Способ измерения интенсивности оптического излучения Советский патент 1987 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано для прецизионных измерений интенсивности непрерывного излучения в широком динамическом диапазоне с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ),

Цель изобретения - повышение точности измерения путем стабилизации

,)

(1)

коэффициента преобразования интенсив- ю умножителя uG/G описывается выражени- ности измеряемого излучения в ско- ем рость счета импульсов.

На фиг. 1 изображен дифференциаль- unCz,) ный спектр p(z) амплитуд фотоэлектронных импульсов (кривая 1), а также зависимость коэффициента влияния b(z) (кривая 2) от порога дискриминации; на фиг. 2 - семейство кривых зависимости скорости счета фотоэлектронных импульсов от изменений напряжения питания и коэффициента усиления динодной системы фотоумножителя при различных вариантах установки ширины окна.

Способ осуществляют следующим образом.

Подают на ФЭУ номинальное напряхсе- ние питания и освещают его фотокатод световым потоком фиксированной интенсивности, обеспечивающим интегральную

в диапазоне

скорость счета импульсов

. Измеряют скорость счета

10-10

15 где Z - амплитуда фотоэлектронных импульсов, нормированная . средним (по амплитудному спектру) значением на единицу;

20 Z, и 22 - нормированные значения нижнего и верхнего уровней (порога) амплитудной дискриминации соответственно; п limn(z,) -интегральная интенсивность 25 2|-«-0 потока (скорость счета) фо- тоэлектронньк импульсов при нулевом пороге дискриминации;

p(z) -7 плотность вероятности рас- 30пределения амплитуд фотоэлектронных импу;:ьсов. Величина п пропорциональна измеряемой величине интенсивности излучения и не зависит ни от z,, ни от G, 22 Кроме того, плотность вероятности р(2) инвариантна относительно G. Инвариантен также коэффициент влияния Ь(2,) г ,p(z,). Поэтому множитель- при uG/G в правой части вьфажения (1) Q зависит только от уровня дискриминации, причем для любого существующего у реальных фотоумножителей вида функции р(2), включая как пуассоновское, так и экспоненциальное распределения g амплитуд, зависимость b(z,) имеет максимум при некотором значении нормированного аргумента ,, т,е. для всей области изменения переменной z, от О до 00 обратная функция z,(b) является двузначной. Это означает,что

фотоэлектронных импульсов n(z,z) в окне амплитудной дискриминации„Затем производят измерения скоростей счета п, (z, ,2) и n(z ,2) п-ри пониженном на 1-2% и при повышенном на 1-2% напряжении питания ФЭУ соответ- ственно. Если в результате измерений окажется п, п , ширину окна уменьшают и путем последовательных приближений, повторяя операции изменения напряжения питания ФЭУ на +1-2% и подстройки ширины окна, обеспечивают равенство скоростей счета п, п, что соответствует равенству приращений п, -Пд 0, Если окажется п, п, то ширину окна аналогичным образом увеличивают до достижения равенства значений п , п,.,. На этом процедуру установки оптимальной ширины окна считают законченной и устанавли- В ают номинальное напряжение питания ФЭУ, при котором производят измерения интенсивности излучения,

В общем случае изменение ширины окна может быть осуществлено путем регулировки как нижнего, так и верхнего уровней дискриминации. Однако на практике целесообразно нижний уровень

фиксировать, а регулировку ширины окна производить подстройкой верхнего уровня.

Связь абсолютных изменений un(z,) скорости счета одноэлектронных импульсов, обладающих амплитудой z z,, с относительными изменениями коэффициента усиления динодной системы фотоn z pCz,)

(1)

uG/G описывается выражен

unCz,)

где Z - амплитуда фотоэлектронных импульсов, нормированная . средним (по амплитудному спектру) значением на единицу;

Z, и 22 - нормированные значения нижнего и верхнего уровней (порога) амплитудной дискриминации соответственно; п limn(z,) -интегральная интенсивность 2|-«-0 потока (скорость счета) фо- тоэлектронньк импульсов при нулевом пороге дискриминации;

p(z) -7 плотность вероятности рас- пределения амплитуд фотоэлектронных импу;:ьсов. Величина п пропорциональна измеряемой величине интенсивности излучения и не зависит ни от z,, ни от G, Кроме того, плотность вероятности р(2) инвариантна относительно G. Инвариантен также коэффициент влияния Ь(2,) г ,p(z,). Поэтому множитель- при uG/G в правой части вьфажения (1) зависит только от уровня дискриминации, причем для любого существующего у реальных фотоумножителей вида функции р(2), включая как пуассоновское, так и экспоненциальное распределения амплитуд, зависимость b(z,) имеет максимум при некотором значении нормированного аргумента ,, т,е. для всей области изменения переменной z, от О до 00 обратная функция z,(b) явяется двузначной. Это означает,что

соответству2.

«

юбому значению 2 , z

ет сопряженное значение z z, при котором достигается раньнство b(z°) b(z,,), а соответственно, обеспечи- вается равенство абсолютных приращений скорости счета иппульсов bn(z,) Лп(2°) ,

Такими образом, если .1дели 1ь окно мплитудной дискриминации между двумя

сопряженными значениями нижнего z°

и верхнего т. уровней дискриминации, то приращения An(z°) и &n(z°) взаимно компенсируются, поскольку скорость счета импульсов в окне дискриминации n(z, z°) определяется разностью

00

n(z°,z°)n° p(z)dz n° p(z)dz

г o l° nV( p(z)dz . (2)

r

В результате достигается равенств

un(z:,(z°)-b(zt)

iG

0/3)

что удовлетворяет условию стабилизации коэффициента преобразования

dn(z°,zt) dG

О

при котором результат измерения не зависит от малых вариаций коэффициента усиления динодной системы G,

Обращение в нуль производной

означает настройку на экст25 верхний уровень z, 1,66,При установке окна дискриминации в соответствии с этими значениями получена кривая 3 на фиг. 2, которая, симметрична относительно изменений U в сторону уменьшеdn(z,,z J

dG ремум зависимости сконости счета в ЗО увеличения. Благодаря симметрии

окне дискриминации от G, Как известно, G зависит от напряжения U питания фотоумножителя, причем

й G

-к

-Km - ,

(5)

где К - число каскадов умножения; ,8-0,9 - эмпирический коэффициент.

Так, для 11-каскадного фотоумножителя изменение U на +1% вызывает изменение G примерно на +10%, что соответствует по порядку величины типичным для большинства ФЭУ вариациям усиления в результате утомления. Поэтому для настройки на экстремум зависимости скорости счета n(z,,Zi) от G при фиксированном значении п° следует отрегулировать ширину окна дискриминации до величины, при которой регистрируются равные по величине и отрицательные по знаку приращения скорости счета фотоэлектронных импульсов, при введении симметричной расстройки напряжения питания фотоум40

45

50

этой кривой на практике нет необходимости прослеживать ход этой зависимости по точкам, практическим критерием настройки на экстремум служит равенство отрицательных приращений скорости счета при введении ступенчатой симметричной расстройки питающего напряжения на ±1%. Ход кривой 3 также показывает, например, что при вариациях G на +5% вариации скорости счета в оптимальном окне не превьшают -0,4% т,е, достигается повышение стабильнос ти более чем на порядок величины,Кривые А и 5 на фиг, 2, иллюстрирующие влияние отклонения верхнего уровня от сопряженного значения при неизменном положении нргжнего уровня z, 0,64, получены при Zj 1,5 (кривая А) и Zj 1,8 (кривая 5), Эти кривые имеют максимум, но асимметричны, поэтому эффект стабилизации в этих случаях значительно снижается. Кривая 6 на фиг, 2 получена при установке окна дискриминации согласно прототипу; z Z, 2,1. Эта кривая не л. -1 .JLJ.H /Л-ПЛ.-- LXt.ft. t X t. .f i -f J I J.л

ножителя на +1-2% относительно номи- , ее

. от кллт

нального значения.

Оптимальное значение ширины окна зависит от начальной установки нижне- Способ измерения позволяет значи- го уровня дискриминации z°, в основ- тельно (на порядок величины и более).

ет максимума и эффект стабилизации здесь практически отсутствует.

)

ном определяющего эффективность регистрации, отношение сигнал/шум и линейность характеристик преобразования. Установлено, что при выборе нижнего окна дискриминации в интервале z 0,6-0,9 и формировании одноэлек- тронных импульсов симметричными биполярными обеспечиваются минимальные

1Q отклонения от линейности характеристики преобразования в динамическом диапазоне до 10 . При этом также достигается удовлетворительный компромисс в отношении порога чувст итель15 ности, поскольку положение верхнего уровня оказывает более слабое влияние на отношение сигнал/шум, чем на стабильность и линейность.

Фиг. 1, где показано взаимное рас20 положение сопряженных уровней z, и z, поясняет рассмотренный принцип сопряжения через функцию b(z).Например,заранее установленному нижнему уровню z° 0,64 соответствует сопряженный

25 верхний уровень z, 1,66,При установке окна дискриминации в соответствии с этими значениями получена кривая 3 на фиг. 2, которая, симметрична относительно изменений U в сторону уменьшеЗО увеличения. Благодаря симметрии

5

0

5

0

этой кривой на практике нет необходимости прослеживать ход этой зависимости по точкам, практическим критерием настройки на экстремум служит равенство отрицательных приращений скорости счета при введении ступенчатой симметричной расстройки питающего напряжения на ±1%. Ход кривой 3 также показывает, например, что при вариациях G на +5% вариации скорости счета в оптимальном окне не превьшают -0,4%j т,е, достигается повышение стабильности более чем на порядок величины,Кривые А и 5 на фиг, 2, иллюстрирующие влияние отклонения верхнего уровня от сопряженного значения при неизменном положении нргжнего уровня z, 0,64, получены при Zj 1,5 (кривая А) и Zj 1,8 (кривая 5), Эти кривые имеют максимум, но асимметричны, поэтому эффект стабилизации в этих случаях значительно снижается. Кривая 6 на фиг, 2 получена при установке окна дискриминации согласно прототипу; z Z, 2,1. Эта кривая не имел

е

от кллт

Способ измерения позволяет значи тельно (на порядок величины и более

ет максимума и эффект стабилизации здесь практически отсутствует.

. 5 134

снизить составляющую погрешности измерений, обусловленную неконтролируемыми вариациями коэффициента усиления динодной системы фотоумножителя,возникающими в результате утомления,воздействия изменений напряжения питания и температуры окружающей среды, а также снизить погрешность от нелинейности характеристики преобразования.

Формула изобретения

1. Способ измерения интенсивности оптического излучения путем счета од- ноэлектронных импульсов фбтоумножи- теля в окне между нижним и верхним уровнями амплитудной дискриминации, отличающийся тем, что, с целью првьпиения точности измерения путем стабилизации коэффициента преобразования интенсивности измеряемого

15016

излучения к скорость счета импулг сон, предварительно изменяют напряжение питания, фотоумножителя на ±(1-2)% относительно номинального значения,ре гистрируют изменения скорости счёта фотоэлектронных импульсов и регулируют ширину окна дискриминации до получения равных по абсолютной величине и отрицательных по знаку изменений скорости счета.

10

2, Способ по п,1, отличающийся тем, что, с целью Повышения точности измерений путем снижения нелинейности характеристики преобразования, нижний уровень окна дискриминации предварительно устанавливают в интервале0,6-0,9 средней амплитуды фотоэлектронных импульсов,а импульсы формируют симметричными биполярными .

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано для измерения интенсивности оптического излучения путем счета одноэлектронных импульсов фотоумножителя в.окне амплитудной дискриминации. Цель изобретения - повышение точности измерений - достигается за счет выбора такой ширины окна дискриминации, при которой взаимно компенсирзтотся приращения скорости счета импульсов, превышающих нижний и верхний уровни дискриминации. Для этого оптимальное значение ширины окна дискриминации предварительно устанавливают путем его подстройки до величины, обеспечивающей равные по абсолютной величине и отрицательные по знаку изменения скорости счета фотоэлектронных импульсов при изменении напряжения питания фотоумножителя на +(1-2)% относительно номинального значения. Кроме того, с целью снижения нелинейности характеристики преобразования нижний уровень окна дискриминации предварительно устанавливают в интервале 0,6-0,9 средней амплитуды фотоэлектронных импульсов, а импульсы формируют симметричными биполярными. Биполярное формирование необходимо для устранения сдвигов нулевой линии в тракте дискри- минации одноэлектронных импульсов и поддержания постоянства их средней амплитуды при наложениях импульсов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. (П 00 4

)

Редактор А. Огар

Составитель Е. Маколкин

Техред А.Кравчук Корректор А, Зимокосов

Заказ 4428/46 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035,-Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.- Ужгород, ул. Проектная, 4