Устройство для измерения световой характеристики фотоприбора

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сцинтилляционным детекторам, может быть использовано для измерения характеристик фотоэлектронного умножителя. Изобретение позволяет повысить точность измерения световой характеристики фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и определить его коэффициент усиления. Устройство содержит источник линейно-нарастающей яркости света с генератором линейно-нарастающего напряжения и блоком линеаризации световыхода, блок регистрации и ФЭУ, анод которого через дополнительный резистор, линию задержки, разделительный конденсатор соединен с j-ым диодом ФЭУ. При появлении нелинейности в анодной характеристике ФЭУ на динодной нагрузке возникает напряжение, пропорциональное абсолютному значению амплитуды тока отклонения от линейной зависимости. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сцинтилляционным детекторам, может быть использовано для измерения характеристик фотоэлектронного умножителя и является усовершенствованием известного устройства, описанного в авт. св. СССР N 528526. Целью изобретения является увеличение точности измерения и увеличение точности его функциональных возможностей. На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения; на фиг. 2 - осциллограммы импульсов напряжения на анодной (фиг. 2, диаграмма а) и динодной нагрузках (фиг. 2, диаграммы б. в). Импульс с генератора 1 линейно-нарастающего напряжения поступает на блок 2 линеаризации световыхода источника 3 света, яркость которого зависит от прикладываемого к нему напряжения, а другой выход генератора 1 подключен к первому входу блока 4 регистрации. Источник 3 света освещает фотоэлектронный умножитель 5, электрический сигнал с анода 6 которого поступает на второй вход блока 4 регистрации и анодную нагрузку 7. Фотоэлектронный умножитель 5 содержит электроды, которыми являются n диодов 8.1, . . . , 8. (n-1), 8. n, и фотокатод 9. Питание фотоэлектронного умножителя 5 осуществляется через делитель напряжения из резисторов 10.1, . . . , 10. (n-1), 10. n делителя, к которым подключены соответствующие электроды, за исключением j-го, которые подключены к делителю через резистор 11 Конденсаторы 12 шунтируют резисторы 10. (n-2)- 10. (n-1), 10. n и обеспечивают импульсный режим работы фотоэлектронного умножителя 5. Сигнал с j-го электрода 8. (n-2) через последовательно включенные разделительный конденсатор 13 и линию 14 задержки поступает на резистор 15 нагрузки j-го электрода 8. (n-2), которая подключена к третьему входу блока 4 регистрации и через дополнительный резистор 16 к аноду 6. Устройство работает следующим образом. При подаче на вход блока 2 линеаризации света линейно-нарастающего напряжения от генератора 1 с длительностью Т > > τ_n, где τ _n - время нарастания фронта переходной характеристики фотоприбора, яркость источника 3 света будет нарастать по линейному закону, и импульсы тока с анода и j-го электрода фотоэлектронного умножителя 5 будут нарастать также по линейному закону до тех пор, пока амплитуда тока с анода не выйдет за предел линейности выходной характеристики. При этом световая характеристика j-го электрода остается линейной, так как ток этого электрода в М_к раз меньше анодного, а напряжения между электродами отличаются не столь значительно (где М_к - коэффициент усиления К последних каскадов от j-го электрода до анода, на фиг. 1 К = 3, j = (n-2). При сбалансированном значении сопротивления дополнительного резистора 16 (условия баланса приведены ниже) напряжение на анодной нагрузке 7 пропорционально току с анода 6 и соответствует световой характеристике фотоэлектронного умножителя 5 на ее линейном участке, ограниченном временем t_о (фиг. 2а), а напряжение U_д на диодной нагрузке равно нулю (скомпенсировано). При отклонении световой анодной характеристики от линейной зависимости на диодной нагрузке (резисторе 15) возникает напряжение U_д, которое пропорционально абсолютной величине отклонения ΔI_а анодного тока от линейной зависимости. Измерив напряжение U_д1 и соответствующее ему напряжение U_а1 на анодной нагрузке 7 (фиг. 2а), определяют коэффициент нелинейности световой характеристики κ= α . (1) Поскольку погрешность прямого измерения значения тока ΔI_а по напряжению U_д1, значительно меньше погрешности косвенного измерения ΔI_а по разности двух значений (U_а2-U_а1) из зависимости на фиг. 2, диаграмма а, то погрешность измерения коэффициента нелинейности световой характеристики κ также значительно уменьшается. Условия баланса (U_д = 0) определяются из условия, соответствующего равенству (по модулю) частей анодного и диодного токов, протекающих через резистор 15 нагрузки. В этом случае напряжение U_д = 0, так как токи j-го электрода и анода имеют разные направления. Разделительный конденсатор 13 и резистор 11 разделяют напряжение цепи питания j-го электрода от измерительной цепи. I_а15 = I_д15, где I_а15= I ; I_д15= I_д ; (2) R _Σ = R_a + R_д + R_б; I = I ; (3) R_о, R_д, R_б - сопротивления анодной нагрузки 7, резистора 15 нагрузки j-го электрода и дополнительного резистора 16 соответственно; I_а, I_д - ток анода 6 и j-го электрода соответственно. С другой стороны, токи I_а и I_д можно выразить через ток I_ффортокатода 9 I_а= MI_ф= I_ф ; I_д= I_ф (σ_j-1) ; ( σ _j-1), (4) где σ_i - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода; M - коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя. Из формул (3) и (4) можно получить условия для выбора сопротивления анодной нагрузки 7 и дополнительного резистора 16
, (5) если использован фотокатод 9 в качестве j-го электрода
, (6) если использован j-ый динод, где M_к= - коэффициент усиления последних К каскадов (динодов) фотоумножителя 5 (на фиг. 1 К = 3). Выбрав сопротивления анодной нагрузки 7 и дополнительного резистора 16 так, чтобы выполнилось условие (5) или (6), которое соответствует условию (3), можно, измерив значения сопротивлений анодной нагрузки 7 и дополнительного резистора 16, определить коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя 5 (из условия (5) и его отдельных динодов из условия (6) поочередно, начиная с последнего n-го динода, для которого
, что расширяет функциональные возможности устройства. При наличии отклонения от линейной зависимости в анодной характеристике, т. е. I_a = I_ал + ΔI_а, где I_ал - соответствует пропорциональной (линейной) зависимости
I_ал = m_at (пунктир на фиг. 2а);
m_a - коэффициент крутизны анодного тока;
ΔI_a - отклонение от линейности, на резисторе 15 нагрузки возникает напряжение U_д, значение которого составляет величину
U_д= I - IR_д = m_дt· - <m(t-τ₀)+ + ΔI_а> R_д= -ΔIR_д+ (m - m)R_дt+mI_аτ₀
(7)
или U_д= - ΔI R_д при τ₃ = τ _о,
m_д· = m
или при τ₃ = 0 m = m .
(8) где m_a, m_д - коэффициенты крутизны анодного и динодного импульсов тока. При условии (3) значение U_д пропорционально модулю и имеет полярность, обратную ΔI_а, т. е. при уменьшении относительно пунктирной линии I_а( ΔI_a < 0) U_д имеет положительную полярность (см. фиг. 2), при увеличении I_а относительно пунктирной линии U_д имеет отрицательную полярность. Как видно из формулы (8), значение U_д не зависит от выходного тока I_a, если ΔI_a = = 0. Так как сигнал с анода 6 задержан относительно сигнала с j-го электрода на время τ_о пролета электронов К каскадов, то, выбрав задержку такой, чтобы она задерживала сигнал с j-го динода на время τ₃ = τ _о, обеспечивают независимость U_д от формы импульса от источника 3 света. Это означает, что погрешность измерения коэффициента χ не зависит от погрешности приближения к линейной зависимости яркости источника 3 света, обеспечиваемой блоком 2 линеаризации световыхода. На фиг. 2в показаны осциллограммы импульсов на резисторе 15 нагрузки при невыполнении условия (3) - зависимость τ_о (фиг. 2, диаграмма в) и при невыполнении условия τ₃ = = τ_о - зависимость g (фиг. 2, диаграмма в) из которой видно, что, измеряя U_д2 при различных значениях задержки τ₃, можно определить время задержки τ_о сигнала в фотоэлектронном умножителе 5 или в последних К каскадах как задержку τ₃, при которой U_д2 = 0. Дополнительное увеличение точности измерения коэффициента χ получается за счет уменьшения погрешности измерения тока ΔI_а, обусловленной дробовым эффектом, так как флуктуации анодного тока и тока j-го динода обусловлены одним источником-фотокатодом 9, и поэтому на резисторе 15 нагрузки относительная флуктуация от дробового эффекта уменьшается в ≈ раз. Таким образом, взаимосвязь j-го электрода с вновь введенными конденсаторами 11, линией 14 задержки и дополнительным резистором 16 обеспечивает достижение цели. Аналогично формуле (7) можно определить напряжение U_а на анодной нагрузке 7 при выполнении условий (3) и τ₃ = τ _о. U_а= R_а(I_а7-I_д7)= I + U (9) где I_a7, I_д7 - части анодного и динодного токов, протекающие через анодную нагрузку 7;
U_д - определяется из формулы (8), U_д= ΔI . Как видно из формулы (9) напряжение U_д пропорционально анодному току I_а, а при наличии нелинейности ΔI_а нелинейность U_а (от времени) увеличивается за счет дополнительного члена, что позволяет более точно определять диапазон линейных токов фотоэлектродного умножителя. Практически при измерении коэффициента χ целесообразно и достаточно использовать n-(2-3) динод, а в этом случае М_к = = 30-100 и формулы (6, 8 и 9) упрощаются
при σ _j = σ_i≈ 3, т. е. R_б> >R_a; U_д= -ΔI_аR при R_д ≈ R_б и U_д ≈ - Δ I_aR_a; U_a ≈I_aR_a; κ ≃ - . (56) Авторское свидетельство СССР N 528526, кл. G 01 T 1/17, 1974.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СВЕТОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИБОРА по авт. св. N528526, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, в качестве фотоприемного устройства использован фотоэлектронный умножитель и введены последовательно соединенные дополнительный резистор, линия задержки и конденсатор, которые включены между анодом и j-м электродом, причем третий вход блока регистрации подключен к нагрузке j-го электрода, а сопротивления анодной нагрузки R_а и дополнительного резистора R_б выбраны из соотношения
= -1,
где M_к - коэффициент усиления K каскадов фотоэлектронного умножителя от j-го электрода до анода;
σ_j - коэффициент усиления j-го электрода. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью определения коэффициента M усиления фотоэлектронного умножителя, в качестве j-го электрода использован фотокатод, при этом сопротивления анодной нагрузки R_а и дополнительного резистора R_б выбраны из соотношения
R_б / R_a = M-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2