(57)【要約】  機器が入力信号を受信する際に、リアルタイムで下流のダイノードのゲインを調整する新規の電子倍増管が導入されている。特に、本発明の方法、電子倍増管の構造、及び連結された制御回路は、装置の出力付近の１つ以上の下流ダイノードの電圧調整を可能にするために、所定のしきい値検出信号を受信した際に、結果として生じるオンザフライの制御信号が生成されることを可能にする。従って、ここで提示されているそのような新規の設計は、装置にとって不可欠であるダイノード構造の劣化過程を加速させ得る有害な電流パルスに、機器の出力付近のダイノードがさらされることを防止する。【選択図】図１Ａ
2013524444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子検出器であって、
１つ以上の入力信号を表わす入射粒子の受け取りに応答して電子を放出する陰極と、
受け取った入射粒子の数に関連する、陽極における感度電流を供給するように構成された、複数の縦列ダイノードと、
前記複数の縦列ダイノードの一部分として配置され、受け取った電子をさらなる増幅のために前記複数の縦列ダイノードの残りへと向かわせるための、及び、前記１つ以上の入力信号の大きさを示す検出電流を供給するための、中間に置かれているダイノードと、
前記複数の縦列ダイノード内の１つ以上の下流ダイノードと連結され、前記検出電流が所定の電流しきい値に適合する際に、前記１つ以上の下流のダイノードに対して電圧ゲインを調整するように、前記検出電流を受け取るように構成された制御回路と、を備える粒子検出器。
【請求項２】
前記中間に置かれているダイノードが分割された不均等な区間を含む、請求項１の粒子検出器。
【請求項３】
前記不均等な区間が、受け取った電子をさらなる増幅のために前記複数の縦列ダイノードの残りへと向かわせるように構成された第一部分と、電圧ゲインを前記１つ以上の下流のダイノードに対して調整するために、前記検出電流を供給する第二部分と、を備える請求項２の粒子検出器。
【請求項４】
前記不均等な区間が９０％−１０％の比率を含み、前記９０％の部分が、受け取った電子をさらなる増幅のために前記複数の縦列ダイノードの残りへと向かわせるように構成され、前記１０％が、前記電圧ゲインを前記１つ以上の下流のダイノードに対して調整するために、前記検出電流を供給するように構成された、請求項２の粒子検出器。
【請求項５】
前記中間に置かれているダイノードが、第一の電位において、電子を受け取り、受け取った電子をさらなる増幅のために前記複数の縦列ダイノードの残りへと向かわせるように構成された隙間のある電極を備えると共に、前記メッシュ電極と異なる電位において、隣接して結合された電極が、前記隙間のある電極を通じて方向付けられた電子を受け取り、前記検出電流を供給する、請求項１の粒子検出器。
【請求項６】
前記中間に置かれているダイノードが、受け取った電子をさらなる増幅のために前記複数の縦列ダイノードの残りへと向かわせるように構成された第一部分と、前記電圧ゲインを前記１つ以上の下流のダイノードに対して調整するために、前記検出電流を供給する第二部分と、をさらに含む均等に分割された区間を備える、請求項１の粒子検出器。
【請求項７】
前記中間に置かれているダイノードが、球面構造、円筒構造、メッシュ構造、平らな構造、及び曲がった構造から選ばれた少なくとも１つの電極構造を備える、請求項１の粒子検出器。
【請求項８】
前記複数のダイノードが少なくとも１３個のダイノードから約４０個までのダイノードを含む、請求項１の粒子検出器。
【請求項９】
調整されるべき前記下流のダイノードが前記陽極に隣接する、請求項１の粒子検出器。
【請求項１０】
前記下流のダイノードが約５ｋＶ／μｓ未満のスルーレートを備える、請求項１の粒子検出器。
【請求項１１】
前記中間に置かれている分割されたダイノードにより供給される利用可能な検出電流が、少なくとも１００ｐＡである、請求項１の粒子検出器。
【請求項１２】
前記入射粒子が、荷電粒子、中性粒子、及び光子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１の粒子検出器。
【請求項１３】
前記検出器が光電子倍増管を備える、請求項１の粒子検出器。
【請求項１４】
前記複数の縦列ダイノードが抵抗回路網と連結している、請求項１の粒子検出器。
【請求項１５】
前記制御回路が、ダイノードからダイノードへと向けられる、伝播している増幅された電子の到着以前に、制御信号を供給するように構成された個別の回路を備える、請求項１の粒子検出器。
【請求項１６】
前記検出器粒子が、飛行時間型機器（ＴＯＦ）及び四重極の電極装置から選ばれる、少なくとも１つの質量分析計の機器により提供される粒子を検出できる、請求項１の粒子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粒子検出器の計器装備に関する。より具体的には、本発明は、中間のダイノードにより生成されたリアルタイム信号が、機器の出力付近のダイノードに対するゲインをリアルタイムで調整するために、モニターされる、電子倍増管に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子倍増管は、質量分析により提供される光子、中性分子、及び／又はイオンなどの粒子の検出用の検出器として、しばしば用いられる。そのような装置の配置は変化し得るが、一般的な有利な設計には、約１０〜２５個である複数の個別の電子倍増管を配置した構造（ダイノード）に連結される陰極、陽極、及び一連の抵抗とコンデンサが含まれる。集合的に、そのような配置は、約１０００〜５０００Ｖの電圧で動作するとき、約１０5以上から約１０7迄のゲインを可能にすることが多い、複数のステージを提供する。有利なことに、（個別の）ダイノード配置及び動作パラメータは、様々な走査モードにおいて動作するとき又は時間遷移を記録するとき、一般的にイオン束が大きく変動する、質量フィルタ、イオントラップなどであるがそれらに制限されない質量分析器と、飛行時間型質量分析計とを用いて動作するように構成される場合、イオン検出器の一部として利用されることが多い。
【０００３】
一対のダイノード間の電位差は、ダイノードに打撃を与える電子が２つ以上の二次電子を生成可能なように設計されることが多い。特定のダイノードにおいて生成される一次電子当りの二次電子の平均数は、全体の電子倍増管のゲインが陰極から最後のダイノード迄の全てのステージにおけるゲインの積である場合に、電子倍増管の当該ステージのゲインである。電子倍増管に加えられる電圧の増大により、一般にダイノード間の電圧が増大して各ステージのゲインが増し、それによって全体の倍増管のゲインが増加する。高いゲインでこれらの検出器を動作させることが、信号対雑音比を改善するための、低レベル信号の検出のために望まれる。しかしながら、そのような高いゲイン値及び従って強い二次磁束は、様々なダイノード構造に沿った、電流増幅の最終段階における強い電子流をもたらす。個別のダイノード構造の使用によりチェーンの最終部分における個々のダイノードのより優れた制御が可能となるが、有利な設計は依然として、強い電子流が装置の出力付近のダイノードに打撃を与えることを全体的には防止出来ない。
【０００４】
個別のダイノード電子倍増管を使用するときの、劣化の主要な理由の１つは、機器の陽極に近接した１つ以上のダイノードの表面におけるカーボンの堆積である。過度のカーボン堆積の蓄積は、カーボンのダイノード表面への結合を可能にする、陽極付近のダイノードから来る二次電子の、単位面積当りの線量が高くなることの原因とされてきており、これにより二次の生成量が減少する。その現象の一部分として、最も典型的にはイオントラップ機器における貧弱な真空条件で、カーボンの有害な集積がより速く生じる。当業者は、この問題を解決するため：１）カーボンの集積を減らすためにバックグラウンド圧力を低減させること、２）電子衝撃の下におけるダイノードの活性化表面領域を増加させること、３）装置を清掃するため、及び／又は改修するためにダイノード構造を分解すること、を含むアプローチを適用してきた。しかしながら、そのようなアプローチは、ダイノード構造の劣化過程を幾分か改善することを示してきた一方で、それらは技術的な課題及び関連する費用のため、必ずしも望ましくない場合が多い。
【０００５】
初期に大きな入力信号を受けるとき機器の応答を制限する電子倍増管に関する背景情報は、Ｋｅｌｌｅｒ他に付与された、２００５年１月１１日に発行された“ＦＡＳＴ ＲＥＣＯＶＥＲＹ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ”と題された、米国特許第６，８４１，９３６号明細書に記述され、特許請求されており、これは以下を含んでいる、すなわち、「倍増管が非常に大きな入力信号に直面するとき倍増管の応答を制限するが、その後倍増管が大きな入力信号に続いて高速で回復することを可能にする、改善された電子倍増管バイアス・ネットワーク。一態様において、この発明は荷電粒子、中性粒子、又は光子のうちの１つである、粒子を受け取ることに応答して電子を放出する陰極を持つ電子倍増管を提供する；各ダイノードが前のダイノードから電子を受け取り、チェーン内の次のダイノードによって受け取られるより多数の電子を放出する、順序付けられたダイノードのチェーンであり、ここで順序付けられたダイノードのチェーンの最初のダイノードが陰極により放出された電子を受け取る、順序付けられたダイノードのチェーン；順序付けられたダイノードのチェーンの最後のダイノードより放出された電子を収集する陽極；順序付けられたダイノードのチェーンの各ダイノードに、特定の電位へとバイアスをかける、バイアスシステム；一組の電荷貯蔵器の各電荷貯蔵器が、順序付けられたダイノードのチェーンのうちの１つのダイノードに接続されている、一組の電荷貯蔵器；および、倍増管が制御された高速の方法で飽和状態に入り、そこから出ることを可能にするように、倍増管が大きな入力信号を受けるとき、絶縁要素が電子倍増管の応答を制御するために構成される、複数のダイノードの１つとその対応する電荷貯蔵器との間に置かれる絶縁要素。」
【０００６】
フィードバックを陽極付近に位置するダイノードに供給するための、ゲイン制御回路を含む光電子倍増管に関する背景情報は、Ｄａｖｉｄ  Ｍ．  Ｂｉｎｋｌｅｙに付与された、１９９４年１１月２２日に発行された“ＲＥＭＯＴＥ ＧＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ  ＣＩＲＣＵＩＴ ＦＯＲ ＰＨＯＴＯＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ ＴＵＢＥＳ”と題された、米国特許第５，３６７，２２２号明細書に記述され、特許請求されており、以下を含む。すなわち、「光電子倍増管（ＰＭＴ（１２））のゲインを遠隔で制御するための、ゲイン制御回路（１０）。遠隔ゲイン制御回路（１０）は、ダイノード（ＤＹ）の任意の選ばれた数を有するＰＭＴ（１２）と共に使用され得る。遠隔ゲイン制御回路（１０）は、ダイノード供給電圧全体を制御し、各ダイノード（ＤＹ）のゲインに影響を及ぼす一続きのダイノードの中の、陽極（１６）に最も近い最後のダイノードに接続される。本発明の遠隔ゲイン制御回路（１０）は、集積回路演算増幅器（Ｕ１）、高電圧トランジスタ（Ｑ１）、複数の抵抗（Ｒ）、複数のコンデンサ（Ｃ）、及び複数のダイオード（Ｄ）を含む。デジタル／アナログ変換器などの電圧源により供給される、ゲイン制御電圧によって制御される電圧に比例する、最後のダイノードの電圧を設定するために、負のフィードバックが用いられる。本発明の制御回路（１０）は、単一の接続電線（２２）を用いて最後のダイノードに接続される。」
【０００７】
少なくとも１つのダイノードに対するバイアスの変化を通じたゲイン制御を有する、光電子倍増管検出器に関する背景情報は、Ｈａｒｏｌｄ  Ｅ．  Ｓｗｅｅｎｅｙに付与された、１９８９年２月１４日に発行された“ＰＨＯＴＯＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ ＴＵＢＥ ＷＩＴＨ ＧＡＩＮ ＣＯＮＴＲＯＬ”（「ゲイン制御を伴う光電子倍増管」）と題された、米国特許第４，８０４，８９１号明細書に記述され、特許請求されており、以下を含む。すなわち、「複数のダイノード段を有する光電子倍増管における、改善されたゲイン制御は、倍増管の陽極と陰極間の幾つかのダイノードの、少なくとも１つに対するバイアス電圧の人手によるか自動の変化を通じて達成される。そのような手段により、最大の倍増管のゲイン変化が最小のバイアス電圧の変動により得られる。」
【０００８】
自動ゲイン制御を有する光電子倍増管検出器に関する背景情報は、Ｅａｒｌ  Ｔ．  Ｈａｎｓｅｎに付与された、１９７１年１０月１９日に発行された“ＰＨＯＴＯＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ ＴＵＢＥ  ＡＧＣ ＵＳＩＮＧ  ＰＨＯＴＯＥＭＩＴＴＥＲ−ＳＥＮＳＯＲ  ＦＲＯ ＤＹＮＯＤＥ ＢＩＡＳＩＮＧ”（「ダイノード付勢からの、光エミッタ−センサを用いる光電子倍増管の自動ゲイン制御」）と題された、米国特許第３，６１４，６４６号明細書に記述され、特許請求されており、以下を含む。すなわち、「複数の隣接するダイノード間のバイアス電位が、光電子倍増管の出力信号の振幅とは逆に変化する、光電子倍増管の自動ゲイン制御回路。出力信号は検出され、前述のダイノードに関するバイアス・ネットワークに分路で接続された、光エミッタ−センサに加えられる。」
【０００９】
従って、粒子検出の分野において、高いゲインにおいて動作するときのこのような構造の動作寿命を改善することに対するニーズが存在する。本発明は、入力信号が如何に強くても、装置の出力付近にある１つ以上の下流ダイノードの二次放出のゲイン、従って強さを調整するための、新しい中間のダイノード構造及び結合された回路を提供することにより、本明細書で開示されているように、このニーズに対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、１つ以上の入力信号を表わす、入射粒子の受け取りに応答して電子を放出する陰極と、受け取った入射粒子の数に関連する、陽極における感度電流を供給するように構成された、複数の縦列（カスケード状）ダイノードと、１つ以上の入力信号の大きさを示す検出電流を供給するための、複数の縦列ダイノードの一部分として配置された、中間に置かれている分割されたダイノードと、複数の縦列ダイノード内の１つ以上の下流ダイノードに結合され、検出電流が所定のしきい値よりも大きい場合に、１つ以上の下流のダイノードへの電圧ゲインを調整するために、検出電流を受け取るように構成された制御回路とを含む、新たな粒子検出器を対象にしている。
【００１１】
従って、本発明は、（ダイノードとコンデンサの組合せの容量を超える）強い電流パルスがダイノードに打撃を与えるのを、ユーザーが防ぐことを可能にする、機器及び動作方法を提供する。特に、本発明の方法、電子倍増管の構造、及び連結された制御回路は、装置の出力付近における１つ以上の下流ダイノードの電圧調整を可能にするために、所定のしきい値検出信号を受信する際の、結果として生じるオンザフライの制御信号の生成を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の検出器の有利な例を示す。
【図１Ｂ】連結した抵抗回路網の一例を備えるダイノードの配置を示す。
【図２】２５個のダイノードの電子倍増管の設計、及び修正された中間電極に関する９０％−１０％の分配率を用いるときの、表１からの利用可能な電流及びスルーレート動作パラメータのプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書での発明の記述において、暗黙のうちに又は明確に理解されるか、別段の記載がある場合を除き、単数で表される語句はその複数の対象物を含み、複数で表される語句はその単数の対象物を含むことが理解される。さらに、暗黙のうちに又は明確に理解されるか、別段の記載がある場合を除き、ここで記述されている任意の所与の構成要素又は実施形態に関して、その構成要素のために列記される可能な候補又は代替のいずれも全般的に、個々に又は相互の組合せにおいて用いられ得る。その上、ここで示されている図は必ずしも縮尺通りに描かれず、幾つかの要素は単に本発明の明確化のために描かれ得ることが理解されるべきである。また、参照番号は対応するか又は類似の要素を示すために、各種の図の間で繰り返し用いられ得る。それに加えて、暗黙のうちに又は明確に理解されるか、別段の記載がある場合を除き、そのような候補又は代替物の任意のリストは、単に例示的であって限定するものではないことが理解されるであろう。さらに、別段の記載がある場合を除き、明細書及び請求項の中で用いられている材料の量、構成要素、反応条件、その他を表わす数は、「およそ」の用語により修正されるものと理解されたい。
【００１４】
従って、そうではないと示されない限り、明細書及び付属された請求項の中に記載されている数値的パラメータは、ここで与えられる対象により得られるよう求められる、所望の特性に応じて変わり得る近似値である。最低限でも、そして均等の原理の請求範囲への適用を限定しようとするものとしてではなく、各数値的パラメータは、報告された有効数字の数を考慮して、及び通常の丸めの技法を適用することにより、少なくとも解釈されるべきである。ここで示される主題の広い範囲を述べている数値的範囲及びパラメータが近似値であるにもかかわらず、特定の例において述べられる数値は出来る限り正確に報告されている。しかしながら、あらゆる数値はそれらの各試験測定値において見出される、標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を本質的に含む。
【００１５】
概要
本発明は検出器の設計を対象にしており、電子倍増管検出器の最終のダイノードであることの多い、所望されるダイノード構造は、例え大きな入力信号の場合であっても、強い電流パルスを受けないようにされている。そのような結果を可能にするため、本明細書で開示されている検出信号は、連結された調整回路がゲインを１つ以上の下流のダイノードに対して調整できるようにする、修正された中間のダイノードにより与えられる。
【００１６】
縦列のダイノードのラダー内における、新規の中間ダイノードの表面積は、電子流が約５０％−５０％の比率から約９５％−５％の比率で、より多くの場合には約９０％−１０％の比率で分割された領域に衝撃を与えるような、分割された表面放出領域を有する。同等又はより広い方の領域に打撃を与える電子は、通常モード、すなわちダイノードからダイノードへと伝播することが可能となる一方で、残りの同等又はより狭い方の領域に打撃を与える電子は、連結された調整制御回路により求められる電流を供給する。
【００１７】
連結された調整回路は、同時にリアルタイムで中間のダイノードからの提供された電流（すなわち、検出信号）を評価することができ、測定された電流が所定のしきい値を超えた場合、それは所望の対応する制御信号を生成可能である。特に、中間ダイノードから提供された、結果として生じる検出信号は、時間的に制約されたやり方で調整制御回路が、ゲイン電圧を陽極に隣接する１つ以上のダイノードに対して切り替え可能にするように利用される。重要な判定基準は、所定のしきい値を超える可能性のある、そのような検出信号（電流信号）、及び対応する切り替え局面（すなわち、制御信号）が、より長い電子の経路（すなわち、ダイノードからダイノード）に沿って動いている通常に伝播する電子流の到着以前に、所望のダイノードに対して適切に管理されるということである。従って、新たなやり方における本発明の構成及び方法は、例えば（確認されないままの場合に）望ましくない汚染効果に寄与し得る、不必要な電流増幅を防止するように、所望のダイノードにおいてゲインを大きく降下させ得る。
【００１８】
具体的な記述
検出器
図１は、本発明の方法で用いられ得る、一般に参照番号１０により示されている個別のダイノード検出器の、基本的な非限定的な有利な例示的実施形態を示す。ここで記述されている検出器は、本発明の検出器によって受け取られるイオンの経路を与え得る、任意の質量分析計の機器により提供される光子、中性分子、及びイオンから選定された粒子を検出することができる。例示的な検出器は、光電子倍増管及び個別のダイノード機器を含む。例示的な質量分析計の機器は、飛行時間型機器（ＴＯＦ）、及び四重極の電極装置（例えば、イオントラップ）を含むが、それには限定されない。
【００１９】
一般に図１Ａは、さらに複数の縦列ダイノード３と、検出信号（電流）を供給するための新たな中間検出ダイノード５と、複数の縦列ダイノード３を構成する、チェーン内の最後のダイノード７（Ｄ＿n）を含み得る、１つ以上の下流のダイノード６（例えば、Ｄ＿n-1及びＤ＿n-2）を調整するために構成される、（点線のボックス内に囲まれて示される）連結された制御回路１２とを含む、（実線の長方形ボックス内に示される）電子倍増管セクション１を備える検出器１０を示す。
【００２０】
当業者に知られているように、図１Ａの検出器により例示されているような個別のダイノード倍増管は、二次電子放出の原理で動作する。ダイノードの数が多い程、各ダイノードが、ダイノードからダイノードへの経路に沿って動く増大した電子の数を増すため、より大きなゲインと同様、全体的な通常の伝播経路は長くなる。図１Ａの例示的実施形態に示されるように、一般に参照番号１により示される複数のダイノードは二列のダイノードを含み、それらの列は、１つ以上の入力信号を示す所望の感知信号を提供するため、一般に、しかし必須ではなく、互いに平行に（すなわち一般にダイノードＤ１である４により与えられる）入力端部から出力のコレクタ陽極端部８まで延びる。本発明のダイノード（電極）の数は、全体のゲインが必要な信号対雑音比を提供するのに妥当である限り、及び選ばれた中間のダイノードが、適切な場合、検出器１０の電圧を動的に調整する時間を許すように、所望の下流ダイノードからの空間的な分離を伴って、必要な検出電流を供給できる限り、検出器１０の配置において約１３〜約４０個のダイノードまで変化し得ることを理解されたい。
【００２１】
図１Ａに示される検出器１０の実現性を例証するため、検出器１０の部分としてのダイノード電子倍増管１は、コレクタ８（陽極）に関して、（図示されていない）陰極への連結されたマイナスの高電圧を有することが多く、それは１つの配置としてアースにおいてバイアスされ得る。参照番号３により集合的に示され、またＤ1，Ｄ2，Ｄ3，ＤI，等のようにも称される複数のダイノードは、従って所定の電圧が制御されたやり方で、そのようなダイノード３の複数の対の間に加えられることを可能にし、それにより全体のゲインを可能にするために、技術的に知られている（図示されていない）別の個別の素子、例えばコンデンサ、ツェナー・ダイオード等に加えて、例えば図１Ｂに示されるような、バイアス抵抗回路網９によって与えられるように、従って連結された徐々に増加するプラスの電圧を有する、一連のダイノードとして形成される。
【００２２】
図１Ｂは従って、図１Ａの対応するダイノード配置１においても示されるような、動作中に（ダイノード１、２、ｎ等と称される）複数のダイノード用の分圧器回路を含む、複数の抵抗素子９の一例の配置を示す。別の配置として、抵抗素子９はダイノード３の所望される複数の対の間の電圧もまた調整するための、可変抵抗で置き換えられ得る。さらに、そのような抵抗素子９は、検出器１０に関する最良のダイナミックレンジ及び寿命を達成する目的で、所望の用途のために特別に設計された、モノリシックの厚膜抵抗チェーンとして構成され得る。それに加えて、（図示されていない）前述のコンデンサは、１つの用途として、動作中に任意のダイノードの対（例えば、Ｄ1とＤ2の間）に対する、望ましくない電圧変化を避けるように、既知のやり方で抵抗回路網（抵抗素子９）に並列に連結され得る。さらに、使用されるツェナー・ダイオードは、検出器１０を電圧ノイズから保護するために、任意のダイノードの対、より多くの場合には陽極８付近のダイノードに対して、所望の電圧に固定するために実装され得る。
【００２３】
専ら図１Ａに戻ると、検出器１０の動作中のユーザーは、第一に入力信号を表わす１つ以上の粒子２が、複数のダイノード３の（Ｄ1としても称される）最初のダイノード４によって受け取られることを可能にし得る。粒子２と最初のダイノード（Ｄ１）４との衝突は、従ってその前にある（図示されていない）陰極のゲイン係数及び電圧によって決定されるゲインを有する、二次電子の放出を生じる。二次電子が後に続くダイノードに到達すると、二次放出の量（すなわち、ゲイン）及び従って対応する電流は、方程式１により決定される陽極８における全体の感度電流（Ｉ）と共に、ダイノードからダイノードへと増加する：
（１）          Ｉ＝ｑＮＧ
ここで、ｑは電子における電荷、Ｎは１秒当りの検出される粒子（例えば、イオン）の数、そしてＧは倍増管のゲインである。
【００２４】
従って、一例として質量分析計により提供されるイオンを用いる電流は、検出された受け取られるイオンの数及び、検出器１０の全体の動作ゲインに直接関連する。しかしながら、通常動作におけるチェーン６、例えばＤ＿n-1及びＤ＿n-2の端部でのダイノードは、ダイノードのグループ１の構造に基づく、より高いレベルの電流を用いて影響を与えられる。出力の陽極８付近のそのようなダイノードが、入力信号によって可能にされる強い電流パルスにより打撃を与えられるのを防ぐため、本発明は、１つ以上の下流のダイノード６、例えばＤ＿n-1及びＤ＿n-2のゲインを調整するために利用されるように、電流検出信号を与えるために修正された、（ＤIとも称される）中間ダイノード５を提供する。具体的には、入力信号に関連するサンプリングされた電流を供給するために中間のダイノード５を利用することにより、そのような検出信号は、サンプリングされた検出電流が所定のしきい値の限度を超える場合に、大量の電流で影響を与えられる、それらの下流のダイノードに対して、ゲインをリアルタイムで調整するために利用され得る。
【００２５】
本発明の修正された中間ダイノード５に加えて、大部分の構成されたダイノード３は、所望の電子束を受け取り、そして方向付けるように、しばしば組み合わされた電極である、リング、ベネチアンブラインド式の構造、板、曲がった又は平らな構造のシステムとして構成され得ることがまず認識されるべきである。さらに、電極（すなわち、ダイノード）自体は、球面構造、円筒構造、メッシュ、金属構造の平らな又は曲がった帯、磨かれた構造、及び／又は基材に結合された取り外し可能な放出面を含む、表面積で構成され得る。それに加えて、ダイノードのその放出面は、当業者によって理解されているように、非常に丈夫な電極をもたらすために、空気中で安定であり、実質的に腐食性大気に耐えることが分かっている、ベリリウム−銅、又は銀−マグネシウム材料、あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの有用なアルミ含有材料での、表面処理により強化され得る。
【００２６】
本発明の中間ダイノード５のために選択される、どのような有利な形状であれ、そのような新規の中間検出ダイノードは、不均等であることが多い、約９５％−５％の比率の、そしてより多くの場合には約９０％−１０％の比率の分割された表面放出面積をもたらすように、好都合に分割される（例えば、中間ダイノードの受け取り領域を複数のセクションへと分割）。例えば、より広い方の領域に打撃を与える電子は、それゆえ通常モードで、すなわちダイノードからダイノードへ伝播可能となる一方で、残りのより狭い方の領域に打撃を与える電子は、サンプリング検出信号の電流が、図１Ａに示されるように連結された調整制御回路１２によって求められる。単一の分割された電極が望まれることが多いが、隙間のある設計、すなわちメッシュ電極を含む、導電性領域間に空所又はギャップを有する電極などの別の有利な構成が、本発明の別の態様と共に形成されるとき、中間ダイノードの部分としても組み込まれ得ることが理解されるべきである。例えば、メッシュの格子自体は電子が通常のやり方で伝播するように、電子を受け取り、方向付けるため第一の電位において構成され得るが、隣接して結合し、そしてメッシュ電極とは異なる電位にある電極は、本明細書で述べられているような検出電流を供給するため、メッシュを通して方向付けられた、それらの電子を受け取る。いずれの構成においても、図１Ａに示されるような中間ダイノード５は、１つ以上の入力信号を示す前述の分割された電流を検出するため、ダイノード３のチェーン内の間に置かれる。そのような新規構成における検出信号は、従って（図１Ａの点線のボックス内に示されるような）制御回路１２により、電子技術において良く知られている個別の装置構造の、任意の構成を用いて有利に受信され得る（文字Ａ及び付随する方向指示の矢印により示される）。
【００２７】
図１Ａに例証される制御回路１２の、非限定的な一般的な一例として、検出電流信号Ａは、図１Ａに示される一例のトランス−インピーダンス増幅器１４などの、任意の単純な電流−電圧変換器により、最初に受信され変換され得る。その後、変換された電圧信号は（線Ｂに沿って示されるように）、一方向の電圧制御回路（例えば、誤差増幅器１８）へと向けられることができ、そこで出力電圧は安定な基準しきい値電圧と比較される。その２つの間のあらゆる差異は相殺の誤差電圧を生成し、それは必要に応じて、望ましくない非常に強い電子流を最小化するために、１つ以上の下流のダイノード６、例えばＤ＿n-1及びＤ＿n-2のゲインを調整するように、（付随する方向指示の矢印で示される線Ｃに沿って示される）出力電圧を、増幅器２０から設計仕様へ向けて移動させる傾向がある。図１Ａに示され、そして本明細書で記述されているような調整回路１２が、（ＤIとして示される）中間に位置するダイノード５と結合して示される一方で、本発明のこのような調整回路１２は、本明細書で記述される仕様に合致する場合は、修正及びダイノードのチェーン内に配置されることができる、任意の選定されたダイノード３と結合され得ることを理解されたい。
【００２８】
所定の中間にある修正されたダイノードの位置選定は、以下で議論されるように、図１Ａの制御回路１２の感度と利用可能なスルーレートとの間の妥協点であることもまた理解されるべきである。ダイノードのラダー内で上向きに検出することは、選ばれた電極面積の、５％から約５０％、より多くの場合には１０％の、電気的に結合されてピックオフ（ｐｉｃｋ−ｏｆｆ）部分を通じてより小さい電流を供給し、そのトレードオフは、より早く供給された検出信号により、出力にできる限り近い調整されたダイノード構造において、電圧を切り替える為により多くの時間をかけることができるようになるということである。
【００２９】
とりわけ、出力にできる限り近いダイノード（例えば、図１Ａの陽極８に近接するダイノード６、７）における電圧を調整することは有利であろう。そのような配置は、電流検出区画の高い感度を可能にすることができ（電流検出用の面積は減少し得る）、そこでの制限は電子の移動時間と制御回路１２の速度である。
【００３０】
以下に示す表は図１Ａに示されるものと同様の、非限定的な例示的回路のモデル構成の、説明的のための結果として生じるスプレッドシートであり、本発明の新規性を例証するように、可能な動作パラメータ及び、従って設計的考察が記載されている。この例に関して記載されている動作パラメータは、２５個のダイノード、約１０6の全体ゲインを備えて配置された一例の電子倍増管検出器から得られ、２５番目のダイノードにおいて測定された、一例の連結されているコンデンサは約３７０ｐＦであり、任意の２つのダイノード間の加速度場は約７０Ｖである。そのような制約を用いて、表１の列１はダイノード番号（すなわち、可能な検出ダイノード）を示し、列２は１０％の電流分割を伴って構成されるときの、それぞれのダイノードからの利用可能な電流を示し、列３はダイノードからダイノードへの距離及び、最後のダイノードへの電子移動に対する合計の経路長を示し、列４は特定のダイノードが検出信号を提供するために利用される場合の、２５番目のダイノードのゲインを変える応答時間を示し、列５は出力電流を示し、そして列６は２５番目のダイノードを切り替えるために要するスルーレート（ｋＶ／μｓ）を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１を構成する動作パラメータの理解を助けるため、ダイノード１３が検出ダイノードとして説明のために選定され、それゆえダイノード１３を含む行に関する動作パラメータは、以下の議論の助けとなるように、便宜上太字で示されている。
【００３３】
この非限定的な例に関して、その検出ダイノードは２５個のダイノードチェーンの中間にあり、２５番目のダイノードへの遠回りの距離は、図３に示されるように、及び１０ｍｍのダイノード間の間隔を用いて計算すると、約１２０ｍｍとなることが理解されるべきである。まず、上述のように、この例の任意の２つのダイノード間の加速度場は、約４．９６Ｅ０６ｍ／ｓの電子速度（すなわち、７０ｅＶの電子を表わす）をもたらすため、約７０Ｖになるように選ばれている。従って、列３に示されるように最後のダイノードまでの遠回りの距離が分かっているため、そして陽極において収集されるべき信号電子に関する移動速度が分かっているため、表１の列４に示すように、計算された応答時間は約２４ナノ秒（ｎｓ）である。この例に特有なこととして、必要に応じて新たな区分された１３番目のダイノードから検出信号を受信する際、２５番目のダイノードに調整電圧を供給するためには、図１Ａの制御回路１２に対して２４ｎｓは極限的な時間である。
【００３４】
応答時間が分かっている場合、２５番目のダイノードの電圧を切り替えるための出力負荷電流は方程式２により与えられる：
（２）          Ｉ＝ＣｄＶ／ｄｔ
ここで、Ｃは結合静電容量、そしてｄＶ／ｄｔは例えば２５番目のダイノードにおいて電圧を切り替えるために要するスルーレートである。例示的静電容量としての３７０ｐＦと、２４ｎｓの計算された応答時間における３０ＶのスルーレートｄＶ／ｄｔとを用いると、２５番目のダイノードにより必要とされる、結果として生じる電流は、１３番目のダイノードに対する表１の列４に示されるように、約０．４６Ａである。
【００３５】
従って、この例において選ばれた１３番目のダイノードが、次に制御回路を始動させるために、利用可能な電流の１０％の値を用いて、所定の飽和しきい値電流を供給する場合、制御回路は次に、表１の列６に示されるように、１．２４ｋＶ／μｓのスローレートを提供できる、（図示されていない）高電圧電源／図１Ａに示されるような演算増幅器２０を経由して、２５番目のダイノードにおける電圧を調整可能である。
【００３６】
任意の中間ダイノードＤＩ、例えば１３番目のダイノードにおける利用可能な電流の始動用の１０％値を計算するために、方程式３が用いられ得る：
（３）          ＩDn＝（Ｇ）n-1ＩDI 
ここで、Ｇはダイノード間のゲイン、ＩDnは下流のダイノードｎにおける電流、ＩDIは本発明の中間ダイノードにおける利用可能な電流、そしてｎ−１は中間のダイノードの前にあるダイノードの数である。
【００３７】
１３番目のダイノードを例示的な中間ダイノードとして用いると、方程式３は方程式４となる：
（４）          ＩD25＝（Ｇ）12ＩD13
これは方程式５を与えるために再整理され得る：
（５）          ＩD13＝ＩD25／（Ｇ）12
注記：２５個のダイノードチェーンに対する全体のゲインが、ここで１０6として与えられるため、個々のダイノードのゲインＧ＝（１０6）1/25＝１．７３７である。
【００３８】
従って、２５番目のダイノードにおける既知の有害な例の飽和電流が約１ｍＡとすると、陽極における飽和を示す、１３番目のダイノードにおいて対応するしきい値電流レベルは、方程式５を解くことにより与えられ、下記のようになる：
（６）          ＩD13＝１ｍＡ／（１．７３７）12＝１．３μＡ
【００３９】
従って、（例えば、１３番目のダイノードの１０％の分割された部分を経由して）図１Ａに示されるような、制御回路１２の誤差増幅器１８に対する、上記の計算された飽和電流の１０％を用いることは、表１の列２（すなわち、利用可能な電流と名付けられている）に示されるように、陽極を飽和させることができる利用可能な始動電流として、約１３０ｎＡをもたらす。この例に対して検出される場合、１つ以上の下流のダイノードを調整するために、図１Ａの制御回路１２を可能にするために作用する（すなわち、始動させる）のは、このレベルの電流である。
【００４０】
表１の残りに対する動作パラメータは、１０％の分割された利用可能な電流値を選ぶ（すなわち、中間ダイノードを９０％−１０％の比率で修正することによる）場合、本発明の特定の中間ダイノード配置を解析すると、同様に導き出される。図２は、そのような制約を用いて、それぞれのダイノード番号に対してプロットされた、スルーレート２０２及び利用可能な電流２０６に関する、表１の結果を示す。図２に示されるプロットのような一例のプロットを用いることは、本発明のユーザーが所定のシステムの限界を知ることにより、所与の構成を最適化することを可能にする。図２の最上部に名付けられて示されるように、約１００ｐＡ未満の電流の検出及び約５ｋＶよりも大きいスルーレートは、既存の個別のハードウェアに対する感度及びスルーレートの性能の値である。従って、図２に示される動作パラメータを提供する、上記で議論された例示的構成に関して、ダイノード２からおよそダイノード番号２０迄の電極もまた、修正された中間の検出ダイノードとして利用されることができる。
【００４１】
ここで様々な実施形態に関して記述された特徴は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、任意の組合せにおいて混合され、組み合わされ得ることを理解されたい。様々な選定された実施形態が説明され、詳細に記述されているが、それらは例示的であり、様々な置き換えや変更が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく可能であることが理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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