1. 検出原理(光子計数法)

光検出において光強度を極微弱にすると、光の粒子性が観測波形に現れる。この光の粒子を光子と呼び、光子の数を計測する技術を光子計数法と呼ぶ。非常に微弱な光であっても、高い信号対雑音比が得られるのが特長である。
図1(a)に測定系の概略図を示す。非常な微弱な光は、光子計数型光電変換素子により、光電子に変換され、電子増倍される。入射光強度の強弱を変えた際に得られる電気信号波形を図1(b)に示す。光強度が強いと単一光子を見分けることができないが、光強度を弱めていくと、単独のパルス波形が観測されるようになる。1つのパルスが1つの光子の到達を表しており、時間あたりのパルス数は光強度に比例している。すなわち、光強度が強いとパルスが密に現れ、弱いと疎になる。2つ以上の光子が同時に検出された場合や、回路の熱電子による雑音は、光電変換素子の後の波高弁別器によって取り除かれる(図1(c))。その後、波高弁別された波形はカウンターに導入され、一定時間毎にパルス数が計数される。最終的に、光子数は光強度に置き換えられ、波形として表示される(図1(d))。

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図1 フォトンカウンター概略図

2. 計数型光電変換素子

1つの光子が光電変換されると、1つの光電子が生じる。1つの光電子の電荷量は1.6×10-19 [C]と微小であるため、およそ100万倍の高い電子増倍率を有する光電変換素子が用いられる。以下に光子計数に用いられている光電変換素子を紹介する。

2.1. 光子計数型光電子増倍管

光電子増倍管(PMT)は真空管タイプの光電変換素子である。図2に動作原理図を示す。入射光が光電陰極に当たると光電効果により光電子が生成される。真空中に飛び出した光電子は、電圧を印加した光電子集束電極によって加速され、ダイノードと呼ばれる特殊な金属板に衝突する。この時、光電子数の数倍の電子(二次電子)が生成される。二次電子は後段のダイノードに衝突し、更に増倍される。二次電子は次々に増倍され、最終的には100万倍~1000万倍にまで増幅される。最終的に陽極に辿り着き、電流として取り出される。雑音特性にも優れているため、微弱な光の計測に用いられる。光子計数では、このダイノードの数を11~12段にして電子増倍率を1000万倍以上にするとともに、冷却を行うことで光電面からの熱電子(暗電流)の低減を行ったものが用いられる。
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図2 光電子増倍管

2.2. アバランシェフォトダイオード

電子雪崩(アバランシェ)現象を利用して、素子内部の電流量を増幅した半導体光検出器をアバランシェフォトダイオードという。アバランシェ現象を利用しているため、逆電圧を印加することにより光電流が増倍される。アバランシェフォトダイオードは数十倍から数百倍程度の増倍率で使用され、微弱光の検出に用いられる。逆電圧を降伏電圧以上に設定すると非常に大きな増倍率となり、このような動作モードをガイガーモードと呼ぶ。光検出ではこのガイガーモードが使用させる。単一の光子が検出されると、単一の電子-正孔対が生成される。ガイガーモードでは、この対の生成が引き金となり電子雪崩が発生する。これを捉えることで、単一光子検出を可能としている。
Thorlabs社製シングルフォトンカウンタ(モデル:SPCM20A)

図3 Thorlabs社製シングルフォトンカウンタ(モデル:SPCM20A)

 

2.3. 二次元光子計数管

微小な光電子増倍管を束ねたマイクロチャンネルプレート(MCP)と呼ばれる素子を用いると、2次元の位置情報を保ったまま電子増倍を行うことができる。電子増倍された二次電子を蛍光面に導入し、その蛍光をビジコンなどの2次元センサで捉えるとフォトンカウンティウングイメージングを行うことができる。また、蛍光に変換せずに直接電子を測定する半導体位置検出素子(PSD: position sensitive detector)を用いる方法もある。

3. 用途

血液検査、衛生モニター、微量サンプルの化学的性質計測

参考文献

[1] 浜松ホトニクス
[2] 松本弘一 編「光測定器ガイド 全面改訂版」オプトロニクス社(2004)
[3] Thorlabs

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