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KR-20260062037-A - MEASUREMENT OF A PHOTOCATHODE CURRENT

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Abstract

광전자 증배 튜브의 포토캐소드 전류를 측정하기 위한 측정 디바이스로서, 측정 디바이스는, (a) 포토캐소드 전류에 비례하는 션트 저항기 전압을 증폭하도록 구성되는 전압 증폭기; (b) 제1 증폭된 전압, 및 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용 전압을 생성하도록 구성되는 누설 허용 회로; (c) 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하도록 구성되는 전압-전류 트랜스듀서; 및 (d) 제1 누설 허용 전류를 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 전압으로 변환하도록 구성되는 출력 유닛을 포함한다.

Inventors

  • 메스테즈키, 알렉세이

Assignees

  • 어플라이드 머티리얼즈 이스라엘 리미티드

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251002
Priority Date
20241028

Claims (15)

  1. 광전자 증배 튜브(photomultiplier tube)의 포토캐소드 전류를 측정하기 위한 측정 디바이스로서, 제1 증폭된 전압을 제공하기 위해, 상기 포토캐소드 전류에 비례하는 션트 저항기 전압을 증폭하도록 구성되는 전압 증폭기; 상기 제1 증폭된 전압, 및 상기 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용(leakage tolerant) 전압을 생성하도록 구성되는 누설 허용 회로; 상기 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하도록 구성되는 전압-전류 트랜스듀서(voltage to current transducer); 및 상기 제1 누설 허용 전류를 상기 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 전압으로 변환하도록 구성되는 출력 유닛 을 포함하는, 측정 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 유닛은, 상기 제1 누설 허용 전류를 수신하도록 구성되는 출력 저항기, 및 상기 출력 저항기 상에 발생되는 상기 출력 전압을 판독하도록 구성되는 출력 회로를 포함하는, 측정 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 출력 유닛은, 상기 제1 누설 허용 전류를 상기 출력 전압으로 변환하도록 구성되는 트랜스임피던스 증폭기를 포함하는, 측정 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 누설 허용 회로는 제1 기준 전압 소스 및 가산기를 포함하고, 상기 제1 기준 전압 소스는 상기 제1 기준 전압을 생성하도록 구성되고, 상기 가산기는 상기 제1 기준 전압을 상기 제1 증폭된 전압에 가산하도록 구성되는, 측정 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전압-전류 트랜스듀서는, (a) 상기 제1 누설 허용 전압을 수신하도록 구성되는 제1 연산 증폭기 입력, 및 (b) 피드백을 수신하도록 구성되는 제2 연산 증폭기 입력을 포함하는 연산 증폭기를 포함하며, 상기 연산 증폭기는, 상기 제1 누설 허용 전압이 상기 누설을 초과할 때의 상기 포토캐소드 전류를 표시하는 연산 증폭기 출력 신호를 출력하도록 구성되는, 측정 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전압-전류 트랜스듀서는, 상기 연산 증폭기 출력 신호에 적어도 부분적으로 기반하여 상기 제1 누설 허용 전류를 생성하도록 구성되는 트랜스듀서 트랜지스터를 포함하는, 측정 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 누설의 표시를 제공하기 위해, 상기 광전자 증배 튜브가 광으로부터 차폐(mask)될 때 측정된 출력 전압인 암-출력 전압(dark output voltage)의 상기 측정 디바이스에 의한 측정을 트리거링하도록 구성되는 제어기를 더 포함하는, 측정 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖도록 상기 제1 기준 전압을 결정하도록 구성되는, 측정 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 증폭기를, 고전압 접지보다 더 네거티브인 네거티브 바이어스 전압으로 바이어싱하도록 구성되는 바이어스 회로를 더 포함하는, 측정 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 바이어스 회로는, 다이오드의 애노드에 그리고 고전압 접지 노드에 결합되는 노드를 포함하고, 상기 네거티브 바이어스 전압은 상기 다이오드의 캐소드 전압인, 측정 디바이스.
  11. 제9항에 있어서, 상기 바이어스 회로는, 상기 전압 증폭기를, 상기 고전압 접지보다 더 포지티브인 포지티브 바이어스 전압으로 바이어싱하도록 구성되는, 측정 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 바이어스 회로는, 제너(Zener) 다이오드의 애노드에, 상기 제너 다이오드와 상이한 다른 다이오드의 애노드에, 그리고 고전압 접지 노드에 결합되는 노드를 포함하며, 상기 바이어스 전압은 상기 다른 다이오드의 캐소드의 전압인, 측정 디바이스.
  13. 제11항에 있어서, 상기 네거티브 바이어스 전압은 제너 다이오드의 캐소드의 전압인, 측정 디바이스.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광전자 증배 튜브의 애노드 전류의 측정치를 획득하고, 상기 애노드 전류를 상기 포토캐소드 전류로 나눔으로써 상기 광전자 증배 튜브의 이득을 결정하도록 구성되는 제어기를 더 포함하는, 측정 디바이스.
  15. 광전자 증배 튜브의 포토캐소드 전류를 측정하기 위한 방법으로서, 제1 증폭된 전압을 제공하기 위해, 전압 증폭기에 의해, 상기 포토캐소드 전류에 비례하는 션트 저항기 전압을 증폭하는 단계; 누설 허용 회로에 의해, 상기 제1 증폭된 전압, 및 상기 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용 전압을 생성하는 단계; 전압-전류 트랜스듀서에 의해, 상기 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하는 단계; 및 출력 유닛에 의해, 상기 제1 누설 허용 전류를 상기 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 전압으로 변환하는 단계 를 포함하는, 방법.

Description

포토캐소드 전류의 측정{MEASUREMENT OF A PHOTOCATHODE CURRENT} 관련 출원에 대한 상호-참조 본 출원은, "MEASUREMENT OF A PHOTOCATHODE CURRENT"라는 명칭으로 2024년 10월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제18/929,476호를 우선권으로 주장하고 그 권익을 청구하며, 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 광전자 증배 튜브(photomultiplier tube) 이득은, 블리더 네트워크를 사용하여, 포토캐소드(PC)에 인가되는 고전압 및 그의 다이노드들에 인가되는 전압들에 의해 제어될 수 있다. 광전자 증배 튜브(PMT)의 이득은 온도의 함수로서 유닛마다 다르고, 시간에 따라 저하되며, 동작의 임의의 순간에서의 PMT의 실제 이득을 아는 것에 대한 관심이 존재하는데, 특히 그것이 "즉각적으로(on the fly)" 행해질 수 있는 경우에 그러하다. PMT 이득(Gpmt)을 측정하기 위한 일반적인 방법들 중 하나는 애노드 전류(Ia) 및 포토캐소드 전류(Ipc)를 측정하는 것이다. Ia와 Ipc 사이의 비율은 PMT의 이득과 동일하다(Gpmt = Ia / Ipc). PMT의 정상 동작 동안 Ia는 항상 측정되므로, Ipc를 측정할 필요성이 존재한다. Ipc의 측정은 누설 및 제한된 동적 범위의 영향을 받는다. Ipc를 측정하기 위한 정확하고 효율적인 솔루션을 제공할 필요성이 커지고 있다. 본 명세서에 예시된 바와 같은, 포토캐소드 전류의 측정을 위한 방법이 제공된다. 광전자 증배 튜브의 포토캐소드 전류를 측정하기 위한 측정 디바이스가 제공되며, 측정 디바이스는, (a) 제1 증폭된 전압을 제공하기 위해, 포토캐소드 전류에 비례하는 션트 저항기 전압을 증폭하도록 구성되는 전압 증폭기; (b) 제1 증폭된 전압, 및 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용(leakage tolerant) 전압을 생성하도록 구성되는 누설 허용 회로; (c) 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하도록 구성되는 전압-전류 트랜스듀서(voltage to current transducer); 및 (d) 제1 누설 허용 전류를 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 전압으로 변환하도록 구성되는 출력 유닛을 포함한다. 광전자 증배 튜브의 포토캐소드 전류를 측정하기 위한 방법이 제공되며, 방법은, (a) 제1 증폭된 전압을 제공하기 위해, 전압 증폭기에 의해, 포토캐소드 전류에 비례하는 션트 저항기 전압을 증폭하는 단계; (b) 누설 허용 회로에 의해, 제1 증폭된 전압, 및 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용 전압을 생성하는 단계; (c) 전압-전류 트랜스듀서에 의해, 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하는 단계; 및 (d) 출력 유닛에 의해, 제1 누설 허용 전류를 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 전압으로 변환하는 단계를 포함한다. 본 발명으로 간주되는 주제가 상세히 언급되고, 본 명세서의 결론 부분에서 명료하게 청구된다. 그러나, 본 발명은, 본 발명의 시료들, 특징들, 및 장점들과 함께, 동작의 방법 및 구성 둘 모두에 관하여, 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도 1은 광전자 증배관(photomultiplier) 및 측정 디바이스의 예를 예시한다. 도 2는 측정 디바이스들의 예들을 예시한다. 도 3은 측정 디바이스의 예를 예시한다. 도 4 내지 도 5는 광전자 증배관 및 측정 디바이스의 예를 예시한다. 도 6은 방법의 예를 예시한다. 예시의 간략화 및 명확화를 위해, 도면들에 도시된 요소들이 반드시 실척대로 도시된 것은 아니라는 것이 인식될 것이다. 예컨대, 요소들 중 일부의 치수들은 명확화를 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다. 추가로, 적절한 것으로 고려되는 경우, 대응하는 또는 유사한 요소들을 표시하기 위해 참조 번호들이 도면들 사이에서 반복될 수 있다. 실시예에 따르면, 측정이 누설 전류에 의해 차폐(mask)되게 하지 않으면서 임의의 값의 포토캐소드 전류를 측정하도록 구성되는 측정 디바이스가 제공된다. 실시예에 따르면, 측정이 오프셋 전압에 의해 차폐되게 하지 않으면서 임의의 값의 포토캐소드 전류를 측정하도록 구성되는 측정 디바이스가 제공된다. 실시예에 따르면, 저전압 증폭기들을 사용하고, 저전압 증폭기들에 의해 수신되는 사실상 전체 동적 범위의 신호들부터 이익을 얻도록 저전압 증폭기들을 바이어싱하는 측정 디바이스가 제공된다. 도 1은 포토캐소드(11), 애노드(12), 및 저항기 네트워크(20)에 의해 바이어싱되는 다이노드들(13)을 포함하는 광전자 증배 튜브(10)의 예를 예시하며, 여기서, 고전압 전력 공급부(30)는 저항기 네트워크와 병렬로 연결된다. 포토캐소드(11)와 HV 전력 공급부(30)의 네거티브 노드 사이에 직렬 방식으로 션트 저항기(Rpc)(21)가 연결된다. Rpc(21)를 통해 포토캐소드 전류(Ipc)(42)가 흐른다. 측정 디바이스(900)는 다음을 포함한다: a. 제1 증폭된 전압을 제공하기 위해, 포토캐소드 전류(Ipc(42))에 비례하는 션트 저항기 전압(Vpc(41))을 증폭하도록 구성되는 전압 증폭기(51). b. 제1 증폭된 전압, 및 측정 디바이스와 연관된 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖는 제1 기준 전압에 기반하여, 제1 누설 허용 전압을 생성하도록 구성되는 누설 허용 회로(52). 실시예에 따르면, 제1 기준 전압은 제1 누설 허용 전압을 제공하기 위해 제1 증폭된 전압에 가산된다. 이는, (제1 기준 전압 소스(54)에 의해 공급되는) 제1 기준 전압(45)을 제1 증폭된 전압(43)에 가산하는 가산기(53)를 갖는 것으로 도 1에 예시된다. c. 제1 누설 허용 전압을 제1 누설 허용 전류로 변환하도록 구성되는 전압-전류 트랜스듀서(55). d. 제1 누설 허용 전류(47)를 수신하도록 구성되는 출력 저항기(Rout)(29). e. 출력 저항기 상에 발생되는 출력 전압을 판독하도록 구성되는 출력 회로(59) ― 출력 전압은 포토캐소드 전류를 표시함 ―. 실시예에 따르면, 출력 회로는 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter)(도 2 및 도 3에서 59-9로 표시됨), 및/또는 제1 기준 전압의 가산을 보상하기 위한 스케일 팩터 보정 회로(도 2 및 도 3에서 59-1로 표시됨) 및 오프셋 완화 단계를 보상하기 위한 오프셋 보정 회로(도 2 및 도 3에서 59-2로 표시됨) 중 적어도 하나를 포함한다. 실시예에 따르면, 출력 유닛(598)은 출력 저항기(Rout)(29) 및 출력 회로(59)를 포함한다. 실시예에 따르면, 출력 유닛은 출력 저항기 대신에 트랜스임피던스 증폭기(도 2에서 299로 표시됨)를 포함하며, 이러한 경우에, 트랜스임피던스 증폭기의 출력 전압이, 포토캐소드 전류를 표시하는 출력 회로(59)이다. 출력 저항기에 대한 임의의 참조는 트랜스임피던스 증폭기에 준용하여 적용되어야 한다. 실시예에 따르면, 전압-전류 트랜스듀서(55)는, (a) 제1 누설 허용 전압(46)을 수신하도록 구성되는 제1 연산 증폭기 입력(661)("+"로 표시됨), 및 (b) 트랜지스터(669)를 통해 흐르는 출력 전류의 피드백을 수신하고, 전류를 통과시키도록 트랜지스터(669)를 제어하고 포토캐소드 전류(Ipc)(42) 및 제1 기준 전압(45)에 의해 공급되는 오프셋을 표시하는 연산 증폭기 출력 신호를 출력하도록 구성되는 제2 연산 증폭기 입력(662)("-"로 표시됨)을 포함하는 연산 증폭기(도 1에서 OP-AMP(660)로 표시됨)를 포함한다. 제1 기준 전압은 트랜지스터(669)를 통한 등가 누설 전류의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖고, 결과적으로, Ipc 측정 신호가 등가 누설보다 낮을 때에도 Ipc의 측정은 누설에 의해 차폐되지 않을 것이다. 실시예에 따르면, 전압-전류 트랜스듀서(55)는, 연산 증폭기 출력 신호에 적어도 부분적으로 기반하여 제1 누설 허용 전류를 생성하도록 구성되는 트랜스듀서 트랜지스터(669)를 포함한다. 실시예에 따르면, 고전압 전력 공급부(30)는 수백 볼트(예컨대, 약 -900 볼트)의 고전압을 제공하고, 트랜스듀서 트랜지스터는 그 고전압보다 약간 더 작은 소스-드레인(source to drain) 전위차의 영향을 받으며, GR과 VP 사이의 전압 차이를 견디기 위해 전압 분배기 네트워크(도 2에서 56으로 표시됨)를 제공함으로써 트랜스듀서 트랜지스터의 내구성이 증가되고 트랜스듀서 트랜지스터의 크기 및 비용이 감소된다. 실시예에 따르면, 측정 디바이스의 트랜스듀서 트랜지스터 및 다른 트랜지스터들 및 증폭기들은 저전압 바이어스 신호로 바이어싱될 때 동작하도록 구성되며, 저전압 바이어스 신호는 6 볼트를 초과하지 않거나 6 볼트와 상이한 절대 값을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 측정 디바이스는, 누설의 표시를 제공하기 위해, 광전자 증배 튜브가 광으로부터 차폐될 때 측정된 출력 전압인 암-출력 전압(dark output voltage)의 측정 디바이스에 의한 측정을 트리거링하도록 구성되는 제어기(도 3에서 58로 표시됨)를 포함한다. 실시예에 따르면, 제어기는, 누설의 절대 값을 초과하는 절대 값을 갖도록 제1 기준 전압을 결정하도록 구성된다. 실시예에 따르면, 광전자 증배 튜브의 애노드 전류의 측정치를 획득하고, 애노드 전류를 포토캐소드 전류로 나눔으로써 광전자 증배 튜브의 이득을 결정하도록 구성되는 제어기가 제공된다. 실시예에 따르면, 측정 디바이스는 제어기를 포함하지 않고, 제1 기준 전압의 값은, 누설의 측정치들 또는 시뮬레이션, 및 부가적으로 또는 대안적으로는, 오프셋들, 및 상이한 동작 조건들, 이를테면, 온도, 고전압의 값, 광전자 증배 튜브의 수명(age) 등에 기반하여 사전에 결정된다. 실시예에 따르면, 전압 증폭기는, 바이어스 회로에 의해 바이어싱됨으로써 션트 저항기 전압들의 전체 범위에 걸쳐 동작하도록 바이어싱된다. 실시예에 따르면