Способ регистрации фотонов и устройство для его осуществления

 

1. Способ регистрации фотонов с помощью фотоэлектронного умножительного прибора, заключающийся в измерении квантовой эффективности фотокатода, подаче потенциалов фокусировки по крайней мере на одну . электронную линзу и диафрагму, измерении количества импульсов на выходе фотоэлектронного умножительного прибора и подсчете числа фотонов, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона измерений , на электроды одиночной электронной линзы с поперечной составляющей поля пбдают потенциалы перефокусировки , определяют коэффициент перефокусировки как соотношении количества импульсов на выходе фотоэлектронного прибора в условиях фокусировки к количеству импульсов при перефо кусировке , а число фотонов определяют из соотношения N, :П.тгде - число фотонов; Ni ЧИСЛО импульсов на выховыу де фотоэлектронного умножительного прибораi квантовая эффектийность П-ре фотокатода; коэффициент перефокусип IT«J3( ровки 1-ой электронной линзы; К количество электронных линз. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, включающее фотоэлектронный умножительный прибор, содержащий последовательно расположенные по крайней мере одну электронную линзу и диафрагму, установленные последовательно между фотокатодом и систе (Л мой умножения, отличающеес я тем, что, с целью увеличения диапазона измерений, по крайней ме|эе ближайшая к фотокатоду электронная линза выполнена в виде одиночной линзы с поперечной составляющей поля и расположена так, что отношение М расстояния от фотокатода до центра линзы к расстоянию от центра линоо зыдо диафрагмы находится в пределах со ел от 0,1 до 1,0, а диаметр отверстия в диафрагме не более отношения d/M, со где d - размер изображения на фотокатоде , 3. Устройство по п.2, о т л и ч аю щ е е с я тем, что последующие электронные линзы также выполнены в виде одиночных линз с поперечной составляющей поля и расположены так, что отношение расстояний между центром предыдущей линзы и центром последующей линзы к расстоянию между центро. последующем линзы и диафрагмой лежит в пределах от 0,1 до Т,0.

O% (11) союз советсиих социАлистичесних

РЕСПУБЛИК (,) Н 01 д 40/00, 43/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ где И .℠— число Фотонов;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fo иэОБРетениям и ОТКРытиям уии гкнт сссР (21) 3565030/21. (22} 26.01.83 (46) 23.12.91. Бюл. 47 (72) Б.ф. Цирук, И.А. Петров и А.И. Решетников (53) 621.383 ° 835 (088.8) (56) Патент США 1 3435233, кл. 250-207, 25.03.69.

Авторское свидетельство СССР

: 11 727054, кл. H 01 J 43/00, 28. 12. /8 (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ФОТОНОВ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ регистрации Фотонов с помощью фотоэлектронного умножительного прибора, заключающийся в измерении квантовой эффективности фотокатода, подаче потенциалов фокусировки по крайней мере на одну электронную линзу и диафрагму, измерении количества импульсов на выходе фотоэлектронного умножительного прибора и подсчете числа фотонов, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона измерений, на электроды одиночной электронной линзы с поперечной составляющей поля пддаат потенциалы перефокусировки, определяют коэффициент перефокусировки как соотношении количества импульсов на выходе фотоэлектронного прибора в условиях фокусировки, к количеству импульсов при перефовЂ.кусировке, а число фотонов определя-ют из соотношения

i =-K

Нем ПП6

У 1-4

g 4Pс

Изы„— число импульсов на выходе Фотоэлектронного умножительного прибора;

- квантовая эффективность

Фотокатода; коэффициент перефокусировки i-ой электронной линзы;

К - количество электронных линз. . 2. Устройство для осуществления способа по и.1, включающее Фотоэлект ронный умножительный прибор, содержащий последовательно расположенные по крайней мере одну электронную линзу и диафрагму, установленные после- д довательно между фбтокатодом и систе- мой умножения, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью увеличения диапазона измерений, по крайней мере ближайшая к Фотокатоду электронная линза выполнена в виде одиночной линзы с поперечной составляющей поля и расположена твк, что отношение

М расстояния от фотокатода до центра линзы к расстоянию от центра линзы. до диафрагмы находится в пределах

I . от 0,1 до 1,0, а диаметр отверстия в диафрагме не более отношения d/М, где d — - размер изображения на фотокатоде.

3. Устройство по п.2, о т л и ч аю щ е е с я тем, что последующие электронные линзы также выполнены в виде одиночных линз с поперечной составляющей поля и расположены так, и что отношение расстояний между центром предыдущей линзы и центром последующей линзы к расстоянию между центром последующей линзы и диафраг. мой лежит в пределах от О,l до 1,0.

11О8953

Набу кесл Р И " 4. Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения потенциалов перефокусировМ ;Изобретение относится к области 1ц элек >ойики, в частности к способам рег страции фотонов и устройствам, реализующим их.

Известен способ регистрации Фотонов, падающих на фотокатод фотоэлект- 15 ронного умножительного прибора, ФЭП, при котором измеряют квантовую эффективность фотокатода, подают потенциалы ослабления на отдельные диноды. или группы динодов системы умножения р11 фотоэлектронного прибора,с целью изменения коэффициента умножения, измеряют количество импульсов на выходе фотоэлектронного прибора (ФЭП) при условии отсутствия потенциалов,25 ослабления на динодах и подачи их,. а по их отношению определяют коэффициент ослабления, при этом число фотонов определяют по Формуле

: где 11 „„— количество импульсов на выходе ФЭП при подаче потенциалов ослабления;

К - коэффициент ослабления;

- квантовая эффективность

Фотокатода.

Потенциалы ослабления изменяют напряжение между динодами, что при- 4О водит к попаданию части вторичных электронов на элементы конструкции

ФЭП, а также изменению скоростей электронов, попадающих на диноды ум ножителей системы, влияющее на коэффициент вторичной эмиссии динодов.

Недостатком известного способа является малый диапазон измерения„ так как при увеличении числа фото= Й

I сигнал

-нов уменьшается соотношение-----шум у фотоэлектронного умножительного прибора из-за попадания части электронов на элементы конструкции и из55 менения коэффициента вторичной эмиссии динодов.

Известен способ регистрации Фотонов .с помощью фотоэлектронного умноки, электронные линзы выполнены в виде одиночных скрещенных линз с поперечной составляющей поля.

I ! житель ного прибора, заключающийся в измерении квантовой эффективности

Фотокатода, подаче потенциалов фокусировки по крайней мере на одну элект» ронную линзу и диафрагму, расположен-! ные последовательно между фотокатодом и системой умножения измерений количества импульсов на выходе фото-. электронного прибора и подсчете числа Фотонов.

Недостатком известного способа является малый диапазон измерения изза недостаточного рассеяния фотоэлект ронов перед системой умножения и, кроме того, из-за изменения коэффициента вторичной эмиссии первого динода системы умножения.

Известно уотройство для регистрации Фотонов, содержащее Фотоэлектронный умножительный прибор, один ряд динодов которого соединен с дополнительным источником питания.

В этом устройстве увеличение диапазона измерения осуществляется путем подачи напряжений на ряд динодов, под влиянием которого изменяются траектории и скорости электронов между динодами, а также изменяется коэффициент вторичной эмиссии динодов.

Недостатком этого устройства яв ляется недостаточное увеличение диапазона регулирования коэффициента умножения ФЭУ из-за попадания части электронного потока на элементы конструкции.

Известно устройство для регистрации фотонов, включающее Фотоэлектронный умножительный прибор, содержащий последовательно расположенные по крайней мере одну электронную линзу и диафрагму, установленные последовательно между фотокатодом и системой умножения.

Недостатками известного устрбйства является недостаточный диапазон регулирования. числа фотоэлектронов на входе системы умножения фотоэлект ронного умножительного прибора из-за недостаточного рассеяния фотоэлект! 1Q8953

- число фотонов; — число импульсов на вь.ходе фотоэлектронного умножительного прибора;

- квантовая эффективность

Фото ка тода; коэффициент перефокусироки i-ой электронной линзы,э

- количество электронных линз.

lÀe !рвт явыу

Цель изобретения реализуется с помощью устройства, включающего

Фотоэлектронн и умножительный прибор, сод ржащий последовательно расположенные по крайней мере одну электронную линзу и диафрагму, установленные последовательно между фотокатодом и системой умножения, по

50 крайней мере ближайшая к фотокатоду электронная линза выполнена в виде одиночной линзы с поперечной составляющей поля и расположена так, что отношение М расстояния от Фотокатода до центра линзы к расстоянию от центра линзы до диафрагмы находится в пределах от (),1 до 1,0, а диаметр ронов электронной линзой, а также изменение коэффициента вторичной эмиссии первого динода системы умножения из-за изменения скорости Фото5 эле кт роно в .

Целью изобретения является увеличение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в способе регистрации фотонов с помощью 10 фотоэлектрического умножительного прибора, заключающемся в измерении квантовой эффективности фотокатода, подаче потенциалов фокусировки по крайней мере на одну электронную,лин- 15 зу и диафрагму, измерении количества импульсов на выходе фотоэлектронного прибора и подсчете числа фотонов, на электроды одиночной электронной линзы с поперечной составляющей поля 20 подают потенциалы перефокусировки, определяют коэффициент перефокусиров3 ки как отношение количества импульсов на выходе фотоэлектронного прибора s условиях фокусировки к коли- 25 честву импульсов при перефокусировке, а число фотонов подсчитывают по

Формуле

Х

N чьх 30 отверстия в диафрагме не более отно- . шения d/M, где d — размер изображения на фотокатоде.

Для большего увеличения диапазона регистрации последующие электронные линзы также выполнены в виде одиночных линз с поперечной составляющей поля и расположены так, что отношение расстояний между центром предыдущей линзы и центром последу- ющей линзы к расстоянию между центром последующей линзы и диафрагмой лежит я пределах 0,1 до 0.

Кроме того, с целью уменьшения потенциалов перефокусировки, электронные линзы выполнены в виде одиночных скрещенных линз с поперечной составляющей поля.

На фиг,1 представлена схема устройства; на фиг.2 - иллюстрация режима работы устройства, когда на линзы поданы максимальные потенциалы перефокусировки, соответственно 4,", М, ЩЙ(!

Устройство содержит фотоэлектронный прибор 1, усилитель напряжения

2, Формирователь импульсов 3, счетчик 4, блок управления работой устройства 5, формирователь управляющих напряжений б, электронные линзы 7,8, 9, диафрагму 10, систему умножения 11.

Блок 5 соединен с входом формировате" ля б, выходы которого соединены с электронными линзами 7,8,9.

Перед работой устройство калибруют с целью определения потенциалов перефокусировки электронных линз 7, 8 9. Для этого на электронных линзах 7,8,9 с помощью блока управления работой устройства 5 через Формирователь напряжений 6 устанавливают потенциалы фокусировки соответственно 1о„, 1 ос, оз, при которых все фотозлектроны должны поступать в систему умножения фотоэлектронного прибора 1, а на фотокатод фотоэлектронного прибора 1 проецируют световой поток такой величины, чтобы число импульсов на выходе Фотоэлектронного прибора 1 не превышало максимального значения, определяемого полосами пропускания Фотоэлектронного прибо ра 1, усилителя напряжения 2, Форми» рователя импульсов 3 и быстродействи" ем счетчика 4. Поэтому количество импульсов на выходе Фотоэлектронн(ого прибора 1 не должно превышать 1О в

1108953 секунду. Определяют потенциалы переФокусировки линзы 9.

Для этого с помощ!ью блока управления работой устройства 5 через Фор5 мирователь управляюц!их напряжений б устанавливают на электронных линзах 7,8 потенциалы Фокусировки egg, М д, а на линзе 9 устанавливают последоваI тельно потенциалы перефокусировки !

0!! !Ф!!! ч, при которых крассовер находится в промежутке между электронной линзой 9 и диафрагмой 10, а углы крайних траекторий фотоэлементов на выходе линзы 9 превышают углы крайних 15 траекторий фотоэлектронов на ее выходе, что приводит к перефокусировке потока Фотозлектронов и к уменьшению числа фотозлектронов, прошедших диафрагму 10 на вход системы умножения рО

11 и, как следствие, уменьшению числа импульсов на выходе Фотоэлектронного прибора 1 соответственно в 10, 100 и 1000 раз, т.е; коэффициент перефокусировки линзы 9 n„ равный в данном случае коэффицйенту перефокусировки всего прибора пп,о, равен при этом соответственно 10, 100 и 1000. (30

Определяют потенциалы перефокусировки линзы 8. Для этого с помощью блока управления работой устройства

5 через Формирователь управляющих напряжений б устанавливают на линзах

7 и 9 потенциалы фокусировки соответственно 9> и !Рв, а на линзе 8 последовательно Потенциалы пепефокусиоовки Q, Ц,, Мф, при которых крассовер находится в промежутке между электронными линзами 8 и 9, а углы крайних траекторий фотоэлектронов на выходе линзы превышают углы крайних траекторий фотоэлектронов на выходе Минзы 8 превышают углы кра" íèõ траекторий фотозлектронов на ее входе, что приводит к перефокусировке потока, фотозлектронов и к уменьшению числа

Фотозлектронов, прошедших через линзу 9, диафрагму 10 на вход системы умножения 11 и как следствие, уменьшению числа импульсов на выходе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) соответственно в 10, 1Г 0 и 1000 раз, т.е. коэффициент перефокусировки линзы 8 и ч р вный в данном случае Ы коэффициенту перефокусировки всего прибора и<<, равен соответственно

10,, 100 и 1000 раз.

По такой методике находят коэффициенты перефокусировки для линзы 7, равные g, 4", 9 .

В рабочем диапазоне для подсчета количества Фотонов, падающих на фотокатод фотоэлектронного умножителя, с помощью блока управления работой устройства 5 подают через формирователь управляющих напряжений 6 на электронные линзы 7,8,9, потенциалы фокусировки соответственно о, Чо, Блок управления 5 анализирует количество импульсов, поступающих с выхода (ФЭУ) через усилитель 2., формирователь 3 на вход счетчика 4. Если число импульсов, регистрируемое счетчиком 4, N g не превышает

10 в сек, то число фотонов подсчитывают по Формуле

1рк

Если количество импульсов на выходе ФЭУ превышает 10 в секунду, то с помощью блока управления устройством 5 через формирователь управляющих напряжений 6 на линзы 7,8,9 подают потенциалы соответственно fqg

Ч ф и анализируют число импульсов

I регистрируемых счетчиком 4 в единицу времени. Если эта величина превышает

10 в секунду, то с помощью блока

Ь управления устройством 5 через формирователь управляющих напряжений 6 на линзы 7,8,9 подают потенциалы соответственно Чщ, lf©<, M$ и снова анализируют число импульсов, регистрируемое счетчиком 4 в единицу времени и т.д.

Если блок управления. работой устройства 5 определяет, что счетчик 4 регистрирует меньше, чем 10 импульсов в секунду, то с помощью блока управления работой устройства 5 больше не меняет потенциалы на линзах 7, 8,9, а число фотонов определяют по

Формуле

Нвыю п яу

Жрьу = — — —-- <рк где n „ — коэффициент перефокусировки всего Фотоэлектронного прибора, равный произве» дению коэффициентов пере- . фокусировки отдельных электронных линз,.на которые поданы потенциалы перефокусировки, 1108953.П„

О 1 ; „и nq где пи, - коэффициент перефокусировки отдельной электронной линзы;

К - количество электронных линз, на которые поданы потенциалы перефокусиров" ки.

На Фиг.2 иллюстрируется режим, когда на линзы 7,S,9 поданы максимальные потенциалы перефокусировки соотI ветственно Ц», Чд, Ч . Показаны

m ж ж также траектории движения Фотоэлект15 ронов в одной из двух плоскостей, ..в которой происходит движение фотоэлектронов. Через диафрагму 10 на вход системы умножения 11 пройдут только те Фотоэлектроны, которые .

20 движутся в угле М после линзы 9.

При помощи устройства по изложенной методике можно регистрировать число фотонов от единиц в сек до такого количества, пока выполняется закон Столетова для фотокатода фотоэлектронного умножительного прибора. Для современных Фотокатодов . максимально допустимое число Фотонов, падающих на 1 мм не превышает примерно 10, 8 устройстве при Граче максимальных потенциалов переФокусировки на электроды электронных линз можно получить коэффициент перефокусировки, равный примерно 10 ;

Иаксимальное число фотонов, которое можно измерить данным устройст-. вом в секунду, световой поток в ко».. тором падает на центр Фотокатода ФЗУ в виде пятна диаметром около 1 мм, определяют по формуле

ЫЬИВжп le Факс

"ф Вк ак = у ср К

10 10 В

-----„"- = 25 10 г

0,0ч где И в „„,- максимальное число фотонов, которое можно зарегистрировать, N ы.„ к„,- максимаЛьйбе:число..-им—

@ы4 вк пульсов на выходе ФЭУ .

- квантовая эффективноЬ гь

1Фк

Фотока года.

Зффективность устройства проявляется в том, что по сравнению с из вестным увеличение диапазона регупирования количества Фотоэлектронов, попадающих в систему умножения фото-, электронного умножительного прибора, происходит без изменения скоростей, что обеспечивает одинаковое отношение сигнал/шум во всем динамическом диапазоне регистрации числа фотонов.

1108953»

Ю

Редактор О. Юркова

4<2. 2

Техред Л.()лийнык

Корректор М. Самборская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,101

Заказ 4670 Тираж Подписное.ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям .при ГКМТСССР

113035, Москва, W-35, Раушская наб., д. 4/5

5 !