Счетчик фотонов Советский патент 1989 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к техническо физике и может быть использовано для абсолютных измерений малых уровней интенсивности непрерывного оптического излучения.

Цель изобретения - повышение точности измерений и удобства представл ния измеряемой величины путем прямо- I o цифрового отсчета ее в абсолютных энергетических единицах.

На чертеже представлена структурная схема счетчика фотонов.

Счетчик фотонов содержит калиброванный источник 1 опорного излучения 1)отоумножитель 2, усилитель-формирователь 3, амплитудный дискриминатор 1, первый временной селектор 5, декадный счётчик 6 импульсов, блок 7 1ндикации, генератор 8 опорной час- готы, второй временной слеектор 9, эторой счетчик 10 импульсов, стати- 1еский регистр 11, компаратор 12 кодов, триггер 13 времени счета и блок J4 управления.

Источник 1 опорного излучения в 5ежиме. калибровки введен в оптический ракт и формирует опорный поток из- фучения на фотокатоде фотоумножителя .f. В режиме.измерения источник 1 «{опорного излучения выведен из опти- jiecKoro тракта. Выход фотоумножителя 2 подключен к входу усилителя-формирователя 3, выход которого подключен if. входу дискриминатора 4, сигнальный ыход которого подключен к входу фременного селектора 5, а управляю- 1|щй выход дискриминатора - к управля- фщему входу второго временного селек- фора 9. Выход первого временного Йепектора 5 подключен к входу декадного счетчика , подключенного к блоку 7 индикации. Генератор S опорной . частоты подключен к входу второго «ременного селектора 9, выход которого подключен к входу второго счетчи- ita 10, выходы двоичных разрядов которого подключены параллельно и поразрядно к информационным входам статического регистра 11 и к первой г руппе входов компаратора 12 кодов, йторая группа входов которого подклю- ч|ена поразрядно к информационным вы- з |одам регистра 11. Вход записи регистра 11 подключен в режиме калибровки первый двухпозйционный переклю- ч1атель 15 к выходу декадного счетчи- иа 6, а. в режиме измерения - к нуле- вюй шине. Вход сброса триггера 13 под

10

15

20

25

30

5

0

5

0

5

ключен в режиме калибровки через второй днухпозиционный переключатель 16 к выходу декадного счетчика 6, а в режиме измерения - к выходу компара- тора кодов. Выход триггера 13 подключен к управляющему входу первого временного селектора 5, а установочный вход триггера - к выходу блока 14 управления, подключенному к шине сброса счетчиков 6 и 10.

Блок 14 управления предназначен для формирования команд пуска- и сброса.

Последовательно включенные фотоумножитель 2, усилитель-формирователь 3, амплитудный дискриминатор 4, первый временной селектор 5, декадный счетчик 6 и блок 7 индикации образуют сигнальный канал, в котором происходит обработка, накопление и индикация импульсов, генерируемых фотоумножителем 2 при воздействии на его фото- катод оптического излучения.

Последовательно включенные генера- .тор 8 опорной частоты, второй временной селектор 9 и второй счетчик 10. ; с регистром 11 и компаратором 12 ко-i дов образуют хронирующий канал, в котором происходит обработка и накоп-. ление хронирующих импульсов, генерируемых генератором 8 опорной частоты.

Счетчик фотонов работает следую - щим образом, I

В реркиме калибровки на вход фотоумножителя 2 подают световой поток от источника 1 опорного излучения. По команде Пуск, подаваемой в блок 14 управления извне (например, от кнопки ручного запуска), блок 14 управления формирует импульс сброса, подаваемьй на входы сброса декадного счетчика 6, второго счетчика 10 и на установочный вход триггера 13. При . этом содержание счетчиков 6 и 10 устанавливается в нуль, а на выходе триггера 13 возникает уровень логической 1, открывающий первый временной селектор 5. Одноэлектронные импульсы, возникающие на выходе фотоумножителя 2 при воздействии опорного излуч:ения от калиброванного источника 1, усипиваются и формируются усилителем-формирователем 3 и после амплитудного отбора в дискриминаторе 4 поступают через открытый первый временной селектор на вход декадно.го

счетчика 6, который осуществляет счет числа импульсов.

Одновременно происходит заполнение второго счетчика 10 импульсами от генератора 8 опорной частоты че- ,рез второй временной селектор 9, который блокируется по управлякяцему входу при каждом срабатывании дискриминатора 4 на время f, благодаря чему осуществляется хронирование по живому времени. Окончание цикла калибровки определяется моментом времени, когда постепенно нарастающее число импульсов в декадном счетчике 6 полностью заполнит К десятичных разрядов этого счетчика. В этот момент на выходе К-го разряда возникает импульс, действие которого на входе записи статического регистра 11 приводит к записи в регистр 11 в параллельном коде числа хронирующих импульсов, накопленных во втором счетчике 10 к этому моменту. Одновременно, этот импульс действует на входе сброса триггера 13, в результате чего триггер переключается в исходное состояние с логическим О на выходе и закрывает первый времендов, сравнивающего текущий код разрядов второго счетчика 10 с кодом н информационных выходах регистра 11, на выходе компаратора 12 кодов возникает импульс, подаваемый на вход сброса триггера 13 времени счета, в результате чего триггер 13 переключ ется в состояние с логическим О н

10

15

выходе. При этом закрывается первый временной селектор 5, прекращается счет в сигнальном канале и в блоке индикации индицируется результат измерения.

Введение в схему устройства ука;::- занных функциональных узлов позволяет осуществить калибровку коэффициен та преобразования счетчика фотонов непосредственно в ходе измерения, за счет чего исключается погрешность измерений, обусловленная нестабильностью параметров фотоумножителя. Здесь функциональное назначение калиброванного источника излучения за- 25 ключается в воспроизведении стабильного и калиброванного по абсолютной величине уровня мощности излучения, т.е. этот источник выполняет роль встроенной образцовой однозначной ме

20

ной селектор 5. При1 этом счет в сиг- 30 ры мощности оптического излучения, нальном канале прекращается, -а блок воспроизводящей размер единицы мощ- индикации индицирует единицу в (К+1)-м ности в области малых уровней. .Уст- разряде и нули - в остальных десятич- ойство функционирует в режимах ка- ных разрядах декадного счетчика 6. .либровки и измерения, коммутация

Для переключения устройства в ре- 35 Режимов производится сдвоенным двух- жим измерения переводят сдвоенный пе- позиционным переключателем, реключатель в положение, при котором вход сброса триггера 13 подключается к выходу KoNmapaTopa 12 кодов, а вход записи регистра 11 присоединяется к нулевой шине, что обеспечивает хранение записанного в регистре 11 кода в течение всего времени функционирования устройства в режиме измере4г - «ъ- , ж« 4-1..ц ллцпл. сТШЛЛ

ния, в том числе и при повторных дик- 45 Калибровочньй множитель определяется лах измерения. Источник опорного из- числом импульсов генератора опорной лучения выводят из оптического трак- частоты N накопленных вторым счетВ режиме калибровки осуществляется передача размера единицы от встроенного источника опорного излучения 40 системе регистрации с использованием регистра памяти, в который автоматически вводится код калибровочного множителя, задающего масштаб преобразования при последующих измерениях.

та и подают на фотоумножитель 2 измеряемое излучение. В режиме измерения устройство функционирует так же, как описано для режима калибровки, за исключением того, что окончание цикла счета определяется моментом времени, когда постепенно нарастающее

чиком при заполнении целого числа ;десятичных разрядов декадного счетчи- 50 ка в процессе калибровки от источника опорного излучения.

Скорость счета фотоэлектронных импульсов в сигнальном канапе при калибровке равна

По РО U)(,

(1)

число импульсов во втором счетчике 55 10 сравнивается с числом, код которого занесен в регистр 11 в результа- где Р, - уровень мощности,, воспроиз- те калибровки. В этот момент в резуль-водимый источником опорного

тате срабатывания компаратора 12 ко-излучения

дов, сравнивающего текущий код разрядов второго счетчика 10 с кодом на информационных выходах регистра 11, на выходе компаратора 12 кодов возникает импульс, подаваемый на вход сброса триггера 13 времени счета, в результате чего триггер 13 переключается в состояние с логическим О на

выходе. При этом закрывается первый временной селектор 5, прекращается счет в сигнальном канале и в блоке 7 индикации индицируется результат измерения.

Введение в схему устройства ука;::- занных функциональных узлов позволяет осуществить калибровку коэффициента преобразования счетчика фотонов непосредственно в ходе измерения, за счет чего исключается погрешность измерений, обусловленная нестабильностью параметров фотоумножителя. Здесь функциональное назначение калиброванного источника излучения за- ключается в воспроизведении стабильного и калиброванного по абсолютной величине уровня мощности излучения, т.е. этот источник выполняет роль встроенной образцовой однозначной

ры мощности оптического излучения, воспроизводящей размер единицы мощ- ности в области малых уровней. .Уст- ойство функционирует в режимах ка- ибровки и измерения, коммутация

35 Режимов производится сдвоенным двух- позиционным переключателем,

, ж« 4-1..ц ллцпл. сТШЛЛ

45 Калибровочньй множитель определяется числом импульсов генератора опорной частоты N накопленных вторым счетВ режиме калибровки осуществляется передача размера единицы от встроенного источника опорного излучения 40 системе регистрации с использованием регистра памяти, в который автоматически вводится код калибровочного множителя, задающего масштаб преобразования при последующих измерениях.

чиком при заполнении целого числа ;десятичных разрядов декадного счетчи- 50 ка в процессе калибровки от источника опорного излучения.

Скорость счета фотоэлектронных импульсов в сигнальном канапе при калибровке равна

По РО U)(,

(1)

ровень мощности,, воспроиз- одимый источником опорного

ш

h.

энергия фотонаi квантовая эффективность, фотокатода ФЭУ; F - коэффициент сбора фoтoэJ: eктронов;

А - коэффициент дискриминации. Учитывая, что емкость К-разрядного

десятччного счетчика равна 10

оп-

гистре в ввде кода числа N, Конец цикла счета определяется моментом срабатывания компаратора кодов, когда текущее содержание второго счетчика сравняется с числом N, храня- щимся в статическом регистре. В этот момент на выходе компаратора кодов возникает импульс, сбрасывающий триг

nzTL™ - ™ Г-1- .

рядов декадного счетчика при калибровке

111 /.1

(2)

ТА 10

1 -

1/ -т, с;т

п.

г FA

ние, в результате чего первый временной селектор закрывается, а в блоке индикации декадного счетчика индицируется число N, характеризующее 15 результат измерения мощности светового потока:

Это выражение характеризует длительность цикла калибровки, начало которого определяется моментом откры- .вания первого временного селектора выходным уровнем триггера по сигналу пуска, поступающему из блока управления на установочный вход триггера. Конец цикла калибровки определяется моментом сброса триггера сигналом переполнения К разрядов декадного счет- |Чика, поступающим в режиме калибров- ки на вход сброса триггера. При сбро- 1се триггера закрывается первый временной селектор, счет прекращается, а блок индикации в сигнальном канале индицирует число ю .

Число импульсов генератора опорной частоты, зарегистрированное на ремя Т вторым счетчиком, равно

lO W-fo

PC-ч FA

(3)

В Момент окончания цикла калибровЗд а показателем К определяется пози- ция децимальной точки на индикаторной панели. Информация в статическом регистре сохраняется во время последующих, циклов измерения и обновляет, - -,- u., оисуспил и ооновляет-

ки на вход записи регистра действует 40 я лишь в режиме калибровки. ПовторИМПУЛЬС ПРПРГТПГтиаиию V глг ппппА-

импульс переполнения К разрядов декадного счетчика. При этом число N записывается в регистр .в параллельном коде и определяет время накопления

ную калибровку проводят по мере необходимости в зависимости от условий эксплуатации и требуемой точности.

1, а следовательно, и масштаб пре- 45 ормула изобретения образования при функционировании уст-

ройства в режиме измерения (f -Счетчик фотонов, содержащий сигопорная частота). нальный канал с последовательно вклюв режиме измерения на ФЭУ поступа- ченными фотоумножителем, усилителем- ет измеряемый световой поток и нача- go Формирователем, амплитудным дискрими- ло цикла счета задается моментом от- натором, первым временным селектором, крывания первого временного селектора декадным счетчиком импульсов и бло- Ло сигналу, поступающему из блока уп- ком индикации, хронирующий канал с Явления на установочный вход триг-последовательно включенными генераi epa. Длительность цикла измерения 55 РО опорной частоты, вторым временным селектором и вторьзм счетчиком импульсов, а также триггер времени счета и блок управления, выход которого подключен к установочному входу

.. - л л t хло I lC спил

(по живому времени) равна значению Т, полученному при калибровке, бла- 1 одаря тому, что информация об этом ; начени и хранится в статическом регистре в ввде кода числа N, Конец цикла счета определяется моментом срабатывания компаратора кодов, ког. да текущее содержание второго счетчика сравняется с числом N, храня- щимся в статическом регистре. В этот момент на выходе компаратора кодов возникает импульс, сбрасывающий триг- - ™™ е;7.

.

ние, в результате чего первый временной селектор закрывается, а в блоке индикации декадного счетчика индицируется число N, характеризующее 15 результат измерения мощности светового потока:

N i W -H.FAT

(4)

20

Подставляя в это выражение значение Т, получают

25

N

(5)

Отсюда видно, что если уровень мощности Р(, источника опор{1ого излучения установлен, например, равным 1 нВт (т.е. Pj 1 нВт ), то

30 отсчет измеряемой величины (5) соглано условию N ю, где m - целое число (положительное или отрицательное) , Р - мощность измеряемого излучения, является прямым в нановаттах,

Зд а показателем К определяется пози- ция децимальной точки на индикаторной панели. Информация в статическом регистре сохраняется во время последующих, циклов измерения и обновляет -,- u., оисуспил и ооновляет-

40 я лишь в режиме калибровки. Повтор я лишь в режиме калибровки. Повтор

ную калибровку проводят по мере необходимости в зависимости от условий эксплуатации и требуемой точности.

триггера и к шине сброса счетчиков, выход триггера подключен к управляющему входу первого временного селектора и к входу блока управления, а управляющий вход второго временного селектора подключен к управляющему выходу дискриминатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и удобства представления измеряемой величины путем прямого цифрового отсчета ее

8

но и поразрядно к информационным выходам второго счетчика и к первой группе входов компаратора кодов, а информационные выходы регистра подключены поразрядно к второй группе входов компаратора кодов, при этом вход записи регистра подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя, первый вход которого подключен к нулевой шине, второй вход подключен к выходу декадного счетчика и второму входу второго двухпозиционного переключателя, первый

в

абсолютных энергетических единицах, в него введены калибровочный источник

опорного излучения, компаратор кодов, 15 вход которог о под ючГн к ком- два двухпоэиционных переключателя ипаратора -кодов, а выход второго перестатический регистр, информационныеключателя подключен к входу сброса

входы которого подключены параллель-триггера.

8

но и поразрядно к информационным выходам второго счетчика и к первой группе входов компаратора кодов, а информационные выходы регистра подключены поразрядно к второй группе входов компаратора кодов, при этом вход записи регистра подключен к выходу первого двухпозиционного переключателя, первый вход которого подключен к нулевой шине, второй вход подключен к выходу декадного счетчика и второму входу второго двухпозиционного переключателя, первый

вход которог о под ючГн к ком паратора -кодов, а выход второго пере

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для абсолютных измерений малых уровней интенсивности непрерывного оптического излучения. Цель изобретения - повышение точности измерений и удобства представления измеряемой величины путем прямого отсчета ее в абсолютных энергетических единицах. Счетчик фотонов содержит источник опорного излучения 1, сигнальный канал счета фотоэлектронных импульсов фотоумножителя (ФЭУ) 2, хронирующий канал счета импульсов опорной частоты с регистром памяти 11 и компаратором кодов 12, сравнивающим текущее содержание счетчика хронирующих импульсов 10 с кодом, записанным в регистр 11 при калибровке. В режиме калибровки производится счет сигнальных и хронирующих импульсов при подаче на вход ФЭУ излучения опорного источника 1, воспроизводящего размер единицы интенсивности излучения, до момента заполнения декадного счетчика 6 сигнальных импульсов. В этот момент счет прекращается, а в регистр 11 записывается параллельный код числа накопленных хронирующих импульсов. В режиме измерения производится счет импульсов при подаче на вход ФЭУ измеряемого излучения до момента срабатывания компаратора кодов 12. Число импульсов, накопленных за это время в сигнальном канале, выводится на индикацию и отображает результат измерения. 1 ил. (Л 4 СП 00 00 СП