Многоканальный флуориметр

 

Изобретение относится к спектрометрии и может быть использовано в системах диагностики природных сред. Целью изобретения является повыше-акие точности регистрации сигналов флуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами регистрации суммарного сигнала флуоресценции и фонового сигнала в условиях быстро меняющегося фона. Многоканальный флуорнметр содержит гибридный детектор излучения с фотоэлектрическим преобразователем и стробнруемым усилителем яркости,имеющим экран, блок стробирования; блок синхронизации с устройством формирования импульса запуска источника излучения и систему сбора и обработки. Для реализации цели в качестве фотоэлектрического преобразователя использован многоэлементный линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС) с секцией накопления и транспортным регистром, а в качестве покрытия экрана люминофор, время послесвечения которого не менее длительности процесса переноса заряда из секции накопления в транспортный регистр линейного ПЗС и не более промежутка времени, за которое изображение объекта зондирования смещается на расстояние, равное половине высоты чувствительного элемента линейного НЗС. Система сбора и обработки сигналов включает схему аналоговой обработки сигнала и управляющий тактовый генератор НЗС, АЦП с числом разрядов , связанным с динамическим диапазоном детектора излучения, и интерфейс с двумя дополнительными запоминающими устройствами. 1 э.п. ф-лы, 2 ил. CJV 1 4

(S1)5 С 01 М 21/64!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ОО ИЗОБРЕТЕНЧЯМ И О1ЪРЦТИ1М

ПРИ ГКНТ СССР (46) 30.05.92. Бюл. N- 20 (21) 4318925/25 (22) 22;10.87 (71) Институт геохимии и аналитической химии им, В,И.Вернадского и Отраслевая научно-исследовательская лаборатория "Дистанционная диагностика" Института общей физики — Инсти.тута геохимии и аналитической химии

АН СССР при Наманганском государственном педагогическом институте им Хамзы (72) М.С.Акимкин, А.В.Виноградов, В.Н.Крутиков, А.Л.Суровегин, В.В.Федоров, А.С.Магаршак и В.А,Станковский (53) 535.37(088,8) (56) Проспект фирмы "Princeton Appliед КевеайсЬ" на многоканальный анализатор спектра ONA, 1919.

Вункин А.Ф., Власов Д.В,, Голумян А.С.,- Мальцев Д.В., Мирками- лов Д.М., Слободян- В,П. Универсаль.ный комплекс аппаратуры для дистанционного лазерного азрозондирования океана, атмосферы и сельскохозяйственных культур. — ИТФ, 1984, вып. 2, с. 2190-2196. (54) МНОГОКАНАЛЬНЫИ ФЛУОРИМЕТР (57) Изобретение относится к спектрометрии и может. быть использовано в системах диагностики природных сред. .Целью. изобретения является повыше-,„ние точности регистрации сигналов флуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами реИзобретение относится к оптике, в частности к спектрометрии путем ис„.Я0„„15740 4 А1

2 гистрации суммарного сигнала флуоресценции и фонового сигнала в услови- . ях быстро меняющегося фона. Многоканальный флуориметр содержит гибрид- ный детектор изЛучения с фотоэлектрическим преобразователем и стробнруемым усилителем яркости, имеющим экран, блок стробирования; блок синхронизации с устройством формирования импульса запуска источника излучения и систему сбора и обработки, Для реализации цели в качестве фотоэлектрического преобразователя использован многоэлементный линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС) с секцией накопления и транспортным регистром, а в качестве покрытия экрана люминофор, время послесвечения которого не менее длительности процесса пер носа заряда из секции. накопления в транспортный регистр линейного ПЗС и не более промежутка времени, за которое иэображение объекта зондирования смещается на расстояние, равное половике высоты чувствительного .элемента линейного

ПЗС. Система. сбора н обработки сигналов включает схему аналоговой обработки сигнала и управляющий тактовый генератор ПЗС, AIN с числом разрядов, связанным с динамическим ди-. апазоном детектора излучения, и интерфейс с двумя дополнительными saпоминающими устройствами, 1 з и, ф-лы, 2 ил. следования двух и более спектральных полос с помощью отдельных детек15 торОв излучения и может 6blYlb ис» польэовано в системах диагностики природных сред (атмосферы, говерхности Океана ряститепьнОГО покрОва суши и др.) методами флуоайметот и спектроскопии комбинационного Рассеянияе целью иэобретекнл является повь|шение точности регис рации сигналов флуориметря эа счет сокращеиы интер-вала времени междчт монеH тами регист.

Рации суммарного сигналя флуоресцеиции и фонового сиГнала B услОвиях быстро меняющегося фона., Яа фиг, 1 изображена структуряая схема мнОГОкяняльнОГО флуОриметря;

ИЯ фиГ. 2 — тО же с частичной ЛРОГраммной реализацией необходимых функцийе

Ино гоканягI ИЬIH флурщдметр cодер

EAT $силителI: 1 яркости с микрОка нальной пластиной 2, волоконно-оптический певеходник 3 Аотоэлектрнчес кий преО6РЯзователь мнОГОэлемент ный хтнейньый прибор 4 с зарядовой связью (3ИЗС) с секцией ИЯкОпления и транспортным реГистром„

Система, сбОРЯ и ОбрЯ6Отки сиГнЯ-:

JIoB c вьиодя фОтоэлектрическОГО IlpB обрязователя включает схему 5 аналоговой обработки сигнала 3МЗС, аналоГоцифровой преобр зс,в тель (А1Ц1) . Тактовый rенератор 7 (Ж ЗС) и интерфейс 8„ Блок стробирования содержит два синхронизирующих генератора 9, 10 строб-импульсову Два РЯзвязывающих .диода 11Р 12 и резистор 13. Блок синхронизации состоит из трех последовательно включеннье -. цифровых линий задержки 14-16 и устройства 17 формирования импульса запуска источника излучения .

Интерфейс 8 осуществляет связь

АИЯ 6 и блока синхронизации с микропроцессорной системОЙ сбОРЯ и работки информапии (на фиг. 1 и 2 последняя представлена только магистряпями дяннь х и ядресОв), КОнкретный пример Выполнения мнО

ГОкяняльнОГО флуорим("тря показан .

I на фиг,, 2, В качестве усьлнтеля 11 яркости применен электронно""o! тичес кнй преобразователь,ЭОП) с микроканальной пластиной О .1КН) 2. Пита; ние ЭОП осуществляется от генерато1 ра 18 переменногQ ЯЯпряжения через

"истему Встроениьж в QpH%III D умчожителвй. Стробирование производится иьг

ЛПЗС имеет два транспортных регистра, работающих одновременно, Мультиплексирование сигнала с их выходов осуществляется ключом К3. Необходимое усиление обеспечивается усилителем 27. Аналоговый сигнал с . выхода усилителя 27 подается на нхоф

АЦП 6, выходом соединенного через интерфейс 8 с микропроцессорной системой обработки, н качестве Которой .Использован персональный компьютер.

В состав интерфейса 8 входят запоми нающее устройство 28 разделенное на две функционально независимые части, для запоминания суммарного сигнала флуоресценцин и фонового сигнала, а также буфер 29 шины данных, Кроме того„ в состав интерфейса 8 входят гейврато 30 адреса„ управляющий регистр 31, схема 32 формирования сигнала запроса прерывания, устройство

17 Аормироваьия импульса запуска ис точника излучения и постоянное запоминающее устройство 33, в котором хранятсл программные данные обслуживания регистрирующего устройства микропроцессорной системы обработки информации. Тактовый генератор 7 состоит иэ регистра 34 сдвига, D16

19

24

25 пульсной подачей напряжения на переднюю грань ИКП 2.

В схеме использованы транзисторы

V V и линии задержки 19 и 20 с сосредоточенными параметрами. Длительность стробирующего импульса выбрана равной 1 мкс, Элементы 21 и 22 — преобразователи уровня цепей питания базы транзисторов.

На экран ЭОП нанесен люминофор с временем посчесвеченил 25 мкс (ис-. пользована приготовленная путем дополнительного размола мелкодисперсная фракция люминофора К 56 с размером зерна менее 1 мкм). 3П13С 4 приводит-, ся в оптический контакт с экраном

ЭОП через волоконно-оптический пере-. ходник 3. Размер Фоточувствительного элемента составляет 12 х 500 мкм, всего элементов — 1024. Операционные усилители 23-27 и ключи К1-КЗ входят в схему 5 аналоговой обработки сиг-. нала 1П!ЗС. усилители 23-26 используются в качестве повторителей напряжении, ключи K l, К2 и емкости С, Сьдля фиксации уровня черного в мсчент подачи импульса на разрешающий затвор ЛПЗС 4, 15740 триггера 35 и. преобразователя 36 уровня. Выход АЦП "готов" соединен с чходои регистра 34 сдвига, а вы- . ход регистра 34 сдвига - с входом

АЦП "запуск". Импульс "готон" с выхода Algl используется для тактирования D-триггера 35. Входы сброса регистра сдвига и Р-триггера объединены и подклю ены к управляющему регистру 3 1. Таким построением такто10 ного генератора обеспечивается синхронизация работы ЛЦП и транспортных регистров ЛПЗС и возможность оста-новки тактового генератора н нужном состоянии. Управляющий регистр 3 1 управления совместно с программным обеспечением, записанным в постоянном запоминающем устройстве 33, позволяет выработать необходииую последовательность эапускаюших импульсов и тем самым функционально замещает блок синхронизации, а также реализует часть функции тактового генератора 7 {элементы 14 15 16 фиг. 1), Элемент выбора частей запоминакщего устройства 28 организован н виде, разряда регистра 3 1 управления.

Многоканальный флуориметр работает следующим образом, Микропроцессорная система через управляющий регистр 3 1 выдает запускающий импульс, который поступает на устройство 17 формирования импульса

35 запуска источника излучения и вход первой ликии задержки 14. Через время д,, обусловленное задержками в электрических цепях и источнике излу- чения, генерируется световой импульс зондирующего излучения, а.задержанный на то же самое время ", запускаl ющий импульс поступает на вход генератора 9 и в виде импульса стробирования через развязывающий диод 11 подается на микроканальную пластину

2 усилителя 1 яркости. В результате, когда на оптический вход усилителя 1 яркости воздействуют световой импульс флуоресцентного отклика от зондируемого объекта и фон .засветки, однов ременно с. этим к МКП прикладывается (отпирающий) строб-импульс.. Поток электронов с фотокатода усилителя 1 яркости вызывает свечение люминофора экрана усилителя 1 яркости, которое затухает с постоянной времени, определяемой типом и технологией изготовления люминофора. В оптическом

14 б контакте через волоконный оптический переходник 3 с экраном усилителя

1 яркости находится фоточувствительная область ЛИЗС 4. В процессе высвечивания люминофора в этой области. идет накопление неосновных носителей заряда. 1!о кончании высвечивания люминофора (накопления фотозаряда в

ЛПЗС) тактовый генератор 7 останавливает подачу таширующих импульсов на электроды транспортного регистра и вызывает импульс на разрешающий затвор Л11ЗС, но время действия которого заряд из фоточувствительной области ЛПЗС секции накопления перетекает в транспортный регистр. После этого тактовый генератор 7 возобновляет подачу импульсов на электроды транспортного регистра, инициируя теи самым процесс выдачи спектральной информации в аналоговой форме с электрического выхода ЛПЗС.

Во время процесса перетекания фотозаряда осуществляется переключение частей банка памяти запоминающего устройства 28. Через время С запускающий импульс с выхода второй линии задержки 15 поступает на вход генератора 10 который нырабатывает второй стробирующий импульс. Во врейя действия этого строб-импульса -отсутствует излучение, возбуждающее флуоресценцию, и вследствие этого в секции накопления ЛПЗС при этом фиксируется фоновый сигнал засветки, хранящийся в этом регистре до переноса его н (очищенный) транспортный регистр после подачи повторного импульса на разрешающий затвор ЛПЗС..В течение N(N —. количество фоточувствительных элементов JIIIÇC) периодов тактовой частоты, следующих за первым импульсом, поданным на разрешающий затвор Л113С .с выхода линейки через схему аналоговой обработки, на:вход АЦП,поступает сигнал,,соответствующий спектру флуоресцентного отклика. Этот сигнал оцифровыва ется и записывается в,банк памяти сигнала. По окончании процесса оцифровки и записи через время запускающий импульс с выхода третьей линии задержки 16 инициирует выпачу .! второго импульса на разрешающий затвор ЛПЗС и переключение запоминающего устройства 28. Фотозаряд, возникающий во время действия второго

1574014 строба и хранивцгийся в секции накопления ЛПЗ, перетекает в траггспоргный регистр, После этого в течение

М периОдов p86otb тактОВОГО генератора происходит оцифровка и запись массива фонового сигнала засветки во вторую часть запоминающего устройства 28. Затем микропроцессорная система. сбора и обработки данных считывает через буфер 29 шины данных оба массива, вычитая спектр засветки иэ спектра флуоресцентного отклика, зарегистрированные через промежуток, л„ Регистрация обоих спект.". ров через ггромежуток времени, огра" иичиваемый при соответствующегг вы боре времени послесвечения люминофора временем переноса сигнала в

ЛПЗС иэ секции накопления в транс20 портный регистр, которое составляет достаточно малую величину, обеспечивает высокую точность определения спектра флуоресцентного отклика. Причем эта точность практически не ог ганичивается быстродействием используемых AIQI и микропроцессорной сисТемы сбора и обработки информации при типичных частотах повторения импульсов иэлу гения, воэбуждагярпс флуоресценцию, которая составляет несколько десятков герц.

Формула иэ обретения I . Многоканальный флуориметр, содержащий гибридный детектор излуче.ния с фотоэлектрическим преобразователем и стробируемым усилителем яркости, имеющим выходной экран с покрытием, преобразующим поглощаемую им энергию пучка электронов в световое излучение, блок стробирования с синхронизируемым генератором стробимпульса и резистором, блок синхро" низации с устройством формирования импульса запуска источника излучения, систему сбора и обработки сигнапов с выхода фотоэлектрического преобразователя, содержащую аналзго-цифровой преобразователь с входОМ "запуск" и выходом "готов" и интерфейс с управ-," О лякиЦим региСTpoM и буферОМ !ггиегы Дан

НМс> соедиггенный с магиСтралью данных микропроцессорной системы и устройством формирования импульса запуска истОчника излучения, G т л и и а юшийся тем, что. с целью повыщения точности регистрации сигналов флуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами регистрации суммарного сигнала флуорес» ценции и Фонового сигнала в условиях быстро менянмцегося фона, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде многоэлементного линейного при" бора с зарядовой связью с секцией накопления и транспортным регистром, в качестве покрытия выходного экрана использован люминофор, время послесвечения которого не менее длительности процесса переноса заряда иэ сек" ции накопления в транспортный регистр линейного прибора с зарядовой связью и не более промежутка времени, за которое изображение объекта зондирования смещается на расстояние, рав» ное половине высоты чувствительного элемента линейного прибора с зарядовой связью, .система сбора и абработки сигналов с выхода фотоэлектри« ческого преобразователя дополнительно содержит тактовый генератор, блок стробирования содержит второй синхро,низируемый генератор строб-импульса причем выходы обоих генераторов строб-импульса через развязывающие диоды соединены с усилителем яркости, блок синхронизации дополнИтЕлЬно "îäåðæèò псследовательно соединенные линии задержки, вход первой из которых связан с управляющим регист ром интерфейса, а выход третьей - с тактовым генератором, к которому до» полнительно подключены также выходы двух первых линий задержки, выходы первой и второй линий задержки также дополнительно соединены каждый.с вцходом соответствующего синхронизи- руемого генератора сгроб-импульса.

2, Флуориметр по п 1, о т л ич а ю шийся тем, что тактовый генератор содержит регистр сдвига, 9-триггер и преобразователь уровня„ причем вчход "готов" аналого-цифро" ного преобразователя соединен с входом регистра сдвига и С-входом 0трнгтера, выход регистра сдвига - с входом "запуск" аналого-цифрового преобразователя, а входы сброса ре» гистра сдвига и 0-триггера объединены и подкличены к управляющему регистру интерфейса.

1574014

6e saw.

С оставитель Б,отроков

Редактор Г,Бельская Техред Л.Сердюкова Корректор В.Кабаций - Заказ 2443 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

° а

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул. Гагарина, 101