとしてもよい。算出部６３は、複数回のダークパルスから得られた推定ゲインの中央値を光電子増倍管２のゲインとして算出してもよい。
　算出部６３は、１つの供給電圧に対して算出したゲインに基づいて、別の供給電圧におけるゲインを算出してもよい。別の供給電圧は、ゲイン算出モードにおいて、ダークパルスを生じた際の光電子増倍管２への供給電圧とは異なる供給電圧である。式（１０）に示されるように、光電子増倍管２のゲインは、定数Ａ、供給電圧の電圧値Ｖ、及び値ｋｎを用いて表現され得る。値ｋｎは、光電子増倍管２の構造で定まる値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　例えば、供給電圧とゲインとの関係は、両対数グラフで描画された場合、値ｋｎに等しい傾きを有する直線となる。よって、式（１０）から、１つの供給電圧におけるゲインを用いて、別の供給電圧におけるゲインを算出することができる。したがって、ダークパルスを取得することなく様々な供給電圧におけるゲインを算出することができる。その結果、様々な供給電圧におけるゲインの算出を簡易化することが可能となる。
　演算装置６は、複数の供給電圧のそれぞれに対して、上述のゲイン算出方法によってゲインを算出してもよい。
　光検出装置１は、所定光量の微弱光を出力可能な光源（例えば単一光子光源）を更に備えてもよい。この場合、光源から光電面２１に微弱光を照射することで、演算装置６は、ダークパルスに基づくデジタル信号と一緒に当該光源からの微弱光のデジタル信号を取得し、これらのデジタル信号に基づいてゲインを算出してもよい。なお、光検出装置１が上記光源を備えていなくてもよく、光検出装置１の外部の光源がゲイン算出時に用いられてもよい。
　１…光検出装置、２…光電子増倍管、３…アンプ、４…ＡＤ変換器、５…コンピュータ、６…演算装置、７…ＤＡ変換器、８…電源、２１…光電面、２２…電子増倍部、２３…アノード、６１…取得部、６２…取得部、６３…算出部、６４…記憶部、６５…出力部。

 

Claims (7)

  1. 　光電子増倍管のゲインを算出する演算装置であって、
    　暗中状態に置かれた前記光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号を取得する取得部と、
    　前記デジタル信号に基づいて前記ダークパルスの総電子数を算出し、前記総電子数に基づいて前記ゲインを算出する算出部と、
    を備える演算装置。
  2. 　前記デジタル信号は、アンプが変換係数を用いて前記ダークパルスを電流電圧変換することによって得られた電圧信号を、ＡＤ変換器がサンプリング周波数で量子化することによって生成され、
    　前記算出部は、前記デジタル信号と、前記変換係数と、前記サンプリング周波数と、に基づいて、前記総電子数を算出する、請求項１に記載の演算装置。
  3. 　前記算出部は、前記デジタル信号の波形の面積を算出し、前記ＡＤ変換器の量子化幅を前記サンプリング周波数で除算することによって得られる単位面積あたりの物理量と前記変換係数の逆数とを前記面積に乗算し、乗算結果を電気素量で除算することによって前記総電子数を算出する、請求項２に記載の演算装置。
  4. 　前記算出部は、複数のダークパルスのそれぞれについて前記総電子数を算出し、前記複数のダークパルスの総電子数に基づいて前記ゲインを算出する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の演算装置。
  5. 　前記算出部は、前記ゲインに基づいて、前記ダークパルスを生じた際の前記光電子増倍管への供給電圧とは異なる供給電圧における別のゲインを算出する、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の演算装置。
  6. 　前記光電子増倍管と、
    　請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の演算装置と、
    を備える光検出装置。
  7. 　光電子増倍管のゲインを算出するゲイン算出方法であって、
    　暗中状態に置かれた前記光電子増倍管から出力されたダークパルスに基づくデジタル信号を取得するステップと、
    　前記デジタル信号に基づいて前記ダークパルスの総電子数を算出し、前記総電子数に基づいて前記ゲインを算出するステップと、
    を含むゲイン算出方法。

     
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