特開 2022-81982 検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022081982

(43)【公開日】2022-06-01

(54)【発明の名称】検出器

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/02 20060101AFI20220525BHJP

   H01J 40/06 20060101ALI20220525BHJP

   H01J 43/02 20060101ALI20220525BHJP

【ＦＩ】

H01J49/02 500

H01J49/02 200

H01J40/06

H01J43/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020193255

(22)【出願日】2020-11-20

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】高塚 清香

(72)【発明者】

【氏名】小林 浩之

(57)【要約】

【課題】アバランシェダイオードを含み、荷電粒子又は光を検出する検出器の応答を、検出器の応答を律速するアバランシェダイオードの構造を変えることなく、高速化する。
【解決手段】アバランシェダイオード駆動回路は、第１コンデンサＣ１及び第１抵抗Ｒ１を含む。第１コンデンサＣ１及び第１抵抗Ｒ１は、いずれもアバランシェダイオード２２０に直列に、かつ、互いに並列に接続される。第１コンデンサＣ１の静電容量は、アバランシェダイオード２２０の静電容量の１０倍以下である。アバランシェダイオード２２０の見かけの静電容量が小さくなり、アバランシェダイオード駆動回路を含む検出器全体の応答が高速化される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子又は光を検出する検出器であって、
前記荷電粒子に起因して生成された電子、前記光に起因して生成された光電子、又は前記光電子の増倍によって生成された電子が入射する電子入射面を有するアバランシェダイオードと、
前記アバランシェダイオードを駆動する駆動回路と、を備え、
前記駆動回路は、第１コンデンサと第１抵抗とを有し、
前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗は、いずれも前記アバランシェダイオードに直列に接続され、
前記第１コンデンサと前記第１抵抗とは、互いに並列に接続される、
検出器。

【請求項2】

前記第１コンデンサの静電容量は、前記アバランシェダイオードの静電容量の１０倍以下である、請求項１に記載の検出器。

【請求項3】

前記第１コンデンサの静電容量は、前記アバランシェダイオードの静電容量以下である、請求項２に記載の検出器。

【請求項4】

前記駆動回路は、前記アバランシェダイオード、前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗に並列に接続された第２コンデンサをさらに有する、
請求項１～３のいずれか一項に記載の検出器。

【請求項5】

前記第１抵抗の抵抗値は、３０ｋΩ以上５００ｋΩ以下である、
請求項１～４のいずれか一項に記載の検出器。

【請求項6】

前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗は、前記アバランシェダイオードのＰ側又はＮ側に接続される、
請求項１～５のいずれか一項に記載の検出器。

【請求項7】

前記第１コンデンサ及び前記第１抵抗は、前記アバランシェダイオードのＰ側に接続され、
前記駆動回路は、前記アバランシェダイオードのＮ側に接続されたＡＣカプラーとしての第３コンデンサをさらに有する、
請求項６に記載の検出器。

【請求項8】

前記荷電粒子が入射する入力面と前記荷電粒子に起因して生成された前記電子を出射する出力面とを有するマイクロチャネルプレートと、
フォーカス電極と、をさらに備え、
前記マイクロチャネルプレートの前記出力面から出射した前記電子が、前記フォーカス電極によって集束されて、前記アバランシェダイオードの前記電子入射面に入射する、
請求項１～７のいずれか一項に記載の検出器。

【請求項9】

前記光を前記光電子に変換する光電変換部をさらに備え、
前記光電子又は前記光電子の増倍によって生成された前記電子が前記アバランシェダイオードの前記電子入射面に入射する、
請求項１～７のいずれか一項に記載の検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、イオン、電子などの荷電粒子、又は光を検出する検出器に関する。本開示に係る検出器は、例えば質量分析に用いられる。

【背景技術】

【0002】

飛行時間型質量分析に用いられる荷電粒子検出器、例えばイオン検出器として、マイクロチャネルプレートとアバランシェダイオードとを含む検出器が知られている（特許文献１）。マイクロチャネルプレートは、イオン、電子などの荷電粒子の入射に応答して電子を放出する電子増倍素子である。アバランシェダイオードは、放出された電子を捕獲して電気信号として出力する素子である。以下、マイクロチャネルプレートを「ＭＣＰ」と表記し、アバランシェダイオードを「ＡＤ」と表記する。

【0003】

このような検出器において、ＡＤの応答特性を高速化することが望まれている。例えば、質量分析における質量分解能は、イオン検出器の応答特性に依存するので、質量分析における質量分解能を向上させるためには、イオン検出器の応答特性を向上させる必要がある。具体的には、イオン検出器の応答を高速化する必要がある。

【0004】

ＭＣＰとＡＤとを含むイオン検出器の応答速度は、ＡＤの応答速度によって律速される。したがって、イオン検出器の応答特性を向上させるために、ＡＤの応答を高速化することが試みられている。

【0005】

ＡＤの応答を高速化するために、ＡＤの静電容量を小さくすることが知られている。ＡＤの静電容量は、ＡＤの活性層の面積に比例し、厚さに反比例するので、ＡＤの活性層を厚くすれば、ＡＤの静電容量を小さくして、その応答を高速化することができる（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－１６９１８号公報

【特許文献2】特開２００７－２５０５８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＡＤの活性層を厚くすれば、ＡＤの静電容量を小さくすることができる。その一方で、活性層が厚くなった分、ＡＤ内で発生したキャリア（電子及びホール）の走行距離が長くなり、キャリアの走行時間も長くなる。その結果、誘導電流の時間波形が広がってしまい、それが応答速度の低下を招く。したがって、ＡＤ自体の応答の高速化には限界がある。

【0008】

本開示は、上述の課題を解決し、ＡＤを用いて荷電粒子又は光を検出する検出器の応答の高速化を実現することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示に係る検出器は、荷電粒子又は光を検出する検出器であって、荷電粒子に起因して生成された電子、光に起因して生成された光電子、又は光電子を増倍して生成された電子が入射する電子入射面を有するＡＤと、ＡＤを駆動する駆動回路と、を備える。駆動回路は、第１コンデンサと第１抵抗とを有する。第１コンデンサ及び第１抵抗は、いずれもＡＤに直列に接続され、第１コンデンサと第１抵抗とは、互いに並列に接続される。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係る検出器によれば、ＡＤを用いて荷電粒子又は光を検出する検出器の応答の高速化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係るイオン検出器の回路構成の一例を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係るイオン検出器の構造の一例を示す切り欠き斜視図である。

【図3】第１の実施形態に係るイオン検出器のＡＤの構造の一例を模式的に示す断面図である。

【図4】第１の実施形態に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。

【図5】比較例のＡＤ駆動回路の等価回路を示す回路図である。

【図6】第１の実施形態に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例の等価回路を示す回路図である。

【図7】ＡＤの応答波形の一例を示す波形図である。

【図8】電子入射面の実効的な直径が１ｍｍのＡＤの応答波形をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図9】電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤの応答波形をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図10】電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤの電極間の電位差の時間変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図11】電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤの応答波形をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図12】電子入射面の実効的な直径が５ｍｍのＡＤの電極間の電位差の時間変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図13】電子入射面の実効的な直径が５ｍｍのＡＤの応答波形をシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【図14】第１の実施形態の第１の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。

【図15】第１の実施形態の第２の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。

【図16】第２の実施形態に係るイオン検出器の回路構成の一例を示す回路図である。

【図17】第２の実施形態に係るイオン検出器の外観の一例を示す図である。

【図18】第２の実施形態に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。

【図19】第３の実施形態に係る光検出器の回路構成の一例を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示に係る検出器は、荷電粒子又は光を検出する検出器であって、荷電粒子に起因して生成された電子、光に起因して生成された光電子、又は光電子を増倍して生成された電子が入射する電子入射面を有するＡＤと、ＡＤを駆動する駆動回路と、を備える。駆動回路は、第１コンデンサと第１抵抗とを有する。第１コンデンサ及び第１抵抗は、いずれもＡＤに直列に接続され、第１コンデンサと第１抵抗とは、互いに並列に接続される。

【0013】

この検出器は、ＡＤを駆動する駆動回路がＡＤに直列に接続された第１コンデンサを有するので、見かけ上、静電容量が小さいＡＤが接続されていることになる。また、第１抵抗が第１コンデンサに並列に接続されるので、第１コンデンサがＡＤに直列に接続されても、ＡＤに電圧を印加することが可能である。そのため、ＡＤ及び駆動回路を含む検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0014】

上記の検出器において、第１コンデンサの静電容量は、ＡＤの静電容量の１０倍以下であってもよい。この場合、ＡＤ及び駆動回路を含む検出器全体としての応答を高速化する効果を大きくすることができる。

【0015】

上記の検出器において、第1コンデンサの静電容量は、ＡＤの静電容量以下であってもよい。この場合、ＡＤ及び駆動回路を含む検出器全体としての応答を高速化する効果をさらに大きくすることができる。

【0016】

上記の検出器において、駆動回路は、ＡＤ、第１コンデンサ及び第１抵抗に並列に接続された第２コンデンサをさらに有してもよい。この場合、ＡＤの電子入射面と接地電位との間にリターンパスが形成され、ＡＤへの連続的な電子入射に伴って発生する電子入射面での電圧降下に起因する出力電圧のＤＣ成分の変動をキャンセルすることができる。また、ＡＤから出力される高速信号がリターンパスを介してＡＤまで低インピーダンスで戻ることが可能になる。

【0017】

上記の検出器において、第１抵抗の抵抗値は、３０ｋΩ以上５００ｋΩ以下であってもよい。この場合、ＡＤの電極間の電位差の変動を抑えることができ、また、応答波形の対称性を保つことができる。

【0018】

上記の検出器において、第１コンデンサ及び第１抵抗は、ＡＤのＰ側又はＮ側に接続されてもよい。いずれの場合でも、ＡＤ及び駆動回路を含む検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0019】

上記の検出器において、第１コンデンサ及び第１抵抗は、ＡＤのＰ側に接続され、駆動回路は、ＡＤのＮ側に接続されたＡＣカプラーとしての第３コンデンサをさらに有してもよい。この場合、交流成分を信号として取り出すことができるので、例えば、両極性のイオンが検出対象となり得る質量分析に用いることができる。

【0020】

上記の検出器は、荷電粒子が入射する入力面と荷電粒子に起因して生成された電子を出射する出力面とを有するマイクロチャネルプレートと、フォーカス電極と、をさらに備え、マイクロチャネルプレートの出力面から出射した電子が、フォーカス電極によって集束されて、ＡＤの電子入射面に入射してもよい。この場合、荷電粒子がマイクロチャネルプレートの入力面に入射したことに起因して生成された電子が、マイクロチャネルプレートで増倍されて出力面から出射され、フォーカス電極で集束されてＡＤの電子入射面に入射するので、荷電粒子を高感度かつ高分解能で検出することができる。

【0021】

上記の検出器は、光を光電子に変換する光電変換部をさらに備え、光電子又は光電子の増倍によって生成された電子がＡＤの電子入射面に入射してもよい。この場合、光が光電変換部に入射したことに起因して生成された光電子、又は光電子の増倍によって生成された電子がＡＤの電子入射面に入射するので、光を高感度かつ高分解能で検出することができる。

【0022】

本開示の検出器の実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

【0023】

図１は、本開示の検出器の第１の実施形態に係るイオン検出器１Ａの回路構成の一例を示す図である。第１の実施形態に係るイオン検出器１Ａは、電子増倍部としてのＭＣＰユニット１００と、メッシュ状の加速電極１５０と、一対のフォーカス電極（電子レンズ）１６０、１７０と、ＡＤカバー１８０と、信号出力部２００としてのＡＤ２２０と、信号出力端子１１０と、を備える。

【0024】

ＭＣＰユニット１００は、入力面１０２ａと出力面１０２ｂとを有するＭＣＰ１０２を含み、ＭＣＰ１０２の側面は絶縁性材料からなる絶縁リングによって取り囲まれる。ＭＣＰ１０２は、入力面１０２ａに荷電粒子が入射すると、その荷電粒子に応答して電子を発生させ、その電子を増倍して出力面１０２ｂから出射させる。ＭＣＰ１０２は、一例として、鉛ガラスを主成分とする薄型円盤状の構造体である本体を含み、本体には、円環状の外周部を除いて厚さ方向（入力面１０２ａから出力面１０２ｂに向かう方向）に沿って延びた複数の貫通孔であるチャネルが形成されている。また、入力面１０２ａの外周部、及び出力面１０２ｂの外周部には、電極が形成されている。

【0025】

加速電極１５０は、ＭＣＰ１０２とＡＤ２２０との間、例えばＭＣＰ１０２とフォーカス電極１６０との間に配置され、ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂから出射した電子を加速する。

【0026】

一対のフォーカス電極１６０、１７０は、ＭＣＰ１０２とＡＤ２２０との間、例えば加速電極１５０とＡＤ２２０との間に配置され、加速電極１５０によって加速された電子をＡＤ２２０に向けて集束させる。

【0027】

ＡＤカバー１８０は、ＡＤ２２０に向けて集束した電子がＡＤ２２０を搭載するプリント配線基板２２１に当たって、プリント配線基板２２１がチャージアップすることを防止する。

【0028】

ＡＤ２２０は、プリント配線基板２２１の上面（出力面１０２ｂ側の面）に搭載され、加速電極１５０及び一対のフォーカス電極１６０、１７０を挟んでＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂと対向する。プリント配線基板２２１の下面（信号出力端子１１０側の面）にはＳＭＡジャック１２０Ａが取り付けられる。ＡＤ２２０は、一対のフォーカス電極１６０、１７０によって集束された電子を捕獲して電気信号として出力する。

【0029】

ＭＣＰユニット１００の入力面１０２ａは、電源９１０に接続され、電位Ｖａ（例えば－７ｋＶ）に設定される。入力面１０２ａと出力面１０２ｂとの間には、電源９２０により電位差Ｖｂ（例えば５００Ｖ～１ｋＶ）が確保される。出力面１０２ｂは、出力面１０２ｂと接地配線との間において互いに直列に接続された抵抗Ｒａ（例えば４０ＭΩ）及び抵抗Ｒｂ（例えば２０ＭΩ）を介して接地される。出力面１０２ｂの電位（すなわち、出力面１０２ｂと接地との電位差）は、抵抗Ｒａ及び抵抗Ｒｂにより分圧される。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとの間に位置するノードＮ１には加速電極１５０が接続される。一対のフォーカス電極のうち出力面１０２ｂ側に位置するフォーカス電極１６０は、ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂと同電位に設定される。

【0030】

一対のフォーカス電極のうちＡＤ２２０側に位置するフォーカス電極１７０は、抵抗Ｒｃ（例えば１ｋΩ）を介して、電位Ｖｄ（例えば０～４００Ｖ）に設定される電源９４０に接続される。ＡＤカバー１８０は、フォーカス電極１７０と同電位に設定される。

【0031】

電源９４０は、抵抗Ｒｄ（例えば１ｋΩ）、第１コンデンサであるコンデンサＣ１、及び第１抵抗である抵抗Ｒ１を介してＡＤ２２０のＰ側電極に接続される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０のＰ側電極及び抵抗Ｒｄに直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。なお、ＡＤ２２０のＰ側電極は、ＡＤ２２０のＰ＋型半導体層とオーミック接触する電極であり、ＡＤ２２０は、Ｐ側に電子入射面を有する。詳細は後述する。

【0032】

コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｄとの間に位置するノードＮ２は、第２コンデンサであるコンデンサＣ２（例えば１０ｎＦ）を介してＳＭＡジャック１２０Ａの側面に接続され、ＳＭＡジャック１２０Ａの側面は接地される。信号出力端子１１０も終端抵抗Ｒｅ（例えば５０Ω）を介して接地される。したがって、ＡＤ２２０の電子入射面と接地されたＳＭＡジャック１２０Ａの側面との間に、リターンパスが形成される。ＡＤ２２０への電子入射が続くとＡＤ２２０の電子入射面で電圧降下が発生する。この場合、ＡＤ２２０から信号出力端子１１０に出力される信号（出力電圧）には、この電圧降下に起因したＤＣ成分の変動が反映されることになる。そこで、ＡＤ２２０の電子入射面とＳＭＡジャック１２０Ａの側面との間にコンデンサＣ２が配置されることにより、出力信号に反映されるＤＣ成分の変動がキャンセルされる。また、コンデンサＣ２は、ＡＤ２２０から信号出力端子１１０に出力される高速信号が、リターンパスを介してＡＤ２２０まで低インピーダンスで戻ることを可能にする。

【0033】

図２は、第１の実施形態に係るイオン検出器１Ａの構造の一例を示す切り欠き斜視図である。イオン検出器１Ａは、ＭＣＰユニット１００と、図示しないメッシュ状の加速電極１５０と、一対のフォーカス電極１６０、１７０と、ＡＤ２２０を搭載したプリント配線基板２２１とを備え、これらが互いに固定されている。

【0034】

ＭＣＰユニット１００は、ＭＣＰ１０２と、入力側電極１０３と、出力側電極１０４とを備える。ＭＣＰ１０２の側面は、前述のとおり絶縁リングによって取り囲まれている。ＭＣＰ１０２の円環状の外周部及び絶縁リングは、入力側電極１０３と出力側電極１０４とによって挟持される。入力側電極１０３は、ＭＣＰ１０２の入力面１０２ａに入射する荷電粒子を通過させるための開口１０３ａを有する。同様に、出力側電極１０４は、ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂから出射する電子を通過させるための開口を有する。入力側電極１０３の開口１０３ａの中心軸及び出力側電極１０４の開口の中心軸は、ＭＣＰ１０２の中心軸と一致する。

【0035】

図示しない加速電極１５０は、第１絶縁スペーサ１５１と第２絶縁スペーサ１５２とによって挟持される。

【0036】

入力側電極１０３と、ＭＣＰ１０２の側面を取り囲む絶縁リングと、出力側電極１０４と、第１絶縁スペーサ１５１とは、固定ネジ１３０によって互いに固定される。これによって、ＭＣＰユニット１００と加速電極１５０とが互いに固定される。

【0037】

フォーカス電極１６０は、筒状の導電性部材であり、その中心軸は、ＭＣＰ１０２の中心軸と一致する。フォーカス電極１６０は、その一端が第２絶縁スペーサ１５２に固定される。フォーカス電極１６０の他端には、筒の内側に向けてせり出した円環部１６１が設けられる。フォーカス電極１６０の他端は、フォーカス電極１７０の一端と対向する。

【0038】

フォーカス電極１７０は、筒状の導電性部材であり、その中心軸は、ＭＣＰ１０２の中心軸と一致する。フォーカス電極１７０の一端には、フランジ部１７１が設けられる。

【0039】

ＡＤカバー１８０は、円盤状の導電部材であり、フォーカス電極１７０の他端を塞ぐように設けられる。ＡＤカバー１８０には、ＭＣＰユニット１００の方向に突出した円形の突出部１８１が形成される。突出部１８１は、ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂから出射し、一対のフォーカス電極１６０、１７０によって集束された電子ＳＥを通過させるための開口１８２を有する。突出部１８１の中心軸は、ＭＣＰ１０２の中心軸と一致する。開口１８２の中心軸は、ＭＣＰ１０２の中心軸からＭＣＰ１０２のバイアス方向に沿ってずれている。

【0040】

ＡＤ２２０を搭載したプリント配線基板２２１は、ＡＤカバー１８０に取り付けられ、ＡＤカバー１８０によって覆われる。

【0041】

図３は、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ２２０の構造の一例を模式的に示す断面図である。ＡＤ２２０は、Ｎ側電極２２２、Ｎ＋型半導体層２２３、Ｎ－型半導体層２２４、Ｐ型半導体層（アバランシェ増倍層）２２５、Ｐ＋型半導体層２２６、Ｐ側電極２２７、絶縁膜２２８、及びパッシベーション膜２２９を含む。Ｎ側電極２２２は、Ｎ＋型半導体層２２３の裏面に設けられている。Ｎ－型半導体層２２４及びＰ型半導体層２２５は、Ｎ＋型半導体層２２３の表面側に、例えばイオン注入によって形成されている。Ｎ＋型半導体層２２３の厚さ方向において、Ｎ－型半導体層２２４は、Ｎ＋型半導体層２２３とＰ型半導体層２２５との間に位置する。Ｎ－型半導体層２２４及びＰ型半導体層（アバランシェ増倍層）２２５は、活性層を構成する。Ｐ＋型半導体層２２６は、Ｐ型半導体層２２５の表面に設けられ、Ｐ型コンタクト層として機能する。絶縁膜２２８は、Ｎ＋型半導体層２２３、Ｎ－型半導体層２２４、Ｐ型半導体層２２５、及びＰ＋型半導体層２２６からなる半導体構成物の表面を覆う。絶縁膜２２８は、電子を通過させるための開口を有する。Ｐ側電極２２７は、絶縁膜２２８上において、絶縁膜２２８の開口を囲むように配置されている。Ｐ側電極２２７は、絶縁膜２２８に形成された別の開口を通じて、Ｐ＋型半導体層２２６とオーミック接触を形成する。パッシベーション膜２２９は、絶縁性の膜であって、Ｐ側電極２２７及び絶縁膜２２８を覆う。ＡＤ２２０は、Ｐ側（Ｐ＋型半導体層２２６側）がＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂに向くように、プリント配線基板２２１の上面に搭載される。すなわち、ＡＤ２２０は、Ｐ側に電子入射面を有する。

【0042】

図４は、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。上述のとおり、ＡＤ２２０のＰ側電極は、抵抗Ｒｄ、第１コンデンサであるコンデンサＣ１、及び第１抵抗である抵抗Ｒ１を介して電源９４０に接続される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０及び抵抗Ｒｄに直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｄとの間に位置するノードＮ２は、リターンパスを形成するために、第２コンデンサであるコンデンサＣ２及びＳＭＡジャック１２０Ａの側面を介して接地される。ＡＤ２２０のＮ側電極は、信号出力端子１１０に接続される。

【0043】

図５～図７を参照して、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ駆動回路の動作を説明する。図５は、比較例のＡＤ駆動回路の等価回路を示す回路図である。図６は、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ駆動回路の一例の等価回路を示す回路図である。図７は、ＡＤ２２０の応答波形の一例を示す波形図である。図５及び図６において、ＡＤ２２０は、等価回路によって、すなわち、静電容量Ｃ_ＡＤを有するコンデンサＣ４と電流源Ｓ１とが互いに並列に接続された回路によって表される。

【0044】

比較例のＡＤ駆動回路（図５）において、ＡＤ２２０のＰ側電極は、抵抗Ｒｄのみを介して、ＡＤバイアスを印加する電源９４０に接続され、ＡＤ２２０のＮ側は、信号出力端子１１０に接続される。このＡＤ駆動回路において、仮にＡＤ２２０の誘導電流が０≦ｔ≦Ｔ（ｔ：時刻、Ｔ：誘導電流の持続時間）で一定値ｕ_０であるとすると、ＡＤ２２０の応答波形ｖは、式（１）及び式（２）で表される。ここで、Ｒは、負荷のインピーダンスを表し、Ｃは、ＡＤ２２０を含み、誘導電流が流れる回路の実効的な静電容量を表す。

【数1】

【数2】

【0045】

上記の式で表されるＡＤ２２０の応答波形は、図７に示される。図７に示された白丸は式（１）に対応し、黒丸は式（２）に対応する。上記の式と図７に示された応答波形とを参照すれば分かるように、応答波形の半値幅を狭めて応答を高速化するためには、静電容量Ｃを小さくするか、誘導電流の持続時間Ｔを短くする必要がある。

【0046】

第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ駆動回路（図６）においては、静電容量Ｃ_１を有するコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１が追加される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。したがって、ＡＤ２２０の静電容量Ｃ_ＡＤ（ＡＤ２２０の等価回路に含まれるコンデンサＣ４の静電容量）とコンデンサＣ１の静電容量Ｃ_１とから合成される合成静電容量Ｃ_Ｔは、式（３）で表されるように、ＡＤ２２０の静電容量Ｃ_ＡＤより小さくなる。

【数3】

【0047】

これは、図６に示されたＡＤ駆動回路においては、図５に示された比較例のＡＤ駆動回路に比べて、見かけ上、静電容量が小さいＡＤ２２０が接続されていることを意味する。一方、使用するＡＤ２２０が両方のＡＤ駆動回路において同じであれば、ＡＤ２２０の活性層の厚さ、ＡＤ２２０内で発生したキャリアの走行距離及び走行時間、並びにＡＤ２２０の誘導電流も、両方の駆動回路において同じである。そのため、図５に示されたＡＤ駆動回路の代わりに図６に示されたＡＤ駆動回路を用いても、誘導電流が広がることはなく、それが応答速度の低下を招くこともない。また、抵抗Ｒ１がコンデンサＣ１に並列に接続されるので、コンデンサＣ１がＡＤ２２０に直列に接続されても、ＡＤ２２０に電圧を印加することが可能である。

【0048】

したがって、第１の実施形態に係るイオン検出器１Ａによれば、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含むイオン検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0049】

コンデンサＣ１の静電容量Ｃ_１がＡＤ２２０の静電容量Ｃ_ＡＤより大きくなるにつれて、合成静電容量Ｃ_ＴがＡＤ２２０の静電容量Ｃ_ＡＤに近づくので、ＡＤ２２０の見かけの静電容量を小さくする効果は小さくなる。また、抵抗Ｒ１の抵抗値がＡＤ２２０の抵抗値と同程度以上になると、抵抗Ｒ１で大きな電圧降下が生じる。電源９４０からＡＤ２２０に印加される電圧は、その電圧降下分だけ小さくなるので、ＡＤ２２０の駆動に必要な電圧を印加できなくなる可能性がある。

【0050】

図８及び図９は、抵抗Ｒ１の抵抗値を１００ｋΩとし、コンデンサＣ１の静電容量Ｃ_１を様々な値にしたときのＡＤ２２０の応答波形をシミュレーションした結果の一例を示す図である。図８は、電子入射面の実効的な直径が１ｍｍのＡＤ２２０（Ｃ_ＡＤ＝５．８ｐＦ）に関する結果を示し、図９は、電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤ２２０（Ｃ_ＡＤ＝２４ｐＦ）に関する結果を示す。なお、図８及び図９には、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がないときの応答波形も併せて示される。図中の線Ｇ１は、Ｃ_１＝Ｃ_ＡＤの場合を示し、線Ｇ２は、Ｃ_１＝２Ｃ_ＡＤの場合を示し、線Ｇ３は、Ｃ_１＝５Ｃ_ＡＤの場合を示し、線Ｇ４は、Ｃ_１＝１０Ｃ_ＡＤの場合を示し、線Ｇ５は、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がない場合を示す。

【0051】

電子入射面の実効的な直径が１ｍｍのＡＤ２２０（図８）では、応答波形の半値幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は、Ｃ_１＝Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ１）は４２０ｐｓ（ピコ秒）、Ｃ_１＝２Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ２）は４６０ｐｓ、Ｃ_１＝５Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ３）は４８０ｐｓ、Ｃ_１＝１０Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ４）は４９０ｐｓ、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がない場合（線Ｇ５）は５１０ｐｓである。

【0052】

電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤ２２０（図９）では、応答波形の半値幅は、Ｃ_１＝Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ１）は８４０ｐｓ、Ｃ_１＝２Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ２）は１１３０ｐｓ、Ｃ_１＝５Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ３）は１２２０ｐｓ、Ｃ_１＝１０Ｃ_ＡＤの場合（線Ｇ４）は１３００ｐｓ、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がない場合（線Ｇ５）は１４００ｐｓである。

【0053】

図８及び図９に示された応答波形から、少なくともコンデンサＣ１の静電容量Ｃ_１がＡＤの静電容量Ｃ_ＡＤの１０倍以下の場合に、応答が高速化されることが分かる。

【0054】

図１０～図１３は、コンデンサＣ１の静電容量Ｃ_１を２ｐＦとし、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ_１を様々な値にしたときのＡＤ２２０の電極間の電位差の時間変化及びＡＤ２２０の応答波形を、波高１０ｍＶの誘導電流が周波数１０ＭＨｚで発生するという条件でシミュレーションした結果の一例を示す図である。

【0055】

図１０は、電子入射面の実効的な直径が３ｍｍのＡＤ２２０（Ｃ_ＡＤ＝２４ｐＦ）の電極間の電位差の時間変化に関する結果を示し、図１１は、同じＡＤ２２０の応答波形に関する結果を示す。図１２は、電子入射面の実効的な直径が５ｍｍのＡＤ２２０（Ｃ_ＡＤ＝８５ｐＦ）の電極間の電位差の時間変化に関する結果を示し、図１３は、同じＡＤ２２０の応答波形に関する結果を示す。

【0056】

図１０及び図１２中の線Ｌ１は、Ｒ_１＝１０ｋΩの場合を示し、線Ｌ２は、Ｒ_１＝１００ｋΩの場合を示し、線Ｌ３は、Ｒ_１＝５００ｋΩの場合を示し、線Ｌ４は、Ｒ_１＝１ＭΩの場合を示し、線Ｌ５は、Ｒ_１＝１０ＭΩの場合を示す。

【0057】

図１１及び図１３中の線Ｍ１は、Ｒ_１＝１００ｋΩの場合を示し、線Ｍ２は、Ｒ_１＝３０ｋΩの場合を示し、線Ｍ３は、Ｒ_１＝１０ｋΩの場合を示し、線Ｍ４は、Ｒ_１＝１ｋΩの場合を示す。

【0058】

実際の測定から、ＡＤゲインの変動を１０％以下に抑えるには、ＡＤ２２０の電極間の電位差の変動を５Ｖ以下に抑える必要があることが分かっている。図１０及び図１２に示されたＡＤ２２０の電極間の電位差の時間変化から、抵抗Ｒ１の抵抗値を５００ｋΩ以下にすれば、ＡＤ２２０の電極間の電位差の初期値（３００Ｖ）からの低下が５Ｖ以下に抑えられることが分かる。したがって、ＡＤ２２０の電極間の電位差の変動を抑えるために、抵抗Ｒ１の抵抗値は、例えば５００ｋΩ以下である。また、図１１及び図１３に示されたＡＤ２２０の応答波形から、抵抗Ｒ１の抵抗値が３０ｋΩ以上であれば、応答波形の対称性が保たれていることが分かる。したがって、応答波形の対称性を保つために、抵抗Ｒ１の抵抗値は、例えば３０ｋΩ以上である。

【0059】

第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＡＤ駆動回路においては、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がＡＤ２２０のＰ側に接続される。しかし、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、ＡＤ２２０のＮ側に接続されてもよい。

【0060】

図１４は、第１の実施形態の第１の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。第１の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路は、第１コンデンサであるコンデンサＣ１及び第１抵抗である抵抗Ｒ１がＡＤ２２０のＮ側に接続されている点で、第１の実施形態に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路と異なる。第１の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路においても、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がいずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、互いに並列に接続されるので、ＡＤ駆動回路に接続されたＡＤ２２０の静電容量が、見かけ上、図５に示された比較例のＡＤ駆動回路に接続されたＡＤ２２０の静電容量より小さい。したがって、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含むイオン検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0061】

図１５は、第１の実施形態の第２の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。第２の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路は、第１の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路と同様に、第１コンデンサであるコンデンサＣ１及び第１抵抗である抵抗Ｒ１がＡＤ２２０のＮ側に接続されているが、抵抗Ｒ１が直接接地されている点で、第１の変形例のイオン検出器のＡＤ駆動回路と異なる。第２の変形例に係るイオン検出器のＡＤ駆動回路においても、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１がいずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、終端抵抗Ｒｅ及び接地配線を通じて互いに並列に接続されるので、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含むイオン検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0062】

図１６は、本開示の検出器の第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂの回路構成の一例を示す回路図である。第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂは、両極性のイオンが検出対象となり得る質量分析に用いられる。第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂは、ＡＤ２２０と信号出力端子１１０との間に、交流成分を信号として取り出すためのＡＣカプラー（コンデンサ等により構成される交流結合回路）５００を有する。

【0063】

すなわち、第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂは、電子増倍部としてのＭＣＰユニット１００と、メッシュ状の加速電極１５０と、一対のフォーカス電極１６０、１７０と、信号出力部２００としてのＡＤ２２０と、ＡＣカプラー５００と、信号出力端子１１０と、を備える。

【0064】

ＭＣＰユニット１００は、入力面１０２ａと出力面１０２ｂとを有するＭＣＰ１０２を含む。ＭＣＰ１０２は、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＭＣＰ１０２と同様であるから、詳細な説明を省略する。

【0065】

加速電極１５０は、ＭＣＰ１０２とＡＤ２２０との間、例えばＭＣＰ１０２とフォーカス電極１６０との間に配置され、ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂから出射した電子を加速する。

【0066】

一対のフォーカス電極１６０、１７０は、ＭＣＰ１０２とＡＤ２２０との間、例えば加速電極１５０とＡＤ２２０との間に配置され、加速電極１５０によって加速された電子をＡＤ２２０に向けて集束させる。

【0067】

ＡＤ２２０は、プリント配線基板２２１の上面（出力面１０２ｂ側の面）に搭載され、加速電極１５０及び一対のフォーカス電極１６０、１７０を挟んでＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂと対向する。プリント配線基板２２１の下面（信号出力端子１１０側の面）にはＳＭＡジャック１２０Ａが取り付けられる。ＡＤ２２０は、一対のフォーカス電極１６０、１７０によって集束された電子を捕獲して電気信号として出力する。

【0068】

ＡＣカプラー５００の一方の側（ＡＤ２２０側）には、ＳＭＡプラグ１２０Ｂが取り付けられる。ＡＣカプラー５００の他方の側（信号出力端子１１０側）には、ＳＭＡジャック１２０Ｃが取り付けられる。

【0069】

ＭＣＰユニット１００の入力面１０２ａは、電源９１０に接続され、電位Ｖａ（例えば＋１０ｋＶ又は－１０ｋＶ）に設定される。入力面１０２ａと出力面１０２ｂとの間には、電源９２０により電位差Ｖｂ（例えば０Ｖ～１ｋＶ）が確保される。出力面１０２ｂとＳＭＡプラグ１２０Ｂの側面との間には、電源９３０により電位差Ｖｃ（例えば０Ｖ～４ｋＶ）が確保される。出力面１０２ｂとＳＭＡプラグ１２０Ｂとの間に設定される電位差Ｖｃは、出力面１０２ｂとＳＭＡプラグ１２０Ｂの側面との間において互いに直列に、かつ電源９３０と並列に接続された抵抗Ｒａ（例えば４０ＭΩ）、抵抗Ｒｂ（例えば２０ＭΩ）及びツェナーダイオード（以下、「ＺＤ」と表記する。）２５０により分圧される。ＺＤ２５０は、抵抗ＲｂとＳＭＡプラグ１２０Ｂの側面との間に例えば２００～４００Ｖの電位差を確保する。抵抗Ｒａと抵抗Ｒｂとの間に位置するノードＮ１には加速電極１５０が接続される。一対のフォーカス電極のうち出力面１０２ｂ側に位置するフォーカス電極１６０は、ＭＣＰの出力面１０２ｂと同電位に設定される。ＡＤ２２０側に位置するフォーカス電極１７０は、抵抗ＲｂとＺＤ２５０との間に位置するノードＮ３に、抵抗Ｒｃ（例えば１ｋΩ）を介して接続される。

【0070】

また、抵抗ＲｂとＺＤ２５０との間に位置するノードＮ３は、抵抗Ｒｄ（例えば１ｋΩ）、第１コンデンサであるコンデンサＣ１、及び第１抵抗である抵抗Ｒ１を介してＡＤ２２０のＰ側電極に接続される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０のＰ側電極及び抵抗Ｒｄに直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。

【0071】

コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｄとの間に位置するノードＮ２は、第２コンデンサであるコンデンサＣ２（例えば１０ｎＦ）を介してＳＭＡジャック１２０Ｃの側面に接続され、ＳＭＡジャック１２０Ｃの側面は接地される。信号出力端子１１０も終端抵抗Ｒｅ（例えば５０Ω）を介して接地される。したがって、ＡＤ２２０の電子入射面と接地されたＳＭＡジャック１２０Ｃの側面との間に、リターンパスが形成される。ＡＤ２２０への電子入射が続くとＡＤ２２０の電子入射面で電圧降下が発生する。この場合、ＡＤ２２０から信号出力端子１１０に出力される信号（出力電圧）には、この電圧降下に起因したＤＣ成分の変動が反映されることになる。そこで、ＡＤ２２０の電子入射面とＳＭＡジャック１２０Ｃの側面との間にコンデンサＣ２が配置されることにより、出力信号に反映されるＤＣ成分の変動がキャンセルされる。また、コンデンサＣ２は、ＡＤ２２０から信号出力端子１１０に出力される高速信号が、リターンパスを介してＡＤ２２０まで低インピーダンスで戻ることを可能にする。

【0072】

ＡＣカプラー５００は、ＡＤ２２０のＮ側電極と信号出力端子１１０との間に接続された、交流成分を信号として取り出すための信号コンデンサＰＣ１（例えば１５０ｐＦ）を含む。ＡＤ２２０のＮ側電極と信号コンデンサＰＣ１との間に位置するノードＮ４は、ＡＤ２２０のＮ側電極の電位を固定するために、抵抗５２０（例えば１ｋΩ～１０ＭΩ）を介してＳＭＡプラグ１２０Ｂの側面に接続される。

【0073】

図１７は、第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂの外観の一例を示す図である。ＭＣＰユニット１００、一対のフォーカス電極１６０、１７０、信号出力部の一部を構成するプリント配線基板２２１、及びＡＣカプラー５００がスペーサを介して固定される。

【0074】

図１８は、第２の実施形態に係るイオン検出器１ＢのＡＤ駆動回路の一例を示す回路図である。上述のとおり、ＡＤ２２０のＰ側電極は、抵抗Ｒｄ、第１コンデンサであるコンデンサＣ１、及び第１抵抗である抵抗Ｒ１を介して抵抗ＲｂとＺＤ２５０との間に位置するノードＮ３（図１６）に接続され、ＡＤバイアスが印加される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０及び抵抗Ｒｄに直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１と抵抗Ｒｄとの間に位置するノードＮ２は、リターンパスを形成するために、第２コンデンサであるコンデンサＣ２及びＳＭＡジャック１２０Ｃの側面を介して接地される。ＡＤ２２０のＮ側電極は、ＡＣカプラー５００の信号コンデンサＰＣ１を介して信号出力端子１１０に接続される。また、ＡＤ２２０のＮ側電極は、抵抗５２０を介して電源９３０（図１６）に接続される。

【0075】

第２の実施形態に係るイオン検出器１ＢのＡＤ駆動回路も、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を有する。そして、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、互いに並列に接続されるので、ＡＤ駆動回路に接続されたＡＤ２２０の見かけの静電容量が小さい。したがって、第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂによれば、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含むイオン検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0076】

本開示の検出器の第１の実施形態及び第２の実施形態として、イオン検出器を示したが、本開示の検出器の実施形態は、光検出器でもよい。

【0077】

図１９は、本開示の検出器の第３の実施形態に係る光検出器１Ｃの回路構成の一例を示す回路図である。第３の実施形態に係る光検出器１Ｃは、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＭＣＰユニット１００、加速電極１５０、フォーカス電極１６０、及びこれらに電位を設定する電源及び抵抗に代えて、光電変換部３００を備える。光電変換部３００は、受光面３０２ａと出力面３０２ｂとを有し、受光面３０２ａに光が入射すると、その光に応答して光電子を発生させ、その光電子を出力面３０２ｂから出射させる。ＡＤ２２０は、その光電子を捕獲して電気信号として出力し、その結果、光が検出される。

【0078】

第３の実施形態に係る光検出器１ＣのＡＤ駆動回路も、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を有する。そして、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、互いに並列に接続されるので、ＡＤ駆動回路に接続されたＡＤの見かけの静電容量が小さい。したがって、第３の実施形態に係る光検出器１Ｃによれば、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含む光検出器全体としての応答を高速化することができる。

【0079】

第３の実施形態に係る光検出器１Ｃは、第１の実施形態に係るイオン検出器１ＡのＭＣＰユニット１００、加速電極１５０、フォーカス電極１６０、及びこれらに電位を設定する電源及び抵抗に代えて、光電変換部３００を備える。しかし、第１の実施形態に係るイオン検出器１Ａに光電変換部３００を追加することによって、光検出器としてもよい。すなわち、光電変換部３００の出力面３０２ｂから出射した光電子を、ＭＣＰ１０２の入力面１０２ａに入射させるようにしてもよい。ＭＣＰ１０２は、光電変換部３００の出力面３０２ｂから出射した光電子が入力面１０２ａに入射すると、その光電子に応答して電子を増倍させ、その電子を出力面１０２ｂから出射させる。ＭＣＰ１０２の出力面１０２ｂから出射した電子は、加速電極１５０で加速され、フォーカス電極１６０で集束される。ＡＤ２２０は、フォーカス電極１６０によって集束された電子を捕獲して電気信号として出力し、その結果、光が検出される。

【0080】

同様に、第２の実施形態に係るイオン検出器１Ｂに光電変換部３００を追加することによって、光検出器としてもよい。

【0081】

いずれの光検出器のＡＤ駆動回路も、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を有する。そして、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、いずれもＡＤ２２０に直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される。したがって、ＡＤ２２０及びＡＤ駆動回路を含む光検出器全体としての応答を高速化することができる。

【符号の説明】

【0082】

１００…ＭＣＰユニット（電子増倍部）、２００…信号出力部、２２０…ＡＤ（信号出力部）、３００…光電変換部、５００…ＡＣカプラー、Ｃ１…第１コンデンサ、Ｃ２…第２コンデンサ、Ｒ１…第１抵抗。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】