検出器

光を感じて信号に変換するものとして，最も身近なものに人間の視神経があります。人の目はおよそ400nmから700nmの波長の光を感じ，神経組織を通じて脳へと信号を送ります。いわば目は可視光を検出する最も身近な光検出器です。人の目は可視光領域に感度を持ち，最も感度が高い波長は緑色の550nm辺りになります。分光光度計用の検出器も同様に使用できる波長領域があり，波長により感度が異なります。紫外可視域において感度を持つ代表的な検出器としては，光電子増倍管（フォトマルチプライヤーチューブ）とシリコンフォトダイオードがあります。光電子増倍管はフォトマルとも呼ばれています。また，近赤外域用検出器としては，専らPbS光導電素子が使用されてきましたが，最近ではInGaAsフォトダイオードが近赤外領域の一部に用いられる装置もあります。図2に各検出器と波長範囲の対応表を示します。

光電子増倍管は光電面に光が当ると光電子が放出される現象，すなわち外部光電効果を利用した検出器です。図3に光電子増倍管の動作原理図を示します。光電面から出た光電子(一次電子)は多段に組まれたダイノード(電子増倍電極)で二次電子放出を繰返し，陽極(アノード)に達します。一次電子1個当たりδ個の二次電子を放出し，これをn段繰り返すとδⁿ倍の増倍率が得られます。少ない光量で最終的に大きな出力が得られるため，光電子増倍管の最大の特長は，他の光センサーでは得られない際立った高感度にあります。δを二次電子放出比と呼びます。電子を加速するために外部から高電圧(-HT)を印加しますが，二次電子放出比はこの高電圧の値が大きくなると大きな値が得られます。従って，高電圧を制御することで増倍率を変えることができるのも光電子増倍管の特長です。光量が十分ある場合には，高電圧を小さくし，光量が減る場合には高電圧を大きくして使用します。スリットを切り替えたり，積分球などの極端に光量が減少する付属装置を使用したりする場合に，この光電子増倍管の特長が生きてきます。このため，光電子増倍管は，高いグレードの装置に使われています。

光電面の感度と入射光の波長との関係を分光感度特性といいます。分光感度特性は，主として光電面の材料により決まります。紫外可視領域に感度を持つマルチアルカリ光電面の分光感度特性の例を図4に示します。

光導電素子は光の照射によって電気伝導度(抵抗)が変化する光導電現象を利用した光電変換素子です。動作原理を図8に示します。伝導帯と価電子帯との間のエネルギーギャップより大きいエネルギーを持つ光が入射すれば価電子帯の電子は伝導帯に励起され，その後に正孔ができます。PbS光導電素子では入射光量により抵抗が減少しますので，これを外部回路により信号として取り出します。

冷却して使用すると分光感度特性が長波長側にシフトするため，長波長側の感度が向上します。一方で応答速度が遅くなります。PbS光導電素子は他の近赤外検出素子に比べて室温で使用できるというメリットがあるのですが，それでも温度によって感度，応答速度，暗抵抗が変化するデリケートな素子です。図9にPbS光導電素子の分光感度特性を示します。

今回は，「光を電気信号に変換する」検出器について解説しました。
溶液試料を測定する場合には意識する必要はありませんが，ガラス板やレンズなど厚みをもった固体試料の透過測定を行うときに，試料の有無によって検出器に入射する光束形状が変化することがあります。この場合，検出器の検出面の感度むらによって測定誤差が生じます。この検出器の感度むらの影響をなくして測定を行うことができる積分球という付属装置があります。

参考文献
1) 島津吸光分析講座 講義テキスト　「分光光度計の原理・構造・応用」（島津製作所）
2) 浜松ホトニクス株式会社 光電子増倍管カタログ
3) 浜松ホトニクス株式会社 光半導体素子カタログ