Размещено на http://www.allbest.ru/

"Счетчик фотонов"

свет астрономический счетчик фотон

Введение

Если энергия, передаваемая отдельным электронам полем излучения, значительно превышает энергию теплового движения электронов, появляется принципиальная возможность непосредственной регистрации событий, соответствующих поглощению квантов электромагнитного поля (ЭМП). Данное условие выполняется для световых квантов с длиной волны короче нескольких миллиметров. Однако собственные шумы обычных усилителей электрического сигнала, работающих по принципу управления током, не позволяют регистрировать заряды, величина которых меньше нескольких сотен электронов. Поэтому для реализации счета одноэлектронных событий необходим иной механизм усиления полезного сигнала. Таким механизмом, в частности, является непосредственное умножение числа носителей заряда в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и полупроводниковых лавинных фотоприемников.

Свет - основной источник информации об астрономических объектах и измерение его - одна из важнейших задач астрономии. В любительской и профессиональной астрономии в настоящее время применяется несколько способов измерения блеска точечных источников. Для этого используются визуальные, фотографические и фотоэлектрические фотометры. Разные типы применяются для различных задач и в наше время все больше сглаживаются различия между любительскими и профессиональными фотометрами.

Наиболее распространенным методом исследования точечных астрономических объектов является фотоэлектрическая фотометрия. Высокая точность и чувствительность позволяет этому методу решать многие астрофизические задачи. В основе метода фотоэлектрического измерения света лежит преобразование светового потока в электрический сигнал с одновременным усилением сигнала в сотни тысяч и миллионы раз. Это преобразование осуществляется с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Метод счета фотонов применяется при регистрации слабых сигналов, для которых нелинейность ФЭУ, появляющаяся в этом режиме, не существенна. В этом методе измеряется не ток, текущий с анода, а количество фотоэлектронов, выбитых с катода, т.е. число многоэлектронных импульсов на аноде. Это число пропорционально количеству фотонов света, попавших на фотокатод. Недостаток такого подхода - при большом потоке фотонов импульсы на выходе ФЭУ начинают сливаться - появляется нелинейность (двум или более упавшим фотонам может соответствовать один импульс тока на выходе - импульсы сливаются). Однако это случается лишь при наблюдении ярких звезд. Тогда поток предварительно ослабляют нейтральным фильтром с известным поглощением. Величина потока фотонов, при котором начинается нелинейность, зависит от такого параметра ФЭУ, как «мертвое время». Типичное значение мертвого времени - 50 нс. А нелинейность надо начинать учитывать при потоке ~10⁵ имп./сек. Еще одно достоинство метода счета фотонов было оценено с широким применением ЭВМ при регистрации сигнала. Малая постоянная времени позволяет копить сигнал не непрерывно в течении, например, 10 сек (как это делалось раньше), а порциями по 50-100 мсек, записывая результаты в память компьютера.

В современной медицине, биофизике и биохимии часто необходимо измерять интенсивность свечения определенных химических реакций, биологических объектов, жидкостей. Так, измеряя хемилюминесценцию, например фрагмента определенного органа человека в который внесена люминесцентная метка, можно определить подвержена ли она раковому заболеванию или нет. Можно измерять интенсивность хемилюминесценции озонированной жидкости, как сыворотки крови, так и, например, питьевой воды; интенсивность свечения продуктов питания, лекарственных препаратов и т. д.

1. Счетчик фотонов

1.1 Основные параметры и конструктивные особенности счетчиков фотонов

Счетчик фотонов (рис.1.1) содержит обычно фотоприемник со схемами питания, усилитель, дискриминатор, регистрирующий блок. В случае необходимости дополнительно могут применяться устройства охлаждения, модуляции светового потока, ЭВМ и т.д. состав и структура счетчика фотонов определяются решаемой физической задачей и зависят от ожидаемых технических характеристик разрабатываемого прибора или экспериментальной установки. Учет особенностей работы блоков счетчика фотонов (СФ) позволяет избежать на этапе проектирования необоснованных усложнений конструкций и сократить время создания требуемой аппаратуры.

Рисунок 1.1 - Структурная схема СФ: 1 - фотоприемник; 2 - усилитель; 3 - дискриминатор; 4 - регистратор импульсов; 5 - охлаждающее устройство; 6 - источник питания фотоприемника; 7 - предварительный усилитель; 8 - электронно-вычислительная машина; 9 - модулятор; 10 - датчик положения диска; 11- демодулятор.

К основным параметрам СФ относят мертвое время (разрешающее время по парным импульсам), темновой сигнал, квантовую эффективность регистрации, световую характеристику.

Мертвое время зависит от быстродействия фотоприемника и регистрирующих его сигнал электронных схем. Быстродействие СФ характеризуют иногда шириной полосы пропускания. Использование для этой цели мертвого времени, по-видимому, более удобно, поскольку данный параметр легко измерить экспериментально и, кроме того, он непосредственно применяется ля оценки нелинейности световой характеристики, возникающей из-за просчетов. СФ условно можно разделить на быстродействующие и такие, к которым не предъявляются особых требований по быстродействию. Первые используются в основном для изучения временных и корреляционных свойств регистрируемого излучения, вторые - для измерения интенсивностей слабых световых потоков. Уменьшение мертвого времени важно для широкодиапазонных фотометров, так как позволяет расширить область линейности световой характеристики. Быстродействующими считают СФ с мертвым временем, меньшим 20 нс. Следует иметь в виду, что для некоторых измерений (например, при исследовании кинетики люминесценции) необходимо как можно точнее определять временное положение импульсов. Точность же временной привязки в большой степени определяется нестабильностью задержки прохождения сигнала через СФ, а не с мертвым временем.

В быстродействующих СФ и счетчика, в которых используются фотоприемники с малым собственным усилением, значительная составляющая темнового сигнала, обусловленная шумами входного каскада усилителя импульсов и внешними помехами. В некоторых случаях, например при определении интенсивностей стационарных световых потоков, влияние темнового сигнала на результаты измерений можно существенно снизить, предварительно оценив интенсивность темновхых импульсов (когда темновой сигнал стабилен) или использовав модуляцию светового потока с последующей демодуляцией электрического сигнала.

Нестабильность квантовой эффективности регистрации непосредственно сказывается на точности измерений. Относительная погрешность измерений в режиме счета фотонов в несколько процентов, как правило, удовлетворяет требованиям физического эксперимента. Однако при измерениях интенсивностей стационарных световых потоков, например световых потоков звезд или фотометрических эталонов, иногда требуется точность порядка десятых и даже сотых долей процента.

Стабильность квантовой эффективности регистрации счетчиков фотонов контролируют, измеряя световые потоки или используя (иногда встроенные прямо в прибор) опорные источники светового излучения. В качестве опорных источников чаще всего применяют радиолюминесцентные источники (РЛИ) и светодиоды. Свечение РЛИ обусловлено радиолюминесценцией кристаллофосфора, смешанного с радиоактивным веществом. В зависимости от типа используемого кристаллофосфора РЛИ излучает свет в той или иной области спектра. Применяя РЛИ следует учитывать, что:

1) интенсивность излучения РЛИ зависит от температуры. Температурный коэффициент, равный отношению относительного изменения интенсивности к величине изменения температуры, принимает значение 1?0,5% °С (в диапазоне -100? +100 °С). Наблюдается также влияние температуры на спектральный состав излучения;

2) долговременная нестабильность излучения РЛИ составляет несколько процентов в год;

3) РЛИ является также источником низкоэнергетических частиц, образующихся в результате распада радиоактивного вещества. Чтобы эти частицы не регистрировались фотоприемником, РЛИ располагают на расстоянии не менее 5?10 см от рабочей поверхности фотоприемника;

4) статика излучения РЛИ не является пуассоновской.

Опорные источники на светодиодах удобны тем, что позволяют в широких пределах регулировать интенсивность светового потока. Параметры светодиодов зависят от температуры поэтому при точных измерениях необходимо термостатирование излучения.

Регистрирующая система может характеризоваться непродлевающимся и продлеваюимся мертвым временем. В первом случае сразу же после регистрации импульса система готова к приему следующего. Если регистрируется интенсивность n, а истинное число импульсов, поступивших в единицу времени, - n₀, выполняются соотношения

(1.1)

Во втором случае появление следующего импульса в момент регистрации удлиняет время нечувствительности системы. При этом регистрируемая и истинные интенсивности связаны формулой

Выражения (1.1) более удобны для расчетов, но, как правило, непригодны при высоких скоростях счета. Следует также иметь в виду, что мертвое время СФ в общем случае зависит от интенсивности импульсов. Эта зависимость может иметь довольно сложный вид, особенно для аппаратуры, выполненной без учета специальных требований. В тех случаях, когда важно иметь стабильное мертвое время (например, при корреляционных изменениях). Используют электронные схемы фиксации времени нечувствительности аппаратуры.

Иногда важны и другие параметры аппаратуры. При корреляционных изменениях СФ не должен вносить статистических искажений сигнала; к приборам, предназначенным для работы в полевых условиях, предъявляются особые требования по габаритам, весу, надежности и т. д.

Одноэлектронные импульсы на выходе фотоприемника имеют, как правило, амплитуду, недостаточную для срабатывания компаратора. Кроме того, уровень наводок на входную цепь компаратора нередко превышает значение его чувствительности. Во всяком случае, как показывает практика, вместо того, чтобы добавить снижения уровня помех на входе дискриминатора дополнительными экранированием и фильтрацией, проще использовать предварительное усиление одноэлектронных импульсов. Любой усилитель является источником добавочного шума. Поэтому всегда желательно максимально использовать усиление в самом фотоприемнике, увеличение которого, однако, небеспредельно.

В фотоумножителях, например, увеличение усиления за счет повышения питающего напряжения ограничено развитием газоразрядных и других процессов, приводящих к резкому возрастанию темнового сигнала. Увеличение собственного усиления фотоприемника нецелесообразно также, если это приводит к значительному ухудшению других одноэлектронных характеристик, например, амплитудного распределения выходных импульсов.

Задача снижения шума, связанного с помехами, особенно сложна при разработке быстродействующих СФ, когда далеко не всегда удается уменьшить его двже до уровня собственных шумов усилителя. Кроме тщательной экранировки цепей сигналов и фильтрации питающих напряжений в быстродействующих СФ необходима рациональная компоновка узлов и блоков, обеспечивающая наибольшее пространственное разделение цепей с различными уровнями сигналов. Рекомендуется, например, разделять усилитель и дискриминатор, располагая их в различных блоках, соединенных коаксиальными кабелями. Иногда целесообразно применять предварительный усилитель, находящийся в экранированном кожухе непосредственно около выхода фотоприемника. Следует помнить, что аноды фотоумножителей (или сигнальные выводы других одноэлектронных фотоприемников) ведут себя как высокочастотные антенны и их следует особенно тщательно экранировать. Высокочастотный шум может иногда создаваться высоковольтным источником питания и передаваться к фотоприемнику через питающий кабель. Поэтому желательно на разъемах питающих цепей устанавливать фильтрующие конденсаторы, а коаксиальные кабели развязывать при помощи ферритовых втулок. Полупроводниковые стабилитроны, используемые в высоковольтных делителях, могут генерировать шум на частотах вплоть до сверх высоких, и их также следует шунтировать конденсаторами.

Наряду с экранировкой фотоприемника от электрических полей при точных фотометрических измерениях часто возникает необходимость снижения влияния внешних магнитных полей. Как показали исследования, интенсивность импульсов на выходе фотоумножителей может значительно (до 10 и более процентов) изменяться при изменении положения фотоприемника относительно силовых линий магнитного поля Земли. Существенное влияние на работу фотоприемников (особенно диссекторов и некоторых других координатно-чувствительных фотоприемников) могут оказывать переменные внешние магнитные поля, возникающие вокруг проводников с током даже если они находятся на большом расстоянии.

В случае необходимости максимального снижения темнового сигнала, как правило, требуется охлаждение фотоприемника и его фотокатода. Снижение температуры фотоприемников на несколько градусов относительно температуры воздуха обеспечивается термоэлектрическими холодильниками, иногда применяют охлаждение до температуры жидкого азота. Следует учитывать, что использование охлаждающего устройства значительно усложняет конструкцию фоторегистрирующей части СФ.

1.2 Фотоприемник для счета фотонов

Метод счета фотонов непрерывно развивается, расширяется область его применения, повышается эффективность регистрации в результате разработки новых фотоприемников и использования приемов, улучшающих предельные характеристики фотодетекторов. К основным типам фотоприемников для счета фотонов можно отнести следующие: фотоумножители с умножением в динодной системе, диссекторы, фотоумножители с микроканальными пластинами, диджиконы, лавинные фотодиоды и МДП-фотоприемники.

Рассмотрим ФЭУ. На рис.1.2 приведена упрощенная схема устройства ФЭУ. Фотон света, попадая на фотокатод, выбивает из него один электрон. Ускоренный приложенным электрическим полем, электрон ударяет по первому диноду, выбивая из него несколько электронов, которые летят ко второму диноду, образуя электронную лавину. При этом может быть достигнуто усиление до 10⁸ раз. Помимо высокой чувствительности, ФЭУ обладает еще одним важным достоинством - сигнал на выходе ФЭУ пропорционален падающему световому потоку в очень большом диапазоне интенсивностей.

Рисунок 1.2 - Устройство ФЭУ

Чтобы собрать воедино все вылетевшие фотоэлектроны, ``умножить'' их количество и создать измеримый электрический ток, на фотоумножитель подается ускоряющее и фокусирующее напряжение. Схема устройства фотоумножителя и его электрического подключения показана на рис.1.3. Ускоряющий потенциал подан на последовательность поверхностей, называемых динодами, или вторичными эмиттерами, обладающих положительным коэффициентом вторичной электронной эмиссии. При попадании на эти поверхности одного ускоренного электрона с энергией порядка сотен электрон-вольт из них освобождается несколько электронов. Таким образом происходит ``умножение'' электронов.

Рисунок 1.3 - Электрическая схема фотоэлектронного умножителя

Для каждой длины волны света, количество попавшей на фотокатод энергии , выраженное в числе фотонов и отнесенное к числу выбитых электронов, называется спектральным квантовым выходом

Свойства ФЭУ как преобразователя светового потока в электрический сигнал определяются рядом параметров и характеристик, зависящих от конструкции и технологии изготовления.

Спектральная характеристика (зависимость квантового выхода от длины волны излучения) ФЭУ определяется материалом фотокатода, его толщиной, материалом подложки и входного окна колбы.

Квантовый выход зависит от спектрального состава падающего излучения и для современных фотокатодов в максимуме спектральной чувствительности имеет значение 0,1?0.3. Фотокатоды из материалов с отрицательным электронным сродством обладают высоким квантовым выходом до 800 нм, достигающим 50% в максиме спектральной чувствительности.

Не каждый электрон, эмитируемый фотокатодом, регистрируется на выходе ФЭУ как импульс анодного тока. Это связано с потерями фотоэлектронов во входной камере и вторичных электронов на первых динодах вследствие флуктуации коэффициента вторичной эмиссии и отличной от нуля вероятности нулевых событий в процессе умножения электронов. Поэтому ФЭУ характеризуется боле общей характеристикой - квантовой эффективностью регистрации з(б):

з(б) = nc/ncф,

где n_c=k₁k₂k₃n_фэ - количество сигнальных импульсов на выходе регистрирующей аппаратуры;

n_c^ф - число фотонов;

n_фэ - число фотоэлектронов, эмитированных фотокатодом;

k₁k₂k₃ - коэффициенты соответственно сброса электронов на первый динод, потерь сигнальных импульсов вследствие флуктуации коэффициента вторичной фотоэмиссии и пролета части электронов мимо динодов.

Эти коэффициенты зависят от конструкции электродов входной камеры, приложенного к этим электродам напряжения и зоны засветки фотокатода. Влияние на эффективность регистрации фотонов оказывает эффект пролета части умножаемых электронов мимо динодов, причем наиболее существенен вклад пролета фотоэлектронов мимо первого динода на второй. Эффект пролета электронов характеризуется коэффициентом пролета, который показывает, какая часть электронов, вылетевших с фотокатода, пролетела мимо первого динода. Имеет место пролет части электронов без умножения и в последующих каскадах умножения, но вклад их в процесс регистрации менее существенен. Источниками темнового тока ФЭУ являются: а) термоэлектронная эмиссия фотокатода и динодов; б) ток утечки в анодной цепи; в) автоэлектронная эмиссия электродов; г) газоразрядные процессы, тормозное и переходное излучение, катодолюминесценция материала динодов (оптическая и ионная обратная связь); д) космическое излучение и ионизирующее излучение радиоактивных ядер, содержащихся в конструктивных материалах ФЭУ; е) фликер-эффект фотокатода. Для качественного изготовления и отобранных по минимальному темновому току ФЭУ при правильном выборе напряжения питания темновые импульсы в основном обусловлены термоэмиссией электронов с фотокатода. Плотность тока термоэмиссии j_Т зависит от материала фотокатода и температуры:

где А₀ - универсальная постоянная;

- средний коэффициент отражения электронов на нгранице фотокатод-вакуум;

Т - температура;

Е - заряд электрона;

ц - термоэлектронная работа выхода электрона из материала фотокатода а вакуум;

к - постоянная Больцмана.

Важной характеристикой, определяющей пригодность ФЭУ для работы в режиме счета фотонов и его качество, является счетная характеристика - зависимость скорости счета темновых или инициированных слабой подсветкой импульсов от напряжения питания при фиксированном пороге дискриминации и коэффициенте усиления усилителя.

1.3 Усилители импульсов

Амплитуда импульсов на выходе фотоприемника (ФП), работающего в режиме СФ, недостаточна для срабатывания электронных схем регистраторов импульсных последовательностей, что обусловливает необходимость предварительного усиления сигнала. От параметров импульсного усилителя и учета особенностей его согласования с выходом фотоприемника в значительной степени зависят основные характеристики (мертвое время, стабильность квантовой эффективности регистрации и др.) счетчика фотонов. Параметры устройств электропитания одноэлектронных фотоприемников в значительной степени определяют такие важные характеристики СФ, как стабильность квантовой эффективности регистрации, быстродействие, стабильность темнового сигнала и т. д.

Иногда при проведении некоторых исследований источник испускает слишком слабые свечения для того, чтобы их можно было непосредственно регистрировать. Для этого их необходимо предварительно усилить. Например, в комплексе для этого применяется импульсный усилитель собранный по схеме рис.1.3.



Рисунок 1.3 - Импульсный усилитель

R1, R2 = 56, R3-R6 = 240, R7 = 1.1 k, R8 = 330, R9 = 200, R10 = 13, C1-C5 = 68n, M1 = 100ЛП216 или 500ЛП216, М2 = 597СА2, R8 - многооборотный

В качестве собственно усилителя в ней применена цифровая микросхема К500ЛП216. Это построенный по ЭСЛ-технологии приемник с линии, используемый при работе с длинными линиями. Микросхема обладает способностью работать на очень высоких частотах. К выходу микросхемы-усилителя подключена микросхема-компаратор. Назначение компаратора - отсекать импульсы малой амплитуды, соответствующие темновым импульсам идущим с первых динодов. Амплитуда таких импульсов меньше информационных, т.е. вызванных падением на фотокатод фотонов света и по этому признаку их можно отсеивать.

Питается усилитель от двух источников питания: +5В и -6В. Чтобы максимально уменьшить размеры корпуса усилителя, блоки питания расположены в корпусе счетчика импульсов.

Усилитель СФ должен отвечать определенным требованиям.

1. Полоса пропускания усилителя и уровень его собственных шумов должны соответствовать параметрам выходных импульсов используемого ФП.

2. В простейших СФ линейность усилителя обычно не играет роли. Однако если предполагается измерять амплитудное распределение выходных импульсов ФП или усиливается равновесный импульс, передаточная характеристика должна линейной.

3. если предполагается передача сигнала к дискриминатору по согласованной линии, требуется достаточно низкое выходное сопротивление усилителя. В небыстродействующей регистрирующей аппаратуре предпочтительнее устанавливать дискриминатор около усилителя, разделив их экраном.

4. В усиливаемом сигнале всегда имеются импульсы, приводящие к перегрузке выходного каскада. Поэтому, если увеличение мертвого времени нежелательно, необходимо схемотехнически предусмотреть защиту выходных транзисторов от насыщения.

5. При точных измерениях требуется высокая стабильность положения уровня дискриминации и , следовательно, стабильность коэффициента передачи усилителя. В этом случае целесообразно использование усилителя с отрицательными обратными связями в каскадах.

6. Собственное усиление одноэлектронных ФП даже одного типа значительно различается из-за технологических отклонений и сильной зависимости параметров от режима питания. Быстродействующие усилители СФ имеют свои особенности. Такие усилители состоят обычно из отдельных последовательно включенных секций, количество которых определяется требуемым коэффициентом передачи.

Быстродействующие усилители СФ имеют свои особенности. Такие усилители состоят обычно из отдельных последовательно включенных секций, количество которых определяется требуемым коэффициентом передачи. Средний коэффициент усиления (по току) одной секции не превышает 10, что обусловлено снижением быстродействия при увеличении усиления на каскад и требованием устойчивости работы всего усилителя.

1.4 Устройства амплитудной селекции

Амплитудный дискриминатор СФ осуществляет преобразование выходных импульсов усилителя, превышающих некоторый порог, в стандартные сигналы цифровых электронных схем. Амплитудный отбор импульсов позволяет улучшить отношение сигнал/шум, снизить влияние помех, он необходим также в устройствах временной привязки.

Очень сильная зависимость усиления фотоприемников от питающего напряжения приводит к необходимости применения высокостабильных источников питания.

1.5 Регистраторы импульсов счетчиков фотонов

Сигнал, сформированный устройствами амплитудного отбора СФ, представляют собой последовательность импульсов, статистически распределенных по времени появления. При этом полезная информация может содержаться как в значении средней скорости счета, так и во временном положении отдельных импульсов.

В случае измерения интенсивности светового потока определяют среднюю скорость счета на выходе амплитудного дискриминатора. Чаще всего для этого используют счетчик и таймер, причем остановка счетчика происходит в конце сформированного таймером интервала времени. При работе регистраторов в таком режиме число накопленных импульсов растет линейно с увеличением интенсивности. Это означает, что с ростом частоты уменьшается среднеквадратическая погрешность измерений

.

В качестве регистраторов сформированных электрических импульсов СФ, работающего с модуляцией светового потока, удобно использовать реверсивный счетчик. При этом вычитание числа темновых импульсов будет происходить непосредственно в процессе накопления сигнала.

В случае низкой интенсивности регистрируемого потока одноэлектронных импульсов статистические свойства света изучают, измеряя распределение интервалов времени между соседними импульсами.

2. Состав и структура приборов для счета фотонов

Требуемые состав, структура и метрологические характеристики СФ определяются назначением прибора и предполагаемыми условиями его эксплуатации. Рассмотрим особенности построения и параметры конкретных приборов, предназначенных для измерений в режиме счета фотонов.

Даже при тщательной экранировке устройств предварительной обработки сигнала СФ не всегда удается избавиться от влияния внешних ЭМ наводок. Поэтому в приборах, предназначенных для работы в условиях сильных внешних помех применяют специальные схемы выделения сигнала помехи, содержащие антенну на входе шумового канала, которая устанавливается непосредственно около фотоприемника. Импульсная помеха, воздействующая на антенну и вход канала счета одноэлектронных импульсов, приводит к одновременному появлению сигналов на входах схемы антисовпадений. Статически распределенная во времени помеха интенсивностью до 2·10⁵ с^-1 практически не нарушает работу СФ.

В случае работы в условиях ЭМ помех, имеющих сложный амплитудный и спектральный состав, применение в СФ шумового канала, усиливающего сигнал антенны, малоэффективно. Лучшей помехозащищенностью характеризуются СФ с параллельным каналом, усиливающим сигнал, снимаемый с последнего динода фотоумножителя. Одноэлектронный импульс на последнем диноде ФЭУ имеет практически ту же амплитуду, что и сигнал на аноде, но противоположную полярность, и коррелирован по времент появления с одноэлектронным импульсом на аноде ФЭУ. Внешняя помеха по-разному воздействует на каналы. Шумовой канал осуществляет инвертирование сигнала и усиление до уровня анодных одноэлектронных импульсов. Применение параллельного канала усиления динодных импульсов позволило в СФ снизить влияние внешних ЭМ помех в 20?200 раз.

За рубежом ведущим производителем приборов для счета фотонов является фирма EG and G Princeton Applied Research (США). Базовый комплект приборов содержит функционально законченные блоки, парметры которых приведены в табл. 2.1, 2.2

Таблица 2.1 - Основные технические характеристики регистраторов М 1109, М 1112, М1140

Параметр	Тип регистратора
	М 1109	М 1112	М 1140
Время нак. сигнала (пост. времени уср.), с	10-6?9990	10-6?999	3·10-4?104
Число накопленных импульсов в режиме Т (емкость счетчиков)	1?999·107	Счетчики А,В- 107, С - 109	_
Зад. запуска в режиме синх. счета фот., мс	_	10-3?1	_
Время накопления в полутактах, мс	_	106?9900	_
Различие времени нак. в полутактах, нс	_	12	_
Регистрируемый ток анода, А	_	_	10-8?10-3
Нап. высок. Ист., В (ток ист., мА)	±500?3600	_	0?1800
Время арифметических вычислений, мкс	_	32	_
Наличие интерфейса ЭВМ	Есть	Есть	Нет

Таблица 2.2 - Основные технические характеристики усилителей-дискриминаторов М 1120, М 1121, М 1140С, М 118

Параметр	Тип усилителя-дискриминатора
	М 1120	М 1121	М 1140С	М 1182
Разрешающее время по парным импульсам, нс	30	10	50	20
Входное сопротивление, Ом	50	50	330	50
Уровень шума, приведенный ко входу, мкВ	15	17	100	15
Диапазон входных сигналов, мВ	0,08?8	0,05?210	0,4?10	0,15?50
Напряжение первого уровня дискриминации, мВ	_	0,05?105	_	_
Напряжение второго уровня дискриминации, мВ	_	0,1?210	_	_
Ширина полосы пропускания усилителя, МГц	_	150	_	_

В данной работе была исследована схема устройства антисовпадений, электрическая принципиальная схема которой приведена в Приложении А. С помощью данной схемы задается интервала на котором идет подсчет импульсов, зарегистрированный ФЭУ.

Схема построена на основе двух операционных усилителей К140УД7, триггера К500М131 и логического элемента ИЛИ на основе микросхемы МС10101, построенных по ЭСЛ технологии, условные графические изображения которых приведены на рис. 2.1

Рисунок 2.1 - Условное графическое изображение усилителя К140УД7

Таблица 2.3 - Основные параметры К140УД7

Тип микросхемы	Uи.п, В	Uсм, В	Iвх, нА	КУ, дБ	VUвых, В/мкс
К140УД7	±5…±17	6	400	68	0,3

Таблица 2.4 - Основные параметры МС10101

Тип микросхемы	Т?, С	Iсс, мА	ТPHLmax, нс	ТPLHmax
МС10101	0…±70	28	2,9	2,9



Рисунок 2.3 - Условное графическое изображение триггера К500ТМ131

В таблице 2.5 приведены состояния триггера типа ТМ131

Таблица 2.5 - Состояния триггера типа ТМ131

Входы	Выходы
D		R	S	Qn+1
X	1	0	0
X	0	0	0
1	1	0	0	1	0
0	1	0	0	0	1
X	X	1	0	0	1
X	X	0	1	1	0
X	X	1	1	н/с	н/с

Микросхема К500ТМ131 содержит два двухступенчатых синхронных DV-триггера с установочными входами. Каждый двухступенчатый триггер объединяет два последовательно включенных одноступенчатых синхронных триггера. Информация записывается в первую ступень триггера при подаче низкого уровня напряжения синхросигнала и переписывается во вторую ступень после перхода синхросигнала на высокий уровень напряжения. В отличие от ИС ТМ130 данная микросхема лучше, так как новая информация на выходе появляется только после последнего переключения синхросигнала. Установка и сброс триггеров осуществляется при любом уровне напряжения синхросигнала (высоком или низком). Каждый триггер имеет собственные асинхронные входы сброса R и установки S, а также вход разрешения тактового импульса . Если на общем тактовом входе присутствует напряжение низкого уровня, на каждый из входов и можно подавать тактовые импульсы. С другой стороны, присутствие на входах и напряжения низкого уровня разрешает прохождение на оба триггера общей тактовой сетки .

Параметр I_вх¹ для входов 4, 5, 12, 13 составляет 330 мкА, для входов 6, 11 - 22 мкА, а для входов 7, 10 - 245 мкА.

3. Моделирование работы схемы на ЭВМ

При помощи современных САПР была проведена проверка правильности функционирования схемы на ЭВМ, используя Electronics Workbench. При моделировании работы схемы приведенной в Приложении А была получена временная диаграмма приведенная на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Временная диаграмма работы устройсва

С помощью возможностей Electronics Workbench можно усовершенствовать схему приведенную в Приложении А добавив индикаторы, которые будут демонстрировать количество импульсов в десятичном коде. Данная схема представлена на рис. 3.2.



Рисунок 3.2 - Усовершенствованная схема устройства антисовпадений

Заключение

Метод счета фотонов является наиболее перспективным методом исследования слабых световых потоков. Его дальнейшее развитие идет по пути повышения квантовой эффективности регистрации, быстродействия, информативности сигнала, улучшения пороговой чувствительности.

СФ с вакуумными фотоприемниками обеспечивают квантовую эффективность регистрации до нескольких десятков процентов в максимуме спектральной чувствительности, что достигается применением современных типов фотокатодов, специальных конструктивных элементов повышения светосбора а также электронных устройств и методов обработки сигнала, позволяющих максимально использовать одноэлектронные импульсы малых амплитуд. Реализация метода счета фотонов на твердотельных фотоприемниках - ЛФД и лавинных МДП-приборах позволяет повысить квантовую эффективность регистрации до 50?70%, причем в ближней ИК области ее значения на два-три прядка выше, чем в случае применения вакуумных фотоприемников.

Быстродействие одноэлектронных фотоприемников в значительной степени определяется размерами области, в которой происходит размножение носителей заряда. Современные ФЭУ с МКП и твердотельные лавинные фотоприемники обеспечивают регистрацию оптического сигнала с временным разрешением порядка десятых долей наносекунды.

Повышение информативности сигнала СФ достигается регистрацией не только самого фотоэлектронного события, но и места вылета фотоэлектрона или образования носителя заряда в полупроводнике. Простейший путь повышения информативности заключается в использовании многоканальных фотоприемников (матриц фотоприемников, ФЭУ с МКП и т. д).

Большое распространение получили гибридные фотоприемники, в которых в процессе регистрации осуществляется кодирование координаты фотоэлектрнного события.

Улучшение пороговой чувствительности СФ связано с повышением квантовой эффективности регистрации, так и со снижением темнового сигнала.

В настоящее время во многих странах мира идет разработка усовершенствование и разработка новых схем и устройств счета фотонов. Приведем один из примеров охлаждаемого счетчика фотонов для флуоресцентных детекторов.

Серия Н7421 Охлаждаемый счетчик фотонов для флуоресцентных детекторов Hamamatsu Photonics представляет новую головку для счета фотонов с высокой обнаружительной способностью для применений во флуоресценции и биолюминесценции. Прибор Н7421 сочетает фотоумножитель с фотокатодом из GaAs или GaAsP, высоковольтный источник питания, делитель напряжения, схему счета фотонов и охладитель. Схема счета фотонов уже настроена на оптимальную работу, так что нет необходимости затрачивать значительное время на предварительные операции. Это делает головку Н7421 очень простой в применении. Новый полупроводниковый фотокатод обеспечивает весьма высокую квантовую эффективность в диапазоне до 890 нм. Охладитель снижает термоэлектронную эмиссию с фотокатода, тем самым уменьшая число темновых отсчетов и улучшая характеристики прибора как счетчика фотонов. Дополнительные аксессуары могут включать теплоотвод с вентилятором, волоконно-оптический адаптер и адаптер C-mount.

Таблица - Характеристики охлаждаемого счетчика фотонов серии Н7421

Тип изделия	H7421-40	H74210-50
Фотокатод	GaAsP	GaAs
Спектральный диапазон, нм	300-720	380-890
Темновой сигнал, отсч./с	80	100
Входное напряжение	+15	+15

Список использованной литературы

1.Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Мн.:Университетское, 1989. - 256 с.

2. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. - М.: Высш.шк., 1989. - 527с.

3. Одноэлектронные фотоприемники/ С.С. Ветохин, И.Р. Гулаков, А.Н. Перцев и др.М.: Энергоатом издат,1986. 160 с.

4. Цифровые интегральные микросхемы: Справ./М.И.Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо.- Мн.: Беларусь, 1991. - 493 с.

5. Партала О.Н. Радиокомпоненты и материалы: Справочник.- К.: Радіоаматор, 1998.- 720- с.

1. Размещено на Allbest.ru