КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

Практикум “оптико-електронні прилади і системи”

6

Метод лічби одноелектронних імпульсів

КИЇВ 2001

Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

1. Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.

2. Дослідження характеристик фоторезистора.

3. Дослідження характеристик фотодіода.

4. Електрометричний вимірювач струму.

5. Синхронний детектор.

6. Метод лічби одноелектронних імпульсів.

7. Вимірювання форми імпульсу випромінювання.

8. Реєстрація спектрів пропускання.

9. Реєстрація спектрів випромінювання.

10. Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.

11. Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.

12. Методи модуляційної спектроскопії.

13. Мікрофотометри.

1. Терміни та визначення

2. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.

3. Опис спектрофотометра СФ-5

Тут Ви познайомитеся із можливістю виміру інтенсивності потоку випромінювання шляхом підрахунку кількості електричних імпульсів на виході приймача випромінювання, здійснюючи, таким чином, цифрову обробку оптичної інформації.

Теоретична частина

Метод лічби одноелектронних імпульсів може бути застосований лише для дуже вузького кола приймачів випромінювання (ПВ), які мають внутрішнє підсилення - фотоелектронних помножувачів (ФЕП) і лавинних фотодіодів (ЛФД). Струм у ланці навантаження таких ПВ, як відповідь на опромінення, має імпульсний характер, що адекватно відбиває квантову структуру випромінювання, що реєструється. Розглянемо особливості роботи цього методу на прикладі ФЕП.

Кожний електрон, вибитий з фотокатода, призводить до появи на аноді групи електронів, що створюють в анодній ланці ФЕП імпульс струму i_a, утворений зарядом q = eⁿ, де  - коефіцієнт вторинної емісії динода, n - кількість динодів, e - заряд електрона:

, (1)

де R_L і C_L - опір і ємність навантаження.

Якщо в анодній ланці включена схема лічби імпульсів (мал.1), то

Мал.1. Блок-схема найпростішого

реєстратора імпульсів ФЕП.

Мал.2. Лічильна характеристика ФЕП.

вона зареєструє кожний імпульс, амплітуда якого перевищує поріг чутливості лічильника. Якщо при незмінному потоці випромінювання, що опромінює ФЕП, вимірювати кількість імпульсів анодного струму, що реєструються за одиницю часу (тобто, швидкість лічби імпульсів, або, іншими словами, частоту їх проходження) у залежності від напруги живлення ФЕП, то одержимо, так звану, лічильну характеристику фотопомножувача. При збільшенні напруги збільшується коефіцієнт підсилення ФЕП, зростає заряд eⁿ , тобто, збільшуються амплітуди імпульсів анодного струму. При певній величині напруги U₀ (мал.2) величина eⁿ досягає значення, рівного порогові чутливості лічильника і всі імпульси, створювані емітованими з фотокатода електронами, будуть зареєстровані. При подальшому збільшенні U швидкість лічби імпульсів не змінюється (плато) і лічильна характеристика для розглянутого вище ідеального ФЕП виглядає як пунктирна лінія на мал.2.

У реальних ФЕП величина посилення ⁿ піддана статистичним флуктуаціям. Унаслідок цього навіть при невеликих напругах на виході ФЕП можуть виникати окремі імпульси з амплітудами, достатніми для спрацьовування реєструючого пристрою, (суцільна лінія на ділянці 1, мал.2). Крім того, на виході можуть реєструватися також термоелектрони, емітовані з першого і наступних динодів, а також електрони, які виникають внаслідок поступового розвитку процесів іонного та оптичного зворотного зв'язку. Це викликає деякий підйом на горизонтальній ділянці 2. При напругах, що перевищують деяку величину, спостерігається різке збільшення швидкості лічби (ділянка 3), що викликається інтенсивним розвитком процесів оптичного зворотного зв'язку й автоелектронної емісії. Область напруг, що відповідають плато лічильної характеристики, є робочою для ФЕП.

Число імпульсів сигналу N_S визначається відніманням числа темнових імпульсів Ν_D із загального числа імпульсів, вимірюваних за одиницю часу при подачі оптичного сигналу:

N_S = (N_S + N_D) - N_D. (2)

Число імпульсів на виході ФЕП піддається статистичним флуктуаціям. Статистичний розподіл числа імпульсів за однакові проміжки часу підкоряється закону Пуассона, відповідно до якого, дисперсія випадкової величини дорівнює середньому значенню цієї величини:

. (3)

Визначимо середньоквадратичне відхилення (рівне кореню квадратному з дисперсії) числа імпульсів, викликаних сигналом. Оскільки дисперсія різниці двох незалежних подій дорівнює сумі їх дисперсій, одержимо:

, (4)

а середньоквадратичне відхилення

. (5)

Число імпульсів, вимірюване за проміжки часу t в анодній ланці ФЕП, дорівнює добутку швидкості лічби N на час виміру t. Відношення сигналу до шуму  визначається як:

. (6)

Вираз (6) показує, що для збільшення  необхідно зменшувати число темнових імпульсів, що реєструються і збільшувати час виміру.

Статистичний характер емісійних процесів у ФЕП виявляється й у вигляді флуктуацій амплітуди імпульсів, тобто, величини заряду eⁿ , що переноситься на анод, які пов'язані з флуктуаціями підсилення ФЕП. Ця ситуація дозволяє, розумним шляхом змінюючи поріг спрацьовування лічильника, впливати на кількість підрахованих темнових імпульсів і, таким чином, поліпшувати відношення сигнал/шум.

Розподіл імпульсів за амплітудами також приблизно описується законом Пуассона. На мал.3 показана експериментально отримана залежність числа імпульсів від величини амплітуди, що відбиває пуассонівский характер цього розподілу. Суцільною лінією зображена крива, що відповідає плато лічильної характеристики ФЕП. Якщо ж ФЕП працює при напрузі, що відповідає третій ділянці лічильної характеристики, то в розподілі збільшується число імпульсів з великими (газорозрядні процеси) і малими (емісія з динодів) амплітудами (пунктирна крива), і залежність не має чітко вираженого максимуму.

Пуассонівский розподіл імпульсів за амплітудами справедливий як для темнових імпульсів, так і для імпульсів, викликаних фотоелектронами. Зміну характеру амплітудного розподілу імпульсів при засвічуванні показано на мал.4. Крива 1 відповідає тільки шумовим імпульсам; крива 2 описує як шумові, так і фотоелектронні імпульси.

Мал.3. Амплітудний розподіл імпульсів для різних ділянок лічильної характеристики.

Мал.4. Амплітудний розподіл імпульсів освітленого і неосвітленого ФЕП.

Розумний вибір амплітуди імпульсів, що підлягають лічбі, дозволяє, як уже вказувалося, поліпшити відношення сигнал/шум. Зона цих амплітуд показана штрихуванням на мал.4.

Ще однією можливістю зниження шумів ФЕП є охолодження фотокатода, що значно (іноді, на кілька порядків) зменшує кількість одноелектронних імпульсів, викликаних термоемісією катода. На мал.5 показаний вплив температури на швидкість лічби темнових імпульсів (1) і чутливість при  = 546 нм (2) і  = 726 нм (3) для ФЭУ-79, а на мал.6 - амплітудний розподіл імпульсів того ж ФЕП при різних температурах.

Мал.5. Вплив температури на швидкість лічби імпульсів ФЕП.

Мал.6. Амплітудний розподіл імпульсів ФЕП при різних температурах .

Апаратурна реалізація

Найпростіший пристрій, що реалізує метод лічби одноелектронних імпульсів, був показаний на мал.1. Однак, підвищити відношення сигнал/шум можна лише застосувавши деякі додаткові засоби. На мал.7 зображена більш досконала схема, так званої, синхронної лічби одноелектронних імпульсів.

Мал.7. Блок-схема синхронної лічби одноелектронних імпульсів ФЕП.

Потік випромінювання, що падає на ФЕП, періодично переривається модулятором. Імпульси, що утворяться на виході ФЕП, підсилюються широкосмуговим підсилювачем. Його широкосмуговість диктується дуже малою тривалістю одноелектронного імпульсу ( ~10^-8 с, мал.8) Таким чином, смуга пропускання підсилювача повинна бути ~100 Мгц.

Мал.8. Одноелектронний імпульс ФЕП.

Мал.9. Оптимізація вибору порогів дискримінації.

Дискримінатор має властивість пропускати імпульси, амплітуди яких знаходяться в деякому "вікні", тобто, не менше і не більше заздалегідь установлених меж. Крім того, на виході дискримінатора формуються, так звані, стандартні імпульси - однакової тривалості й амплітуди, необхідні для нормальної роботи лічильника.

Реверсивний лічильник провадить прямий підрахунок імпульсів, коли вікно модулятора відкрите і випромінювання потрапляє на фотокатод. Коли ж світло перекрите, ведеться зворотний підрахунок (віднімання) тільки шумових імпульсів, джерела яких розташовані між модулятором і лічильником.

На закінчення перелічимо переваги, отримані в результаті застосування такої схеми:.

1. шумові імпульси з великою і малою амплітудами не дають внеску у вихідний сигнал (  - збільшується);

2. якщо підсилення ФЕП змінюється, то максимум одноелектронного розподілу зрушується убік більших чи менших амплітуд. Якщо ж рівні дискримінації (U_d1 і U_d2) установлені розумно (мал.9, стрілками показане різне положення максимуму амплітудного розподілу імпульсів при різних напругах живлення ФЕП), то це не призводить до значних змін числа стандартних імпульсів на виході (зазначимо, що при аналогових вимірах зсув реакції ФЕП такого сорту призведе до пропорційної зміни середнього струму в анодному навантаженні). Таким чином, система лічби імпульсів - у цілому більш стабільна;

3. через дискретну природу обробки сигналу виключається вплив різного роду дрейфів і температурної нестабільності нуля, які мають місце в методі постійного струму;

4. додаткове віднімання темнових імпульсів із загального числа зареєстрованих (синхронна лічба) дозволяє цілком реалізувати формулу (6), тобто перевести проблему поліпшення відношення сигнал/шум в область статистики відліків, де точність вимірювання визначається лише часом накопичення сигналу ;

5. одержання інформації безпосередньо в цифровому виді значно спрощує обробку сигналів з ФЕП за допомогою комп'ютера.