RU2000657C1 - Способ регистрации сигнала в режиме счета фотонов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области измерений и может быть использовано дл  регистрации световых потоков с интенсивностью, измен ющейс  в широких пределах, в физике, спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы, космических исследовани х, астрономии и других област х . Сущность изобретени  состоит в том, что сигнал выдел ют на нагрузке фотоэлектронного умножител  и дискриминируют, при этом величину нагрузки уменьшают в момент срабатывани  дискриминатора, что позвол ет уменьшить погрешность способа . 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к области измерений и может быть использовано дл  регистрации световых потоков в широком диапазоне интенсивностей в физике, спектроскопии , лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследовани х, астрономии и др.

Когда прием отраженных атмосферой оптических зондирующих импульсов ведетс  с больших рассто ний и ФЭУ работает в режиме счета отдельных фотонов, существенным ограничением дл  регистрации с высокой точностью быстромен ющейс  интенсивности принимаемых сигналов  вл етс  форма (длительность) одноэлектронного импульса, снимаемого с анода ФЭУ.

Длительность переднего фронта одно- электронного импульса на нагрузке ФЭУ, возникшего в результате взаимодействи  фотона с фотокатодом и умножени  потока вторичных электронов в ФЭУ, определ етс  характеристика диодной системы и способами фокусировки и ускорени  этого потока . Эта длительность достаточно мала

(единицы наносекунд) и имеет вид плавно нарастающей до максимума кривой Длительность и форма заднего фронта одно- электронного импульса определ ютс  в основном двум  процессами, происход щими в анодной камере - разр дом анодной камеры (стеканием зар да пришедшего электронного облака через сопротивление нагрузки на землю) и процессами многократного отражени  сигнала от несогласованной нагрузки ФЭУ и анодной камеры из-за многократного прохождени  электронного облака мимо анода Поэтому задний фронт одноэлектронного импульса имеет вид спадающей кривой с посто нной времени, определ емой произведением емкости анодной камеры на величину нагрузочного сопротивлени , с наложенными на нее затухающими высокочастотными колебани ми (звеном анодной камеры) Длительность заднего фронта имеет величину несколько дес тков наносекунд т е максимально возможна  интенсивность поступлени  облаков электронов на анод может быть не более 40-50 МГц ( а с учетом статиЁ

ю о о о о ел

о

стики разброса моментов эмиттировани  и умножени  еще меньше), иначе выходной сигнал за счет недостаточной скорости разр да анодной камеры тер ет импульсную природу, не выдел етс  и не регистрируетс  регистрирующим устройством - счетчиком фотонов. При использовании достаточно быстродействующего компаратора в дискриминаторе одноэлектронных импульсов каждое (или почти каждое) колебание заднего фронта одноэлектронного импульса, пересекающее уровень дискриминации, интерпретируетс  как отдельный фотоимпульс и регистрируетс  измерительной системой , что ведет к возникновению методической ошибки и увеличению погрешности регистрации сигнала.

Очевидно, что устранение звона, а также уменьшение длительности заднего фронта одноэлектронного импульса до величины пор дка переднего фронта каким- либо образом позволило бы значительно повысить быстродействие ФЭУ в режиме счета фотона и повысить точность регистрации одноэлектронных импульсов путем четкого разделени  импульсов, поступающих на нагрузку ФЭУ с высокой интенсивностью без каких-либо просчетов упом нутого типа.

Известны способы регулировани  коэффициента умножени  ФЭУ, по которым регулирующее напр жение подаетс  на один или несколько динодных промежутков, измен   их коэффициент умножени  и тем самым общий коэффициент усилени  ФЭУ. Первые два способа пс твол ют быстро увеличить коэффициент усилени  ФЭУ, однако уменьшение коэффициента усилени  путем сн ти  напр жени  с промежутков динодов св зано с разр дом большой суммарной емкости динодов и поэтому не может быть достаточно быстрым. Кроме того, управление процессом регулировани  не св зано с выходным сигналом ФЭУ, а осуществл етс  от внешнего источника. Третье устройство состоит из ФЭУ с подключенным параллельно его динодам равномерного делител  и подключенного параллельно к трем резисторам делител  управл емого фоторезистора , величина которого зависит от  ркости освещающей его лампочки, котора  подключена к выходу детектора, а выход детектора подключен через усилитель к выходу ФЭУ. Таким образом осуществл етс  регулировка выходного напр жени  ФЭУ в зависимости от входного светового потока. Использование в схеме инерционных элементов (лампочка накаливани , фоторезистор ) не позвол ет с достаточной скоростью управл ть выходным током ФЭУ. т.е. регистрировать с высокой точностью поток отдельных фотоимпульсов большой интенсивности .

Все рассмотренные способы не могут использоватьс  при случайном по влении

одноэлектронных импульсов и обеспечивать тем самым управление параметрами самих одноэлектронных импульсов потому, что процесс управлени  напр жением на динодах начинаетс  уже тогда, когда одноэлектронное облако уже пролетело все динодные промежутки и выделилось в виде

одноэлектронного импульса на нагрузке

ФЭУ, т.е. когда управл ть уже поздно.

Известен также способ подавлени 

5 звона анодной камеры путем введени  фильтра высоких частот в схему усилител  одноэлектронных импульсов, что ведет к ограничению верхней границы спектра импульса и сглаживанию его формы. Однако

0 при этоМ уменьшаетс  амплитуда импульса, приходитс  увеличивать коэффициент усилени  усилител , а это ведет к увеличению числа шумовых импульсов, достигающих уровн  дискриминации и воспринимаемых

5 счетчиком фотонов как сигнальные. При этом отношение сигнал/шум ухудшаетс . Кроме того, сглаженный импульс имеет большую длительность, что снижает динамический диапазон входного сигнала по ин0 тенсивности.

Наиболее близким к предлагаемому по существу решаемой задачи  вл етс  способ увеличени  скорости дискриминации одно- электронных импульсов, по которому дл 

5 увеличени  скорости разр да анодной камеры ФЭУ и уменьшени  амплитуды паразитных колебаний на заднем фронте импульса уменьшают величину нагрузочного резистора ФЭУ так. чтобы обеспечить

0 быстрый разр д анодной камеры и получить малую амплитуду колебаний на заднем фронте одноэлектронного импульса при достаточной амплитуде сигнала с выхода усилител .

5 Недостатком данного способа  вл етс  необходимость использовать дл  усилени  сигнала с малой амплитудой, выдел емого на нагрузочном сопротивлении малой величины , усилител  с большим коэффициентом

0 усилени , при этом велика веро тность перегрузки такого усилител  при поступлении на него импульсов с большой амплитудой, возникающих в результате вторичной эмиссии , ионизации атомов остаточных газов,

5 колбы, динодов и других  влений. Кроме того, уменьшение амплитуды сигнала пропорционально уменьшению амплитуды колебаний на заднем фронте и после усилени  эти колебани  сохран ютс , вызыва  неод- некратное срабатывание дискриминатора.

что ведет к росту погрешности измерени . Так как дискриминаци  одноэлектронного импульса происходит в течение его переднего фронта, то радиальным способом избавлени  как от зат жки заднего фронта, так и колебаний на заднем фронте было бы отсечение заднего фронта путем повышени  скорости разр да анодной камеры с одновременным уменьшением амплитуды импульса путем уменьшени  величины нагрузочного сопротивлени  ФЭУ после про- ведени  дискриминации, когда уже определено, что данный импульс  вл етс  одноэлектронным. Это позвол ет повысить точность регистрации одноэлектронных импульсов , поступающих с более высокой интенсивностью , так как звон на заднем фронте одноэлектронного импульса пропадает вместе с ним.

Целью изобретени   вл етс  увеличение точности дискриминации одноэлектронных импульсов за счет ускорени  разр да анодной камеры ФЭУ.

Цель достигаетс  тем, что, как и по известному способу регистрации, по предлагаемому сигнал с ФЭУ выдел етс  на нагрузочном резисторе, а затем дискриминируетс . В отличие от известного способа величина нагрузочного резистора ФЭУ не посто нна, а измен етс  в процессе дискриминации одноэлектронного импульса.

Сравнение за вл емого решени  с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличаетс  от известного тем, что в прототипе величина нагрузочного резистора выбираетс  минимально возможной и остаетс  таковой в течение всего времени измерений. По предлагаемому способу величина нагрузочного резистора выбираетс  достаточно большой, но при анализе каждого приход щего одноэлектронного импульса скачком уменьшаетс  до минимума, практически до нул . Таким образом, за вл емый способ соответствует критерию новизна .

В известных способах изменение чувствительности или коэффициента усилени  ФЭУ производитс  путем контрол  выходного тока и последующего изменени , например , напр жени  на динодах. В случае учета фотонов такое управление невозможно , потому что по вление сигнала на нагрузке ФЭУ говорит о том, что электронное облако уже прошло ФЭУ и поэтому управление динодами уже ничего не дает. Предлагаемый способ управл ет каждым импульсом тока на нагрузке ФЭУ. устран   погрешность регистрации, котора  другими способами неустранима. Поэтому можно сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решени  критерию существенные отличи .

На фиг. 1 изображена схема устройства,

которое позвол ет реализовать за вл емый

5 способ, где 1 - ФЭУ, 2 - резистор нагрузки

ФЭУ, 3 - дискриминатор одноэлектронных

импульсов, 4 - управл емый резистор.

В качестве управл емого резистора возможно использование коллекторно-эмит0 терного сопротивлени  транзистора, величина которого зависит от тока базы, причем управление величиной сопротивлени  проводитс  подачей отпирающего потенциала в цепь базы. Возможность

5 переключени  СВЧ-транзисторов за короткое врем  (единицы-доли наносекунд) позвол ет производить быстрое уменьшение величины управл емого сопротивлени  и тем самым амплитуды на нем до величины,

0 во много раз меньшей исходной, особенно дл  специальных транзисторов, имеющих очень малое сопротивление в открытом состо нии . Кроме этого, возможно использование в качестве управл емых резисторов

5 полевых СВЧ-транзисторов. Управл ющий сигнал напр жени , подаваемый на затвор полевого транзистора, вызывает уменьшение сопротивлени  провод щего канала и тем самым общего сопротивлени  нагрузки

0 ФЭУ.

Работа устройства по сн етс  фиг. 2, на которой изображена временна  диаграмма работы системы с неуправл емой и управл емой величинами сопротивлени  нагрузки

5 ФЭУ. В отсутствие цепи управлени  сигнал на нагрузке ФЭУ имеет вид, изображенный на верхнем графике, где гфр - длительность переднего фронта одноэлектронного импульса; Гсги - длительность заднего фронта

0 (спада) импульса. Сигнал с выхода дискриминатора изображен на среднем графике непрерывной линией, причем здесь изображено многократное срабатывание дискриминатора на заднем фронте

5 одноэлектронного импульса, где наблюдаетс  звон анодной камеры.

Дл  того, чтобы два последовательных импульса можно было различить на отдельные , второй импульс на аноде ФЭУ должен

0 по витьс  не ранее чем через врем  Ti, которое и определ ет максимальную интенсивность потока одноэлектронных импульсов.

После подключени  схемы управлени 

5 и управл емого резистора устройство работает так. В отсутствие входного сигнала величина нагрузки ФЭУ определ етс  нагрузочным резистором 2, так как дополнительный нагрузочный управл емый

резистор имеет большую величину (единицы-дес тки киллоом) и на работу анодной камеры ФЭУ не вли ет. Пришедшее на анод ФЭУ 1 электронное облако стекает через сопротивление нагрузки 2 на землю, вызыва  по вление на нем импульса напр жени . Дискриминатор 3 выдел ет одноэлектронные импульсы и положительным фронтом открывает транзистор (управл емый резистор), сопротивление его резко уменьшаетс , а следовательно, уменьшаетс  посто нна  цепи разр да анодной камеры , происходит быстрое стекзние зар да на землю, т.е. длительность заднего фронта сокращаетс  до величины тсп.2. В результате быстрого стекани  зар да с анода на землю очередное поступление одноэлектронного импульса, который может быть выделен как отдельный импульс, становитс  возможным уже через врем . Т2 после по влени  переднего фронта текущего импульса, т.е. скорость дискриминации увеличиваетс . Увеличиваетс  и точность дискриминации, так как задний фронт становитс  гладким и многократного срабатывани  дискриминатора из-за звона анодной камеры не происходит , а также не происходит слипани  соседних одноэлектронных импульсов, поступающих с более высокой интенсивностью ,

Таким образом, изменение нагрузки ФЭУ в процессе дискриминации приводит к уменьшению длительности одноэлектронного импульса. Одновременно устран етс  звон анодной камеры, Быстрый разр д анодной камеры тем самым обеспечивает готовность анода ФЭУ к приему следующего электронного облака через более короткое врем , т.е. повышает быстродействие ФЭУ.

Устройство может быть собрано полностью на отечественных элементах и микросхемах . В качестве управл емого резистора могут быть использованы резисторы типа КТ382Б, КП350Б. Дискриминатор собран на ИС компаратора К597СА1. При этом получаетс  удовлетворительное согласование с нагрузкой (мала  величина выбросов и отражений ), а также с выходом дискриминатора. По сравнению с прототипом точность выделени  одноэлектронных импульсов повышэетс  на 30-50%, а максимальна  частота дискриминации - в 2-3 раза, т.е. предлагаемый способ позвол ет существенно улучшить технические характеристики как дискриминатора одноэлектронных импульсов , так и измерительной системы в целом .

Приведенные цифры рассчитаны исход  иэ реальных длительностей одноэлектронных импульсов дл  известных типов

счетных ФЭУ (ФЭУ-79, ФЭУ-104, ФЭУ-130) и быстродействи  имеющихс  бипол рных и полевых транзисторов.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ регистрации сигнала в режиме

   счета фотонов путем выделени  его на нагрузке фотоэлектронного умножител  и дискриминации , отличающийс  тем.что, с целью уменьшени  погрешности, величина нагрузки фотоэлектронного умножител 

   уменьшаетс  в момент срабатывани  дискриминатора .

   фие.1

   фи&2