(57)【要約】改善された電子増倍管バイアスネットワークは、大きな入力信号に直面すると増倍管の応答を制限するが、その信号のすぐ後に回復することを可能にする。本発明の一局面では、粒子の受け取りに応答して電子を放出するカソード；各ダイノードが前のダイノードからの電子を受け取り多数の電子を放出する整列したダイノードのチェイン；該チェインの最後のダイノードにより放出された電子を収集するアノード；特定の電位のバイアスを各ダイノードにかけるバイアスシステム；各電荷蓄積部が該ダイノードのうちの１つに接続された電荷蓄積部のセット；および制御された態様かつ急速に該増倍管が飽和状態になることと飽和状態から抜け出すことを可能にするように該増倍管が大きな入力信号を受け取るときにおいて該電子増倍管の応答を制御するように構成された、該ダイノードの１つとそれに対応する電荷蓄積部との間に配置された分離素子を含む電子増倍管を提供する。
2007500931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子の受け取りに応答して電子を放出するカソードであって、該粒子は荷電粒子と中性粒子と光子とのうちの一つである、カソードと、
整列したダイノードのチェインであって、各ダイノードは、前のダイノードからの電子を受け取り、入射電子のエネルギーが十分に大きい場合において該チェイン内の次のダイノードによって受け取られる多数の電子を放出し、該整列したダイノードのチェインの第１のダイノードは、該カソードから放出された電子を受け取る、整列したダイノードのチェインと、
該整列したダイノードのチェインの最後のダイノードによって放出された電子を収集するアノードと、
該整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、特定の電位のバイアスをかけるバイアスシステムと、
電荷蓄積部のセットであって、該電荷蓄積部のセットの各電荷蓄積部は、該整列したダイノードのチェインの該ダイノードのうちの１つに接続されている、電荷蓄積部のセットと、
該ダイノードのうちの１つと、それに対応する電荷蓄積部との間に配置された分離素子と
を備える、電子増倍管。
【請求項２】
前記バイアスシステムが、前記整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、前のダイノードの電位よりも高い電位のバイアスをかける、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項３】
前記分離素子が、該分離素子を有しない電子増倍管よりも、飽和イベントの後のダイノードの電位の回復が速くなることを可能にするように構成されている、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項４】
前記電子増倍管が、短い時間間隔で起きる信号が生成する２つのイベントのうちの第２のイベントに基本的に線形に応答することを可能にするように、前記ダイノードと、前記電荷蓄積部と、前記分離素子とが構成されており、該分離素子なしの電子増倍管では第１の信号が生成するイベントは該電子増倍管を飽和状態にさせ、該第２の信号が生成するイベントにひずみまたは欠損を引き起こす、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項５】
前記分離素子が分離素子のセットのうちの１つであり、該分離素子のセットの各々が、前記ダイノードのうちの１つとそれに対応する電荷蓄積部との間に配置されている、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項６】
前記分離素子が抵抗器である、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項７】
前記分離素子の抵抗値が、前記バイアスシステムの実効抵抗値よりも小さい、請求項６に記載の電子増倍管。
【請求項８】
前記電子増倍管が、前記分離素子なしの電子増倍管よりも、飽和イベントからはやく回復することを可能にするように、該分離素子が構成されている、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項９】
前記電荷蓄積部のうちの１つ以上がコンデンサを含む、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項１０】
前記電荷蓄積部のうちの１つ以上が電気化学電池を含む、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項１１】
前記電荷蓄積部のうちの１つ以上が電源を含む、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項１２】
前記電子増倍管が大きな信号に応答して出力することができる電荷の量を制限するように、前記分離素子が構成されている、請求項１に記載の電子増倍管。
【請求項１３】
電子増倍管を動作させる方法であって、
電子増倍管を提供することであって、該電子増倍管は、
粒子の受け取りに応答して電子を放出するカソードであって、該粒子は荷電粒子と中性粒子と光子とのうちの一つである、カソードと、
整列したダイノードのチェインであって、各ダイノードは、前のダイノードからの電子を受け取り、入射電子のエネルギーが十分に大きい場合において該チェイン内の次のダイノードによって受け取られる多数の電子を放出し、該整列したダイノードのチェインの第１のダイノードは、該カソードから放出された電子を受け取る、整列したダイノードのチェインと、
該整列したダイノードのチェインの最後のダイノードによって放出された電子を収集するアノードと、
該整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、特定の電位のバイアスをかけるバイアスシステムと、
電荷蓄積部のセットであって、該電荷蓄積部のセットの各電荷蓄積部は、該整列したダイノードのチェインの該ダイノードのうちの１つに接続されている、電荷蓄積部のセットと、
該ダイノードのうちの１つと、それに対応する電荷蓄積部との間に配置された分離素子と
を備える、電子増倍管を提供することと、
該増倍管が、制御された態様で飽和状態になることと飽和状態から抜け出すこととを可能にするように、該増倍管が大きな入力信号を受け取るときにおいて該分離素子を用いて該電子増倍管の応答を制御することと
を包含する、方法。
【請求項１４】
前記分離素子に関連した前記電荷蓄積部から取り出され得る電流の量を制限するために該分離素子を用いることであって、それによって前記電子増倍管がゆっくりと飽和状態になる、ことを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記分離素子に関連した前記電荷蓄積部と該分離素子に関連した前記ダイノードから追い出され得る電流の量を最小化するために該分離素子を用いることであって、それによって飽和状態から回復するために必要とされる時間が低減される、ことを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記分離素子に関連した前記電荷蓄積部から取り出され得る電流の量を制限するために該分離素子を用いることであって、それによって前記電子増倍管がゆっくりと飽和状態になる、ことと、
該分離素子に関連した該電荷蓄積部と該分離素子に関連した前記ダイノードから追い出され得る電流の量を最小化するために該分離素子を用いることであって、それによって飽和状態から回復するために必要とされる時間が低減される、ことと
を包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記電子増倍管が、短い時間間隔で起きる信号が生成する２つのイベントのうちの第２のイベントに基本的に線形に応答することを可能にするように、前記ダイノードと、前記電荷蓄積部と、前記分離素子とを構成することであって、該分離素子なしの電子増倍管では第１の信号が生成するイベントは該電子増倍管を飽和状態にさせ、該第２の信号が生成するイベントにひずみまたは欠損を引き起こす、ことを包含する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記バイアスシステムの実効抵抗値よりも小さい前記分離素子の抵抗値を選択することを包含する、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子増倍管に関する。より詳しくは、本発明は、飛行時間質量分析用の検出器として用いられる電子増倍管に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子増倍管は、飛行時間質量分析用の検出器として用いられることもある。電子増倍管には２つのタイプがあり、離散ダイノード電子増倍管（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｄｙｎｏｄｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）および連続ダイノード電子増倍管である。離散ダイノード増倍管は、通常、カソードと、プレートまたはプレートのアッセンブリの形状をした一連のダイノードと、抵抗器のチェイン（ｃｈａｉｎ）によって相互接続されたアノードとからなる。そのチェインに高電圧を印加することによって、ダイノードの各ペア間に電位差が生成され、それによって、ダイノードのチェインからアノードへと二次電子を運動させる。
【０００３】
電子増倍管では、カソードに衝突するイオンまたは別の粒子によって、第１のダイノードへと加速される二次電子が生成される。第１のダイノードに衝突すると、それらの電子は、次には第２のダイノードへと加速される別の二次電子の集合を生成し、増倍管の間中以下同様である。対となるダイノード間の電位差が十分大きい場合において、ダイノードに衝突する各電子は、平均して、１個よりも多くの二次電子を生成する。特定のダイノードにおいて生成される一次電子一つあたりの二次電子の平均数は、電子増倍管のその段におけるゲインである。電子増倍管全体のゲインは、カソードから最終ダイノードまでの各段におけるゲインを掛け合わせたものである。電子増倍管に印加される電圧を増やすことによって、通常、ダイノード間の電圧は増え、各段におけるゲインが増し、それによって、増倍管全体のゲインが増す。典型的な電子増倍管は１０〜３０の段を有し、１０００〜５０００Ｖの印加電圧で動作し、１０５よりも大きなゲインを生成することが可能である。
【０００４】
離散ダイノード増倍管は、通常、光子、イオンまたは中性分子などの粒子の検出に用いられる。電子増倍管を用いて非常に大きなゲインが可能であるために、いくらかの効率で、電子増倍管の転換表面（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅ）において二次電子の生成を引き起こすに十分なエネルギーを有する単一粒子が来たことを検出することが可能である。さらに、１０００個を超えて同時に来る粒子に対応する入射信号に対して電子増倍管が線形に振舞うことができる。この瞬間ダイナミックレンジに加えて、電子増倍管は、典型的には、数ナノ秒よりも短い応答時間を有し、一分あたり数個の入射粒子よりも小さいものに対応するノイズレベルを有する。それらの特徴が合わさることによって、電子増倍管は、一分あたり数個の粒子から一ナノ秒あたり数百個の粒子のフラックスの測定に有用である。
【０００５】
図１は、シンプルな電子増倍管の典型的な配線図１００である。カソード１０２および後続の各増幅器段が互いに正しくバイアスがかけられるように、外部電源を電子増倍管に接続する必要がある。電子は電子増倍管を介して加速される必要があるので、第１のダイノード１０４は、カソード１０２よりも高電位に保たれ、後続の各ダイノード１０６〜１１６は、前のダイノードよりも高電位に保たれる。効率的な動作のためには、電子増倍管のはじめの数段に印加される電位差は、多くの場合、増倍管の真中の段に印加される電位差の数倍である。電子増倍管の中間の段における電位は、個々の電源（例えば、電池または電源装置）によって供給され得るか、または、より一般的には、少数の電源１２２と多段電圧分配器（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｄｉｖｉｄｅｒ）１２０を形成する抵抗器のネットワークとによって供給され得る。
【０００６】
電子増倍管の増幅機能のために、各ダイノードは、前のダイノードよりも多くの電子を供給する。従って、アノード１１８付近の電源は、チェインにおける前の電源よりも多くの電流を供給する必要がある。電子増倍管を用いて測定されるイオンのフラックスは通常パルス状であるので、アノード１１８付近のダイノードに対する追加の電流にコンデンサ１２４が供給され得る。これらのコンデンサによって、入力信号の増倍（増幅）中における電子放出によって生じるダイノード間の電圧の変化が低減され、入力信号がわずかであるか、またはない期間中においてこれらのコンデンサはバイアスネットワーク１２０を介して再充電される。
【０００７】
増幅器の出力が入力信号に固定比率で比例する限り、電子増倍管は、線形に動作すると言われる。電子増倍管の線形範囲の上限付近の入力信号に対しては、電子増倍管は、ダイノードからそれに関連したコンデンサまでの電子放出によってダイノードの電位が有意に変化するまで（この変化は、今度は増倍管のゲインを変化させる）、電子増倍管は、高出力信号を維持し得る。この時点において、電子増倍管は、飽和状態になったと言われる。大入力信号が続くと、電子増倍管のゲインは、出力信号が連続的に供給され得るに十分小さくなるまで、減少し続ける。この時点において、電子増倍管は、完全に飽和したと言われ得る。
【０００８】
飽和イベントから回復するためには、電子増倍管のダイノードに関連した静電容量を再充電する必要がある。この再充電は、通常、バイアスネットワークの抵抗器を介して起こる。電子増倍管のバイアスネットワークが、通常、約１０７オームのインピーダンスを有し、ダイノードがほぼ１０−１１Ｆの静電容量を有するので、ダイノードの静電容量の再充電は、約１０−４秒の固有時間で起こる。電荷蓄積部として追加の静電容量を追加することによって、この時間は格段に増え得る。例えば、１０ｎＦの追加の静電容量によって、０．１秒へと再充電の固有時間が増す。これらは、電子増倍管によって生成される典型的なパルス幅（数マイクロ秒）と比較すると非常に長い時間である。この再充電時間の間において、その増倍管は、完全に荷電したダイノードのチェインを有する増倍管のゲインまたは線形性を有しない。
【０００９】
電荷の欠乏によって引き起こされる非線形性から回復するために必要とされる長い時間は、増倍管を電荷欠乏状態にさせ得る大きな信号の後に小さな着目信号が続く状況下での電子増倍管の有用性が制限される。飛行時間マトリックス支援レーザー脱離イオン化分析（「ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ」）が、そのような用途である。ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、大きなマトリックス信号（そのマトリックス信号は電子増倍管を電荷欠乏状態にさせ得、そのマトリックス信号が終わった後かなりの時間、イオンの効果的な検出を妨げ得る）の後に、適切に調節された状態で、着目イオンが続く。
【００１０】
電荷欠乏を解決する一つの方法は、ダイノードのチェインにより大きな静電容量を備えた電子増倍管を設計することである。この解決法のインプリメンテーションの一例が、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（「ＡＳＭＳ」）の会議（２００２年、Ｏｒｌａｎｄｏ  Ｆｌｏｒｉｄａ）において、Ｋｅｖｉｎ  Ｌ．Ｈｕｎｔｅｒ，Ｄｉｃｋ  Ｓｔｒｅｓａｕ，Ｗａｙｎｅ  Ｓｈｅｉｌｓによる「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｕｌｓｅ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ  ａｎｄ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」によって提示された。各ダイノードに追加された追加の静電容量によって、電荷欠乏状態になる前に、電子増倍管がさらに大きな出力電流を生み出すことを可能にした。図２は、コンデンサ２２６〜２４４をダイノードチェインの各ダイノードに接続させるように修正された電子増倍管の回路図２００を示す。
【００１１】
追加の静電容量は、電荷欠乏の開始を遅らせることになるが、検出器は、その寿命にわたって決まった量の電荷を供給し得るのみであるので、追加の静電容量、および、より大きい可能な出力電流は、検出器の寿命の実質的な短縮を招き得る。最初の結果は、そのような検出器の寿命が、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳに用いられる場合において、数日までの短さになり得るということを示している。追加の静電容量の別の不利な点は、飽和後の電子増倍管の回復時間が実質的に増加するということである。
【００１２】
従って、上述した欠点を被らない改良された電子増倍管が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の概要）
本発明は、改良された電子増倍管のバイアスネットワークに向けられたものであり、そのネットワークは、増倍管が非常に大きな入力信号に直面した場合において増倍管の応答を制限し、また、その大きな入力信号の非常に短い時間の後における増倍管の回復を可能にする。
【００１４】
一局面では、本発明は、粒子の受け取りに応答して電子を放出するカソードであって、該粒子は荷電粒子と中性粒子と光子とのうちの一つである、カソード；整列したダイノードのチェインであって、各ダイノードは、前のダイノードからの電子を受け取り、該チェイン内の次のダイノードによって受け取られる多数の電子を放出し、該整列したダイノードのチェインの第１のダイノードは、該カソードから放出された電子を受け取る、整列したダイノードのチェイン；該整列したダイノードのチェインの最後のダイノードによって放出された電子を収集するアノード；該整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、特定の電位のバイアスをかけるバイアスシステム；電荷蓄積部のセットであって、該電荷蓄積部のセットの各電荷蓄積部は、該整列したダイノードのチェインの該ダイノードのうちの１つに接続されている、電荷蓄積部のセット；および、該ダイノードのうちの１つと、それに対応する電荷蓄積部との間に配置された分離素子であって、制御された態様かつ急速に該増倍管が飽和状態になることと飽和状態から抜け出すこととを可能にするように、該増倍管が大きな入力信号を受け取るときにおいて該電子増倍管の応答を制御するように構成されている、分離素子を含む電子増倍管を提供する。
【００１５】
一実施形態では、上記バイアスシステムが、上記整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、前のダイノードの電位よりも高い電位のバイアスをかける。
【００１６】
一実施形態では、上記分離素子が、該分離素子を有しない電子増倍管よりも、飽和イベントの後のダイノードの電位の回復が速くなることを可能にするように構成されている。
【００１７】
一実施形態では、上記電子増倍管が、短い時間間隔で起きる信号が生成する２つのイベントのうちの第２のイベントに基本的に線形に応答することを可能にするように、上記ダイノードと、上記電荷蓄積部と、上記分離素子とが構成されており、該分離素子なしの電子増倍管では第１の信号が生成するイベントは該電子増倍管を飽和状態にさせ、該第２の信号が生成するイベントにひずみまたは欠損を引き起こす。
【００１８】
一実施形態では、上記分離素子が分離素子のセットのうちの１つであり、該分離素子のセットの各々が、上記ダイノードのうちの１つとそれに対応する電荷蓄積部との間に配置されている。
【００１９】
一実施形態では、上記分離素子が抵抗器である。一実施形態では、上記分離素子の抵抗値が、上記バイアスシステムの実効抵抗値よりも小さい。
【００２０】
一実施形態では、上記増倍管が、上記分離素子なしの電子増倍管よりも、飽和イベントからはやく回復することを可能にするように、該分離素子が構成されている。
【００２１】
一実施形態では、上記電荷蓄積部のうちの１つ以上がコンデンサ、電気化学電池、または電源である。
【００２２】
一実施形態では、上記増倍管が大きな信号に応答して出力することができる電荷の量を制限するように、上記分離素子が構成されている。
【００２３】
一局面では、本発明は、電子増倍管を動作させる方法を提供し、その方法は、増倍管が、制御された態様で飽和状態になることと飽和状態から抜け出すこととを可能にするように、増倍管が大きな入力信号を受け取るときにおいて分離素子を用いて電子増倍管の応答を制御するように電子増倍管を提供することであって、該電子増倍管は、粒子の受け取りに応答して電子を放出するカソードであって、該粒子は荷電粒子と中性粒子と光子とのうちの一つである、カソード；整列したダイノードのチェインであって、各ダイノードは、前のダイノードからの電子を受け取り、入射電子のエネルギーが十分に大きい場合において該チェイン内の次のダイノードによって受け取られる多数の電子を放出し、該整列したダイノードのチェインの第１のダイノードは、該カソードから放出された電子を受け取る、整列したダイノードのチェイン；該整列したダイノードのチェインの最後のダイノードによって放出された電子を収集するアノード；該整列したダイノードのチェインの各ダイノードに、特定の電位のバイアスをかけるバイアスシステム；電荷蓄積部のセットであって、該電荷蓄積部のセットの各電荷蓄積部は、該整列したダイノードのチェインの該ダイノードのうちの１つに接続されている、電荷蓄積部のセット；および、該ダイノードのうちの１つと、それに対応する電荷蓄積部との間に配置された分離素子とを備える。
【００２４】
一局面では、本発明の方法は、上記分離素子に関連した上記電荷蓄積部から取り出され得る電流の量を制限するために該分離素子を用いることであって、それによって上記電子増倍管がゆっくりと飽和状態になる、ことを含む。
【００２５】
別の局面では、本発明の方法は、上記分離素子に関連した上記電荷蓄積部と該分離素子に関連した上記ダイノードから追い出され得る電流の量を最小化するために該分離素子を用いることであって、それによって飽和状態から回復するために必要とされる時間が低減される、ことを包む。
【００２６】
別の局面では、本発明の方法は、上記電子増倍管が、短い時間間隔で起きる信号が生成する２つのイベントのうちの第２のイベントに基本的に線形に応答することを可能にするように、上記ダイノードと、上記電荷蓄積部と、上記分離素子とを構成することであって、該分離素子なしの電子増倍管では第１の信号が生成するイベントは該電子増倍管を飽和状態にさせ、該第２の信号が生成するイベントにひずみまたは欠損を引き起こす、ことを含む。
【００２７】
別の局面では、本発明の方法は、上記バイアスシステムの実効抵抗値よりも小さい上記分離素子の抵抗値を選択することを包む。
【００２８】
本発明の本質および利点をさらに理解するためには、添付の図面とともに以下の説明を参照するべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施形態は電子増倍管のバイアスネットワークの修正形態に向けられたものであり、この電子増倍管のバイアスネットワークは、この増倍管が対象範囲の上限よりも大きい入力信号と直面する場合に増倍管の応答を制限し、さらにその大きな入力信号がおわる場合にその電子増倍管が完全かつ迅速に回復することを許容する。迅速に回復することにより、この検出器は範囲外の信号が終了する後に短時間のうちに生じる小さな信号を計測するために使用することが可能となる。範囲外の入力信号に対して電子増倍管の応答を制限することは、範囲外の信号の間においてその増倍管のゲインを減らすことによって、その検出器の寿命を増やすさらなる利益を有する。次の用語が本明細書中で使用され、すなわちそれは：範囲内信号（ｉｎ−ｒａｎｇｅ  ｓｉｇｎａｌ）；範囲外信号（ｏｕｔ−ｏｆ−ｒａｎｇｅ  ｓｉｇｎａｌ）；および飽和信号（ｓａｔｕｒａｔｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）であり、入力信号の様々な範囲を記述する。範囲内信号は上記電子増倍管の線形範囲内の信号である。範囲外信号は、対象信号範囲における最大信号よりも大きい信号である。ここに記載される電子増倍管の修正形態により、これらの信号は制限される。つまり、低減されたゲインで、これらの信号は電子増倍管を通される。飽和信号は、ここに記載された修正形態を有しない電子増倍管を飽和状態にするほど十分に大きい入力信号である。飽和状態とは、上記増倍管のダイノードおよび電荷蓄積部から電荷を除去する結果、大きな信号により増倍管の応答が実質的に非線形となる場合の上記増倍管の状態である。
【００３０】
図３は、本発明の実施形態にしたがって修正された電子増倍管の回路図３００を示す。この図は、１０個のダイノード３０２〜３２０の整列したチェインであって、通常の動作下では、各ダイノードは、先のダイノードから電子を受け取り、そのチェインにおける次のダイノードによって受け取られるように多数の電子を発する、チェイン；ダイノードチェイン中の最後のダイノードによって発せられた電子を収集するアノード３２２；先のダイノードの電位よりも高い電位となるように各ノードにバイアスをかける抵抗分配器３２４を有して形成されるバイアスシステム；および検出イベント中にダイノードからの電流損失を供給するように各ダイノードに接続される電荷蓄積部３２６〜３４４を示す。さらには、図３は、ダイノード３１６とその対応する電荷蓄積部３４０との間内に接続される分離素子３５０を示す。明細書本文の目的として、この分離素子３５０は回復制御素子（ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）と呼ばれ、分離素子３１６と接続されるダイノードは、回復制御ダイノードと呼ばれる。その回復制御ダイノードとその電荷蓄積部との間の分離素子の重要性は、分離素子がその電荷蓄積部の静電容量からそのダイノードの静電容量を分離または絶縁させることである。一実施形態においては、この回復制御素子は抵抗器である。
【００３１】
この回路の一実施形態は、次のコンポーネント値を有する：抵抗器（３２４）  １ＭΩ、コンデンサ（３２６−３４０）  １ｎＦ、コンデンサ（３４２）  ３．３ｎＦ、コンデンサ（３４４）  １０ｎＦ、および回復制御素子（３５０）  ２００ｋΩ。これらの値は、上記検出器からの所望の出力と同様に、入力信号の予測値に基づいて選択される。これらのコンポーネント値の特性諸局面には以下：１）回復制御素子（３５０）の抵抗は、回復制御素子によって見られるバイアスネットワークの抵抗より実質的に小さい、および２）上記回復制御ダイノードに関連する電荷蓄積部の電荷蓄積部静電容量は、回復制御ダイノードに内在する静電容量と回復制御ダイノードに直接接続される任意の静電容量とを足したものよりずっと大きい、が含まれる。これらの特性が本明細書中で使用される一方、電子増倍管を使用して粒子を検出する技術において必須の技術を処理する人には、コンポーネントの他の値も使用され得ることが理解される。代替的な実施形態では、回復制御素子は可変な抵抗器である。しかし代替的には、この回復制御素子は、抵抗および静電容量を有するデバイスまたは回路であり、この回復制御素子はインピーダンス値を有し、特定の応答を持つように調節され得る。したがって、一定の条件下では、回復制御素子またはデバイスまたは回路が所定の位置に配置されて、この検出器は、回復制御ダイノードから電荷を引き出す一方、電荷蓄積部からの電荷欠乏を制限することを可能とし、この検出器が早く回復することが可能とする。分離素子である回復制御素子としてインピーダンスデバイスまたは回路を使用することにより、周波数依存である回路および検出器を調節可能である。
【００３２】
このバイアスネットワークにより、電子増倍管の応答は上記入力信号のレベルの関数として制御された態様で変わる。便宜上、本発明の実施形態にしたがう電子増倍管のふるまいは、先に定義した入力信号レベルに対応する３つの領域に分けられる。すなわち、範囲内信号、範囲外信号および飽和信号である。
【００３３】
範囲内信号に関しては、ダイノードおよびそれらに関連するコンデンサの電位は抵抗分配器により決定される。これらの信号は、回復制御ダイノードの電荷欠乏を引き起こすほど大きくなく、また、回復制御素子間に有意な電圧降下を生じさせるほど大きくなく、また、電荷蓄積部の電荷欠乏によって他のダイノードに有意な電位変化を生じさせるほど大きくない。したがって、電子増倍管のゲインは、印加信号によって擾乱されず、このゲインは、回復制御素子がないかのように線形的に振舞う。
【００３４】
範囲外信号に関しては、実質的に電位を変化させるために、十分な電荷が、比較的小さな回復制御ダイノードの静電容量から取り除かれる。実質的な電位変化は、検出器の作動中における計測可能な変化になり得る電位変化である。この回復制御素子は回復制御ダイノードとその電荷蓄積部との間において一定の分離を提供するので、回復制御ダイノードの電位は、電荷蓄積部により直接安定化するわけではない。そのかわりに、この回復制御ダイノードは、回復制御素子の抵抗Ｒｒｃｅおよび回復制御ダイノードの静電容量Ｃｒｃｄにより規定された固有時間τ＝ＲｒｃｅＣｒｃｄで再充電する。したがって、短時間の範囲外信号により電子増倍管はゲインが低減された状態となるが、その状態からその電子増倍管は固有時間τで回復し得る。回復制御ダイノード用の電荷蓄積部の静電容量Ｃｒｃｃｒは第２の固有時間Ｔ＝ＲｒｃｅＣｒｃｃｒを規定する。この固有時間は、電子増倍管が飽和状態にならずに範囲外信号が処理され得るトータルの時間を決定する。先に与えたコンポーネント値および回復制御ダイノード静電容量（５ｐＦ）に関しては、固有の充電時間τは１マイクロ秒である。これは、回復制御素子を有さない電子増倍管の飽和から回復する標準的な時間（１０−４〜０．１秒）よりずっと早い。
【００３５】
飽和信号に関しては、その回復制御素子は、この回復制御ダイノードの電荷蓄積部から引き出され得る電流量を制限し、その結果この電子増倍管はゆっくりと飽和状態になる。このことから飽和信号に応答して、増倍管による全電荷出力が減り、その結果、増倍管の作動寿命が延びる。さらにそれは、回復制御ダイノードの電荷蓄積部および回復制御ダイノードの後ろのダイノードから除かれる全電荷量を最小化し、その結果、飽和状態から回復するために必要な時間を減らす。上記ダイノードの任意の電荷蓄積部中に蓄電された電荷が大幅に欠乏すると、回復制御素子を有する増倍管の回復時間は、同程度欠乏した回復制御素子を有しない増倍管と同様である。適切に配置された回復制御素子の利点の１つは、その素子が電荷蓄積部の欠乏を最小化することである。
【００３６】
そのダイノードと直接関連する静電容量、回復制御素子の抵抗および回復制御ダイノードに対する電荷蓄積部の静電容量は、設計によってすべて変えられ得るので、回復時間および信号容量は、入力信号の特性と一致するように設計され得る。このような設計において、いくつかの考慮すべき事項は、
１）回復制御素子の抵抗またはインピーダンスが小さいほど速い回復が提供されることと、
２）回復制御素子の抵抗またはインピーダンスが大きいほど、増倍管が飽和状態になる前の範囲外信号の周期が大きくなり、連続的に範囲外信号の出力ピークが低くなることが可能になることと、
３）回復制御ダイノードの静電容量が小さいほど、電子増倍管はより低い信号レベルに制限され、より速い回復を提供することと、
４）ダイノードチェインの末端に近いダイノードと回復制御素子を結合することは、ダイノードの静電容量が同じであると仮定する場合、末端に近いほど上記制限がより低い信号レベルを生じさせるが、ダイノードにより弱い保護を提供することとである。
【００３７】
上述のように、分離素子は、上記ダイノードチェインの後段において、１つの電荷蓄積部と１つのダイノードとの間に配置される。代替的には、分離素子は任意のダイオードとそれに対応する電荷蓄積部との間に配置され得る。さらに代替的には、１個よりも多くの分離素子は、バイアスネットワーク中で使用され得、ここで、このような分離素子の各々はダイノードとその電荷蓄積部との間に配置される。この分離素子がそのチェインの前段に配置される場合、上記制限はより高い信号レベルで生じ、その分離素子がそのチェインの後段に配置される場合には、この制限はより小さいレベルで生じ、ここで、そのチェインのより前段とは、第１のダイノードにより近いことを、そのチェインのより後段とは、そのアノードにより近いことを意味する。
【００３８】
本発明の実施形態の一利点は、電荷蓄積部により提供される電荷を大幅に欠乏することなく、増倍管が範囲外信号を処理することが可能なことである。修正された増倍管の制限する挙動は、その回復制御ダイノードのもともと持っている静電容量（適切な場合には、他のコンデンサが付加される）に蓄電された電荷の欠乏により生じ、コンデンサのチェインに蓄電された電荷に関係していない。したがって、そのコンデンサのチェイン上の電荷は、範囲外信号によって欠乏されないので、その電荷は回復制御ダイノードを再充電するのに利用可能である。その結果、本発明の実施形態にしたがった増倍管は、飽和状態の分離素子を持たない増倍管を駆動するのに十分大きな信号に続く小さな信号に対して減衰されていない応答を示す。このようなイベントは、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは一般的であり、ここでは、対象の高質量分子を放出するのに使用される分子（一般にはマトリクス分子（ｍａｔｒｉｘ  ｍｏｌｅｃｕｌｅ）呼ばれる）を吸収する低い質量エネルギーが検出器に早く到着し、対象分子よりはるかに多数の分子が到達することも多い。例えば、加速電位２０ｋＶを使用する０．７５メートル長のＴＯＦＭＳでは、対象分子（糖たんぱく質免疫性グロブリンＧ（「ＩｇＧ」）は、非常に大きいマトリクス信号の後１６４マイクロ秒で、検出器として使用される電子増倍管に到達する。
【００３９】
図４は、本発明の実施形態にしたがって、分離素子を有する場合および分離素子を有さない場合の単一電子増倍管の高強度のイオン信号に対する応答を示すグラフ４００である。その検出器への入力信号はイオンの高強度パルスであり、この信号はそのプロット上の約２３Ｅ−０７秒から始まって、検出器を飽和状態にするのに十分大きく、その際、この検出器は分離素子を有さない。この検出器の出力信号（負電流）は、時間に対してプロットされる。上側の曲線４０２は、分離素子を有する検出器の応答を示し、下側の曲線４０４は、分離素子を持たない検出器応答を示す。図４から分かるように、これら２つの曲線はプロット上の約３０Ｅ−０７秒までは実質的には同一であり、その際、分離素子は、分離素子を持つ検出器の応答（曲線４０２）を大きく減少させている。このプロットが示すのは、検出器の初期応答に影響しない一方で、分離素子が、積分された出力電流に実質的な制限を提供するということである。
【００４０】
図５は、分離素子を持つ検出器の積分電流に対する、本発明の実施形態にしたがって分離素子を持たない同様な検出器によって供給された積分電流の比をＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ中のイオンを放出するために使用されるレーザー強度の関数として示すグラフ５００である。この図は、検出器へのイオン信号が増えるにつれて、次第に分離素子の効果がはっきりとすることを示している。さらにいえば、示されていないが、そのレーザー強度スケールにおける強度約２５０未満では、２つの検出器の応答は同一である。
【００４１】
本発明の実施形態は様々な代替的な回路構成を含む。上述のように、分離素子はダイノードチェインの後段における特定の電荷蓄積部と特定のダイノードとの間に配置される。代替的には、分離素子は任意のダイノードとその対応する電荷蓄積部との間において配置され得る。等しい静電容量のダイノードに関しては、分離素子がカソード近くのダイノードと関連する場合には、上記制限が高信号レベルで生じるのに対して、分離素子がアノード近くのダイノードと関連する場合には、上記制限は低信号レベルで生じる。さらに代替的には、２つ以上の分離素子がバイアスネットワーク中で使用され得、ここでこのような各分離素子はダイノードとその電荷蓄積部との間に配置される。そのように変形された電子増倍管基本的な特性は、単一の分離素子を有する増倍管と同様であり、いくつかの分離素子は、より複雑な動的の特徴をもつ設計を許容する。これらの特徴は、特定の適用とマッチされ得るか、電子増倍管から特定の有効な応答を生じるように設計され得る。
【００４２】
さらに言えば、上述のように、コンデンサは各ダイノードの電荷蓄積部として使用される。代替的には、いくつかのダイノードが電荷蓄積部を持たずに残り得る。さらに代替的には、コンデンサは分離素子のダイノード側に付加され得、１個以上の回復制御ダイノードの静電容量を増加し得る。この配置は制限する挙動が始まる信号レベルを増加させ、大きな入力信号の後の回復時間を増加させる傾向がある。代替的には、バッテリーまたは電源が１個以上の電荷蓄積部として使用され得る。
【００４３】
信号のロールオフを達成するための別の方法は、ブランキング回路によるものである。ブランキング回路の構成においては、ダイノード、好ましくは初段におけるまたはその付近のダイノードの段の間のゲインは、実効的に検出器を動作させないために、ほぼゼロになるまで選択的に低められ、または減らされる。電子が次のダイノードにひきつけられることを妨害するダイノード電圧を減らすためにブランキング回路を使用することが、初期における大きな入力信号に対する増倍管の応答を制限し、その後、ブランキングはオフとなり、この検出器は通常粒子を検出し得る。ブランキング回路の使用は、飽和状態になりやすい検出器の公知の手法であり、特にチャンネルプレート（ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｌａｔｅ）はそうである。ＴＯＦ−ＭＳのように、ブランキングはＴＯＦ−ＭＳ性能およびスペクトルを改善する方法として使用され得る。ＴＯＦ−ＭＳインプリメンテーションでは、ＤＣ電位の変更よりもむしろ、例えば、別々の電子増倍管中のダイノードと容量性の結合によるパルスまたは切り替え電圧を適用することによって、ブランキングが実行され得る。
【００４４】
本発明の実施形態にしたがった電子増倍管は、既存の電子増倍管よりも多くの利点を有する。本発明の実施形態による電子増倍管は、大きな信号の到達後、すべての小さな信号の感度の迅速な回復を提供し得、範囲外信号または飽和信号に応答して検出器によって供給された電荷を減らすことによって電子増倍管の寿命を伸ばし得る。結果として、本発明の実施形態は、信号のダイナミックレンジが電子増倍管の範囲内キャパシティを超過する状況において、電子増倍管が定量的に動作することを可能にする。
【００４５】
したがって、当業者によって理解されるように、広いダイナミックレンジを有する改善された電子増倍管に関する本発明は、その主要な特性から逸脱せずに他の特定の形式中で具現化され得る。例えば、１個よりも多くの分離素子が、電荷蓄積部からダイノードを動的に分離するために回路において活用され得る。加えて、この回路はサイズおよび規格を変えた素子を使用することによって修正され得、異なった可能なダイナミックレンジの回路および／または電荷制限および／または回復時間が調整され得る。これらの回路の改変およびその別のものは、異なった可能なダイナミックレンジおよび／または電荷制限および／または回復周期の回路を調整するために使用され得る。したがって、先の開示は、本発明の範囲の例示であることが意図され、これに制限されず、本発明は、添付の特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】基本的な電子増倍管の典型的な配線図である。
【図２】ダイノードチェインにおいて各ダイノードに接続されたコンデンサを有するように修正された電子増倍管の回路図である。
【図３】本発明の実施形態にしたがって修正された電子モディファイアの回路図である。
【図４】高強度のイオン信号に対する２つの電子増倍管の応答の比較を示すグラフであり、ここで、上記２つのうちの１つのみが、本発明の実施形態による分離素子を有する。トレース（４０４）のベースラインがトレース（４０２）に関してシフトダウンされていることに注目されたい。
【図５】このような分離素子なしの検出器の電流の総和に対して、本発明の実施形態にしたがった分離素子を有する検出器により供給される電流の総和の比を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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