Способ регистрации сигнала в режиме счета фотонов

 

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для регистрации световых потоков с интенсивностью, изменяющейся в широких пределах, в физике, спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы, космических исследованиях, астрономии и других областях . Сущность изобретения состоит в том, что сигнал выделяют на нагрузке фотоэлектронного умножителя и дискриминируют, при этом величину нагрузки уменьшают в момент срабатывания дискриминатора, что позволяет уменьшить погрешность способа . 2 ил.

(я)з Н 03 К5/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

О

О

О 4

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4874998/21 (22) 14.09.90 (46) 07.09.93. Бюл. М 33-36 (76) Шелевой К.Д. (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА В

РЕЖИМЕ СЧЕТА ФОТОНОВ (57) Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для регистрации световых потоков с интенсивностью, изменяющейся в широких

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для регистрации световых потоков в широком диапазоне интенсивностей в физике, спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследованиях, астрономии и др.

Когда прием отраженных атмосферой оптических зондирующих импульсов ведется с больших расстояний и ФЭУ работает в режиме счета отдельных фотонов, существенным ограничением для регистрации с высокой точностью быстроменяющейся интенсивности принимаемых сигналов является форма (длительность) одноэлектронного импульса, сйимаемого с анода ФЭУ.

Длительность переднего фронта одноэлектронного импульса на нагрузке ФЭУ, возникшего в результате взаимодействия фотона с фотокатодом и умножения потока вторичных электронов в ФЭУ, определяется характеристика диодной системы и способами фокусировки и ускорения этого потока. Эта длительность достаточно мала

RU, 2000657 С пределах, в физике, спектроскопии, лазерном зондировании атмосферы, космических исследованиях, астрономии и других областях. Сущность изобретения состоит в том, что сигнал выделяют на нагрузке фотоэлектрончого умножителя и дискриминируют, при этом величину нагрузки уменьшают в момент срабатывания дискриминатора, что позволяет уменьшить погрешность способа. 2 ил. (единицы наносекунд) и имеет вид плавно нарастающей до максимума кривой, Длительность и форма заднего фронта одноэлектронного импульса определяются в основном двумя процессами, происходящими в анодной камере — разрядом анодной камеры (стеканием заряда пришедшего электронного облака через сопротивление нагрузки на землю) и процессами многократного отражения сигнала от несогласованной нагрузки ФЭУ и анодной камеры из-за многократного прохождения электронного облака мимо анода. Поэтому задний фронт одноэлектронного импульса имеет вид спадающей кривой с постоянной времени, определяемой произведением емкости анодной камеры на величину нагрузочного сопротивления, с наложенными на нее затухающими высокочастотными колебаниями ("звеном анодной камеры" ). Длительность заднего фронта имеет величину несколько десятков наносекунд, т.е. максимально возможная интенсивность поступления облаков электронов на анод может быть не более 40-50 МГц (а с учетом стати2000657 стики разброса моментов эмиттирования и умножения еще меньше), иначе выходной сигнал эа счет недостаточной скорости разряда анодной камеры теряет импульсную природу, не выделяется и не регистрируется 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, интерпретируется как отдельный фотоимпульс и регистрируется 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 порядка переднего фронта какимлибо образом позволило бы значительно повысить быстродействие ФЭУ в режиме счета фотона и повысить точность регистрации одноэлектронных импульсов путем четкого разделения импульсов, поступающих на нагрузку ФЭУ с высокой интенсивностью без каких-либо просчетов упомянутого типа.

Известны способы регулирования коэффициента умножения ФЭУ, по которым регулирующее напряжение подается на один или несколько динодных промежутков, изменяя их коэффициент умножения и тем самым общий коэффициент усиления ФЭУ, Первые два способа пс воляют быстро увеличить коэффициент усиления ФЭУ, однако уменьшение коэффициента усиления путем снятия напряжения с промежутков динодов связано с разрядом большой суммарной емкости динодов и поэтому не может быть достаточно быстрым. Кроме того, управление процессом регулирования не связано с выходным сигналом ФЭУ, а осуществляется от внешнего источника, Третье устройство состоит из ФЭУ с подключенным параллельно его динодам равномерного делителя и подключенного параллельно к трем резисторам делителя управляемого фоторезистора, величина которого зависит от яркости освещающей его лампочки, которая подключена к выходу детектора, а выход детектора подключен через усилитель к выходу ФЭУ. Таким образом осуществляется регулировка выходного напряжения ФЭУ в зависимости от входного светового потока.

Использование в схеме инерционных элементов (лампочка накаливания, фоторезистор) не позволяет с достаточной скоростью управлять выходным током ФЭУ, т.е. регистрировать с высокой точностью поток от40

55 быстрый разряд анодной камеры и получить малую амплитуду колебаний на заднем фронте одноэлектронного импульса при достаточной амплитуде сигнала с выхода усилителя.

Недостатком данного способа является необходимость использовать для усиления сигнала с малой амплитудой. выделяемого на нагрузочном сопротивлении малой величины, усилителя с большим коэффициентом усиления, при этом велика вероятность перегрузки такого усилителя при поступлении на него импульсов с большой амплитудой, возникающих в результате вторичной эмиссии, ионизации атомов остаточных газов, колбы, динодов и других явлений. Кроме того, уменьшение амплитуды сигнала пропорционально уменьшению амплитуды колебаний на заднем фронте и после усиления эти колебания сохраняются, вызывая неоднократное срабатывание дискриминатора, дельных фотоимпульсов большой интенсивности, Все рассмотренные способы не могут использоваться при случайном появлении однозлектронных импульсов и обеспечивать тем самым управление параметрами самих одноэлектронных импульсов потому, что процесс управления напряжением на динодах начинается уже тогда, когда одно10 электронное облако уже пролетело все динодные промежутки и выделилось в виде одноэлектронного импульса на нагрузке

ФЭУ, т.е. когда управлять уже поздно.

Известен также способ подавления

"звона анодной камеры" путем введения фильтра высоких частот в схему усилителя однозлектронных импульсов, что ведет к ограничению верхней границы спектра импульса и сглаживанию его формы. Однако при этом уменьшается амплитуда импульса, приходится увеличивать коэффициент усиления усилителя, а это ведет к увеличению числа шумовых импульсов, достигающих уровня дискриминации и воспринимаемых

25 счетчиком фотонов как сигнальные. При этом отношение сигнал/шум ухудшается.

Кроме того, сглаженный импульс имеет большую длительность, что снижает динамический диапазон входного сигнала по инЗ0 тенсивности.

Наиболее близким к предлагаемому по существу решаемой задачи является способ увеличения скорости дискриминации одноэлектронных импульсов, по которому для

З5 увеличения скорости разряда анодной камеры ФЭУ и уменьшения амплитуды паразитных колебаний на заднем фронте импульса уменьшают величину нагруэочного резистора ФЭУ так. чтобы обеспечить

2000657

10

20 что ведет к росту погрешности измерения.

Так как дискриминация одноэлектронного импульса происходит в течение его переднего фронта. то радиальным способом избавления как от затяжки заднего фронта, так и колебаний на заднем фронте было бы

"отсечение" заднего фронта путем повышения скорости разряда анодной камеры с одновременным уменьшением амплитуды импульса путем уменьшения величины нагрузочного сопротивления ФЭУ после проведения дискриминации, когда уже определено, что данный импульс является одноэлектронным. Это позволяет повысить точность регистрации одноэлектронных импульсов, поступающих с более высокой интенсивностью, так как "звон" на заднем фронте одноэлектронного импульса пропадает вместе с ним.

Целью изобретения является увеличение точности дискриминации одноэлектронных импульсов эа счет ускорения разряда анодной камеры ФЭУ.

Цель достигается тем, что, как и по известному способу регистрации, по предлагаемому сигнал с ФЭУ выделяется на нагрузочном резисторе, а затем дискриминируется. В отличие от известного способа величина нагрузочного резистора ФЭУ не постоянна, а изменяется в процессе дискриминации одноэлектронного импульса, Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что в прототипе величина нагрузочного резистора выбирается минимально возможной и остается таковой в течение всего времени измерений. По предлагаемому способу величина нагруэочного резистора выбирается достаточно большой, но при анализе каждого приходящего одноэлектронного импульса скачком уменьшается до минимума, практически до нуля. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна

В известных способах изменение чувствительности или коэффициента усиления

ФЭУ производится путем контроля выходного тока и последующего изменения, например, напряжения на динодах. В случае учета фотонов такое управление невозможно, потому что появление сигнала на нагрузке ФЭУ говорит о том, что электронное облако уже прошло ФЭУ и поэтому управление динодами уже ничего не дает. Предлагаемый способ управляет каждым импульсом тока на нагрузке ФЭУ, устраняя погрешность регистрации, которая другими способами неустранима. Поэтому можно сделать вывод о соответствии предлагаемо25

55 го технического решения критери существенные отличия", На фиг. 1 изображена схема устройства, которое позволяет реализовать заявляемый способ, где — ФЭУ, 2 — резистор нагрузки

ФЭУ, 3 — дискриминатор одноэлектронных импульсов, 4 — управляемый резистор, В качестве управляемого резистора возможно использование коллекторно-эмиттерного сопротивления транзистора, величина которого зависит от то::а базы, причем управление величиной сопротивления проводится подачей отпирающего по тенциала в цепь базы. Возможность переключения СВЧ-транзисторов за короткое время (единицы-доли наносекунд) позволяет производить быстрое уменьшение величины управляемого сопротивления и тем самым амплитуды на нем до величины, во много раэ меньшей исходной, особенно для специальных транзисторов, имеющих очень малое сопротивление в открытом состоянии. Кроме этого, возможно использование в качестве управляемых резисторов полевых СВЧ-транзисторов. Управляющий сигнал напряжения, подаваемый на затвор полевого транзистора, вызывает уменьшение сопротивления проводящего канала и тем самым общего сопротивления нагрузки

ФЭУ.

Работа устройства поясняется фиг. 2, на которой изображена временная диаграмма работы системы с неуправляемой и управляемой величинами сопротивления нагрузки

ФЭУ. В отсутствие цепи управления сигнал на нагрузке ФЭУ имеет вид, изображенный на верхнем графике, где мафр — длительность переднего фронта одноэлектронного импульса; т и — длительность заднего фронта (спада) импульса. Сигнал с выхода дискриминатора изображен на среднем графике непрерывной линией, причем здесь изображено многократное срабатывание дискриминатора на заднем фронте одноэлектронного импульса, где наблюдается "эвон анодной камеры".

Для того, чтобы два последовательных импульса можно было различить на отдельные, второй импульс на аноде ФЭУ должен появиться не ранее чем через время Т, которое и определяет максимальную интенсивность потока одноэлектронных импул ьсов.

После подключения схемы управления и управляемого резистора устройство работает так. В отсутствие входного сигнала величина нагрузки ФЭУ определяется нагрузочным резистором 2, так как дополнительный нагрузочный управляемый

2000657 резистор имеет большую величину (единицы-десятки киллоом) и на работу анодной камеры ФЭУ не влияет. Пришедшее на анод

ФЭУ 1 электронное облако стекает через сопротивление нагрузки 2 на землю, выэы- 5 вая появление на нем импульса напряжения. Дискриминатор 3 выделяет одноэлектронные импульсы и положительным фронтом открывает транзистор (управляемый резистор), сопротивление его резко 10 уменьшается, а следовательно, уменьшается постоянная цепи разряда анодной камеры, происходит быстрое стекание заряда на землю, т.е. длительность заднего фронта сокращается до величины тсп.2, В результате 15 быстрого стекания заряда с анода на землю очередное поступление одноэлектронного импульса, который может быть выделен как отдельный импульс. становится возможным уже через время.Тг после появления пере- 20 днего фронта текущего импульса, т.е. скорость дискриминации увеличивается.

Увеличивается и точность дискриминации, так как задний фронт становится гладким и многократного срабатывания дискримина- 25 тора из-за "звона анодной камеры" не происходит, а также не происходит слипания соседних одноэлектронных импульсов, поступающих с более высокой интенсивностью, 30

Таким образом, изменение нагрузки

ФЭУ в процессе дискриминации приводит к уменьшению длительности одноэлектронного импульса. Одновременно устраняется

"звон анодной камеры", Быстрый разряд 35 анодной камеры тем самым обеспечивает готовность анода ФЭУ к приему следующеro электронного облака через более короткое время, т.е. повышает быстродействие

ФЭУ.

Устройство может быть собрано полностью на отечественных элементах и микросхемах. В качестве управляемого резистора могут быть использованы резисторы типа

КТ382Б, КП350Б. Дискриминатор собран на

ИС компаратора К597СА1, При этом получается удовлетворительное согласование с нагрузкой (малая величина выбросов и отражений), а также с выходом дискриминатора.

По сравнению с прототипом точность выделения одноэлектронных импульсов повышается на 30-507ь, а максимальная частота дискриминации — в 2-3 раза, т.е. предлагаемый способ позволяет существенно улучшить технические характеристики как дискриминатора одноэлектронных импульсов, гак и измерительной системы в целом, Приведенные цифры рассчитаны исходя из реальных длительностей одноэлектронных импульсов для известных типов счетных ФЭУ (ФЭУ-79, ФЭУ-104, ФЭУ-130) и быстродействия имеющихся биполярных и полевых транзисторов.

Формула изобретения

Способ регистрации сигнала в режиме счета фотонов путем выделения его на на- грузке фотоэлектронного умножителя и дискриминации, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности, величина нагрузки фотоэлектронного умножителя уменьшается в момент срабатывания дискриминатора.

2000657

Составитель О.Тиц

Техред М.Моргентал

Редактор Т. Юрчикова

Корректор A .Козориз

Заказ 3081

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

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Г

/