Многоканальный флуориметр Советский патент 1992 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к оптике, в частности к спектрометрии путем исследования двух и более спектральных полос с помощью отдельных детек

31

торов излучения, и может быть использовано в системах диагностики природных сред (атмоссЬерыв поверя- ности океана, растительного покрова cyans н др)1 методами фпуорнметрки и спектроскопии комбинационного рас™ сеяния.

Целью изобретения является повышение точности регистрации сигналов фпуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами регистрации суммарного сигнала флуоресценции к фонового сигнала ь условиях: быстро меняющегося фола,

На фиг, 1 изображена структурная схема многоканального флуориметра$ на фиг6 2 - то же с частичной программной реализацией необходимых, функций.

Многоканальный флусриметр содержит усилитель 1 лркостк с микроканальной пластиной 2Р волоконно-оптический переходник Зг фотоэлектрический преобразователь - многозлемент- иый линейный прибор 4 с зарядовой связью (ЛПЗС) с секцией накопления И транспортным регистром,

Система сбора и обработки сигналов с выхода фотоэлектрического преобразователя включав схему 5 аналоговой обработки сн:гна.т;й JDSSCj, аналого-цифровой преобразователь (А1Щ) 6S тактовый генератор 7 (ЛНЗС) и интерфейс 8 „ Блок опробирования содержит двй синхронизирующих генератора 9, 1 строб-импульсов, два развязывающих диода П8 12 и резистор 13 Блок синхронизации состоит из трех последовательно включенной цифровых линий задержки и устройства 17 фор- мироёаиия импульса зг.нуска источника излучения е

Интерфейс В осуществляет связь АЦП 6 к блока синхронизации с микропроцессорной системой сбора к обработки информации (на фиг 1 и 2 последняя представлена только магистралями данных и адресов) ,,

Конкретный пример /зылолиения многоканального флуоримк грз показан на фиг 2г Б качестве усилителя яркости применен злектронно-оцтичеп- кий преобразователь ЗОН) с микро- какальиой пластиной (МКП) 2. Нити

ние ЭОТ осуществляется от генератора t8 переменного напряжения через систему встроекнъж вторичных ушожя телей, Стробяроваяие производится ий5

S

3

40

14

пульсной подачей напряжения на переднюю грань MKII 2,

В схеме использованы транзисторы V. , V и линии задержки 19 и 20 с сосредоточенными параметрами. Длительность стробирующего импульса выбрана равной 1 икс,, Элементы 21 и 22 - преобразователи уровня цепей питания базы транзисторов.

На экран ЗОН нанесен люминофор с временем послесвечения 25 мкс (ис-. пользована приготовленная путем дополнительного размола мелкодисперсная фракция люминофора К 56 с размером зерна менее 1 мкм). Ш13С 4 приводится в оптический контакт с экраном ЗОН через волоконно-оптический neper ходник 3. Размер Фоточувствительного элемента составляет 12 х 500 мкм, всего элементов - 1024. Операционные усилители 23-27 и ключи К1-КЗ входят в схему 5 аналоговой обработки сигнала ЛНЗС. Усилители 23-26 используются в качестве повторителей напряжения, ключи КI, К2 и емкости Cj, Ц для фиксации уровня черного в момент J подачи импульса на разрешающий затвор ЛПЗС 4„

3

ЛПЗС имеет два транспортных регистра, работающих одновременно. Мультиплексирование сигнала с их выходов осуществляется ключом КЗ. Необходимое усиление обеспечивается усилителем 27. Аналоговый сигнал с выхода усилителя 27 подается на вхоД АЦП 6, выходом соединенного через интерфейс 8 с микропроцессорной системой обработки, в качестве которой

.использован персональный компьютер. В состав интерфейса 8 входят запоминающее устройство 28, разделенное на две функционально независимые части, для запоминания суммарного сигнала флуоресценции и фонового сигнала, а также буфер 29 шины данных, Кроме тогов в состав интерфейса 8 входят

гейератст 30 адре са, управляющий регистр 31, схема 32 формирования сигнала запроса прерывания, устройство 17 формирования импульса запуска источника излучения и постоянное запоминающее устройство 33, в котором хранятся программные данные обслуживания регистрирующего устройства микропроцессорной системы обработки информации Тактовый генератор 7 состоит из регистра 34 сдвигаt Dтриггера 35 и.преобраэоватепя 36 уровня. Выход А1Ш готов соединен с входом регистра 34 сдвига, а выход регистра 34 сдвига - с входом АЦП запуск,

Импульс готов с выхода АЦН используется для тактирования D-триггера 35. Входы сброса регистра сдвига и U-трнггера объединены и подключены к управляющему регистру 31. Таким построением тактового генератора обеспечивается синхронизация работы АЦП и транспортных регистров ЛПЗС и возможность оста-- новки тактового генератора в нужном состоянии. Управляющий регистр 31 управления совместно с программным обеспечением, записанным в постоянном запоминающем устройстве 33, позволяет выработать необходимую последовательность запускающих импульсов и тем самым функционально замещает блок синхронизации, а также реализует часть функции тактового генератора 7 (элементы 14,15,16 фиг. 1). Элемент выбора частей запоминающего устройства 28 организован в виде разряда регистра 31 управления.

Многоканальный флуориметр работает следующим образом.

Микропроцессорная система через управляющий регистр 31 выдает запускающий импульс, который поступает на устройство 17 формирования импульса запуска источника излучения и вход первой линии задержки 14. Через мя 2 , обусловленное задержками в электрических цепях и источнике иэлу-1 чения, генерируется световой импульс зондирующего излучения, а задержанный на то же самое время запускающий импульс поступает на вход генератора 9 и в виде импульса стробиро- вания через развязывающий диод 11 подается на микроканальную пластину 2 усилителя 1 яркости. В результате, когда на оптический вход усилителя 1 яркости воздействуют световой импульс флуоресцентного отклика от зондируемого объекта и- фон засветки, одновременно с этим к МКИ прикладывается (отпирающий) строб-импульс.. Поток электронов с фотокатода усилителя 1 яркости вызывает свечение люминофора экрана усилителя 1 яркости, которое затухает с постоянной времени, определяемой типом и технологией изготовления люминофора. В оптическом

10

574014

контакте через волоконный оптический переходник 3 с экраном усилителя 1 яркости находится фоточупствитель- ная область ЛПЗС 4. В процессе выс- вечивания люминофора в этой области идет накопление неосновных носителей заряда. По кончанин высвечивания люминофора (накопления фотозаряда в ЛПЗС) тактовый генератор 7 останавливает подачу таширующих импульсов , на электроды транспортного регистра и вызывает импульс на разрешающий затвор ЛПЗС, во время действия которого заряд из фоточувствительной области ЛПЗС секции накопления перетекает в транспортный регистр. После этого тактовый генератор 7 возобновляет подачу импульсов на электроды 20 транспортного регистра, инициируя тем самым процесс выдачи спектральной информации в аналоговой форме с электрического выхода ЛПЗС.

Во врекя процесса перетекания фотозаряда осуществляется переключение частей банка памяти запоминающего

15

25

устройства 28. Через время Сг запускающий импульс с выхода второй линии задержки 15 поступает на вход генератора 10, который вырабатывает второй стробирующий импульс. Во время действия этого строб-импульса-отсутствует излучение, возбуждающее флуоресценцию, и вследствие этого в секции- накопления ЛПЗС при этом фиксируется фоновый сигнал засветки, хранящийся в этом регистре до переноса его в (очищенный) транспортный регистр после подачи повторного импульса на разрешающий затвор ЛНЗС.

Б течение N(N - количество фоточувствительных элементов ЛПЗС) периодов тактовой частоты, следующих

за первым импульсом, поданным на разрешающий затвор ЛПЗС с выхода линейки через схему аналоговой обработки, на -вход АЦП поступает сигнал, соответствующий спектру флуоресцентно-

г° отклика. Этот сигнал оцифровывается и записывается в банк памяти сигнала. Но окончании процесса оцифровки и записи через время Г, запускающий импульс с выхода третьей

линии задержки 16 инициирует выдачу второго импульса на разрешающий затвор ЛПЗС к переключение запоминающего устройства 28, Фотозаряд, возникающий во время действия второго

строба и хранившийся в секции накопления ЛПЗ, перетекает в транспортный регистр. После этого в течение N периодов работы тактового генератора происходит оцифровка и запись массива фонового сигнала засветки во вторую часть запоминающего устройства 28. Затем микропроцессорная система сбора и обработки данных считы- вает через буфер 29 шины данных оба массива, вычитая спектр засветки из спектра флуоресцентного отклика, зарегистрированные черед промежуток времени 02, Регистрация обоих спект- ров через промежуток врамени, огра- ничкваемый при соответствующем вы- боре времени послесвечения люминофора временем переноса сигнала в ЛПЗС из секции накопления в транспортный регистр, которое составляет достаточно малую величину, обеспечивает высокую точность определения спектра флуоресцентного отклика. Причем эта точность практически не ограничивается быстродействием используемых АЦП и микропроцессорной системы сбора и обработки информации при типичных частотах повторения импульсов излученлч9 возбуждаьщих флуо- ресценцию, которая составляет несколь десятков герц.

Формула изобретения 1. Многоканальный флуориметр,, содержащий гибридный детектор излучения с фотоэлектрическим преобразова1- телем и стробируемым усилителем яр кости, имеющим выходной экран с покрытием, преобразующим поглощаемую им энергию пучка электронов в световое излучение, блок стробнрования с синхронизируемым генератором строб- импульса и резистором, блок синхронизации с устройством формирования импульса запуска источника излучения систему сбора и обработки сигналов с выхода фотоэлектрического преобразователя, содержащую аналого-цифровой

запуск выходом готов и интерфейс с

преобразователь с входем

к

управ

ляющим регистром и буф : эом тины данных, соединенный с магистралям данны микропроцессорной системы и устройством формирования импульса запуска источника излучения, отлива ю- щ и и с я тем, что с целью повьгте0g .ц, о,

0

5

35

40

45

55

ния точности регистрации сигналов флуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами регистрации суммарного сигнала флуорес - ценции и фонового сигнала в условиях быстро меняющегося фона, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде многоэлементного линейного прибора с зарядовой связью с секцией накопления и транспортным регистром, в качестве покрытия выходного экрайа использован люминофор, время послесвечения которого не мен§е длительности процесса переноса заряда из дни накопления в транспортный регистр линейного прибора с зарядовой связью и не б.олее промежутка времени, за которое изображение объекта зондирования смещается на расстояние, равное половине высоты чувствительного элемента линейного прибора с зарядовой связью, система сбора и обработки сигналов с выхода фотоэлектрического преобразователядополнительно содержит тактовый генератор, блок стробирования содержит второй синхронизируемый генератор строб-импульса причем выходы обоих генераторов строб-импульса через развязывающие диоды соединены с усилителем яркос- ти, блок синхронизации дополнительно содержит последовательно соединенные линии задержки, вход первой из которых связан с управляющим регист- ром интерфейса, а выход третьей - с тактовым генератором, к которому дополнительно подключены также выходы двух первых линий задержки, выходы первой и второй линий задержки также дополнительно соединены каждый с выходом соответствующего синхронизируемого генератора строб-импульса.

2, Флуориметр по п# 1, отличающийся тем, что тактовый генератор содержит регистр сдвига, D-триггер и преобразователь уровня, причем вчход готов аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистра сдвига н С-входом D- триггера, выход регистра сдвига - с входом запуск аналого-цифрового преобразователя, а входы сброса регистра сдвига и D-триггера объединены и подключены к управляющему ре-, гистру интерфейса.

(firm.

Изобретение относится к спектрометрии и может быть использовано в системах диагностики природных сред. Целью изобретения является повыше-а- кие точности регистрации сигналов флуориметра за счет сокращения интервала времени между моментами регистрации суммарного сигнала флуоресценции и фонового сигнала в условиях быстро меняющегося фона. Многоканальный флуорнметр содержит гибридный детектор излучения с фотоэлектрическим преобразователем и стробн- руемым усилителем яркости,имеющим экран, блок стробирования; блок синхронизации с устройством формирования импульса запуска источника излучения и систему сбора и обработки. Для реализации цели в качестве фотоэлектрического преобразователя использован многоэлементный линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС) с секцией накопления и транспортным регистром, а в качестве покрытия экрана люминофор, время послесвечения которого не менее длительности процесса переноса заряда из секции накопления в транспортный регистр линейного ПЗС и не более промежутка времени, за которое изображение объекта зондирования смещается на расстояние, равное половине высоты чувствительного элемента линейного НЗС. Система сбора и обработки сигналов включает схему аналоговой обработки сигнала и управляющий тактовый генератор НЗС, АЦП с числом разрядов, связанным с динамическим ди- апазоном детектора излучения, и интерфейс с двумя дополнительными запоминающими устройствами. 1 э.п. ф-лы, 2 ил. CJV 1 4

Запуск источника изучения

6 тсгнт

Запуск источника излучения

J L

Шина адреса микрокомпьютера