Счетчик фотонов Советский патент 1992 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследованиях, люминесцентном и спектральном анализе, химии, оптикофизических измерениях и др.

Известен счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, дискри- минатор одноэлектронных импульсов (ДОИ), триггер фотона, ОЗУ, ЭВМ, а так же схему синхронизации, управляемый тактовый генератор, адресный счетчик и триггер режима, причем выход ФЭУ подключен к, входу ДОИ, его выход подключен к первому входу управления ОЗУ, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первым входам управляемого тактового генератора (УТГ) и триггера режима, выход УТГ подключен ко второму входу триггера фотона и к первому входу адресного счетчика, адресные выходы адресного счетчика подключены к адресным, входам ОЗУ и к входному регистру ЭВМ,

выход триггера режима подключен ко вторым входам УТГ и ОЗУ, выход управления адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, один разряд выходного регистр ЭВМ подключен ко второму входу адресного счетчика, вход данных ОЗУ подключен к шине питания.

Недостатками данного устройства являются низкое пространственно-временное разрешение регистрируемого сигнала, определяемое быстродействием ОЗУ, ограничение динамического диапазона регистрируемого потока и рост ошибки измерения интенсивности.

Известен также счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, ДОИ, выход которого подключен к первому входу триггера фотонов, его выход соединен со схемой задержки, с первым входом управления ОЗУ, с входом управления регистра временного хранения адреса, выход схемы задержки соединен с входом управления счетчика, его информационный N- разрядный выход соединен с информационным N-рэзрядным входом

(Л

С

Ч

СП О1

о о

01

.

ОЗУ, его информационный N-разрядный выход соединен с N-разрядами входного регистра ЭВМ и с N информационными входами счетчика, выход схемы задержки соединен так же с первым входом логического элемента ИЛИ,-схема синхронизации соединена с входом счетчика числа посылок, его выход подключен к вхоДу прерываний ЭВМ, а также ко вторым входам логических элементов ИЛИ, выход схемы синхронизации подключен также к первым входам управления УТТ и триггера режима, а его выход подключен ко второму входу управления УТГ, выход УТГ подключен ко второму входу триггера фотона и к первому входу управления адресного счетчика, выход управления его подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, а его выход - ко второму входу триггера режима, адресные выходы адресного счетчика подключены через регистр временного хранения адреса к адресным входам ОЗУ, один разряд выходного регистра ЭВМ подключен ко второму входу управления адресного счетчика, выход логического элемента ИЛИ подключен к второму входу управления ОЗУ.

Данное устройство имеет высокое пространственное разрешение, величина которого определяется бытродействием регистра временного хранения адреса, однако сохраняется ограничение по динамическому диапазону,

Наиболее близким к предлагаемому является счетчик фотонов, содержащий после- довательно включение ФЭУ, ДОИ N-разрядный счетчик, ОЗУ, ЭВМ, а также схему синхронизации, триггер режима, УТГ, адресным счетчик, регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу N -разрядного счетчика импульсов, его выход подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его вход подключен к первому входу УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, а выход управления - к второму входу триггера режима, выходной регистр ЭВМ подключен к второму входу адресного счетчика.

Данное устройство позволяет вести регистрацию интенсивности входного потока импульсов с высоким пространственно-временным разрешением и в широком динамическом диапазоне интенсивностей. Однако эти преимущества реализуются в начале трассы зондирования. Так как в момент её

окончания состояние N-разрядного счетчика импульсов неопределенно и может быть любым в пределах от 0 до 2N, то это ведет к тому, что чем ближе к концу трассы, тем

больше величина потерь и в момент окончания трассы зарегистрированная интенсивность будет иметь величину 1/2, где I - интенсивность входного потока, постоянная за время измерения.

Цель изобретения - уменьшение погрешности счета.

Для достижения этой цели в предлагаемом устройстве содержатся ФЭУ, ДОИ, первый N-разрядный счетчик импульсов, ОЗУ,

блок вычислений и управления (БВУ), а также схема синхронизации, триггер режима, первый УТГ, адресный счетчик и регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу первого счетчика импульсов, выход ОЗУ подключен к входному регистру БВУ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его выход подключен к входу первого УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы через регистр адреса подключены к адресным входам ОЗУ, выход управления адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, выходной

регистр БВУ подключен ко второму входу адресного счетчика.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства

при регистрации потока импульсов и при работе схемы досчета.

Устройство содержит ФЭУ 1, ДОИ 2, первый счетчик 3 импульсов, регистр 4 сдвига, приоритетный шифратор 5, второй УТГ 6,

второй счетчик 7 импульсов, мультиплексор 8, ОЗУ 9, схему 10 синхронизации, триггер 11 режима, УТГ 12, адресный счетчик 13, регистр 14 адреса, БВУ 15.

На фиг. 2 изображены временные диаграммы, где СИ - импульс запуска (синхроимпульс), ТР - разрешение работы УТГ, Сч1 - накопление информации в первом счетчике и момент переполнения, ПШ - выход приоритетного шифратора - разрешение

работы дополнительного УТГ, Сч2 - накопление информации во втором счетчике (до- счеты), Вых.Сч 2 - моменты переполнения второго счетчика - запись в НОЗУ.

Выход ФЭУ 1 подключен к входу ДОИ 2.

Его выход подключен к входу первого счетчика, его информационные выходы подключены к информационным входам регистра сдвига 4. Выход переполнения первого счетчика импульсов 3 подключен ко второму

входу мультиплексора 8. Информационный

выход регистра сдвига 4 подключен к информационному входу приоритетного шифратора 5, его выход - к первому входу второго УТГ 6, а его выход - к входу второго счетчика импульсов Тик входу управления регистра сдвига 4, выход второго счетчика импульсов 7 - к первому входу мультиплексора 8, его выход - к входам управления ОЗУ 9 и регистра адреса 14. Выход схемы синхронизации 10 подключен к первому входу триггера режима 11, его выход - ко второму входу второго УТГ 6, к входу управления мультиплексора 8 и к первому входу адресного счетчика 13, Его адресные выходы подключены через регистр адреса 14 к адресным- входам ОЗУ 9, а выход управле ния - ко второму входу триггера режима 11. Выход ОЗУ 9 подключен к входному регистру БВУ 5, а его выходной регистр - ко второму входу адресного счетчика 13.

Устройство работает следующим образом.

Первый УТГ 12 запускается уровнем с выхода триггера режима 11, который устанавливается импульсом со схемы 10 синхронизации. Этим импульсом определяется начало цикла записи входных одноэлект- ронных импульсов. Триггером 11 режима первый УТГ 12 устанавливается в режим генерации тактовых импульсов, которые поступают на первый вход адресного счетчика 13 и обеспечивают адресацию к ячейкам ОЗУ 7. Мультиплексор пропускает импульсы с первого счетчика 3 импульсов.

Поток сигнальных и шумовых импульсов с ФЭУ 1 поступает на дискриминатор 2, где происходит выделение одноэлектрон- ных импульсов, а шумовые подавляются. Одноэлектронные импульсы поступают на первый счетчик 3, изменяют его состояние (см. диаграмму Сч1 на фиг. 2). При переполнении счетчика 3 сигнал с его управляющего выхода поступает через мультиплексор 8 на входы управления регистра временного хранения адреса 14 и ОЗУ 9. Передним фронтом этого сигнала состояние адресного счетчика 13, определяющее момент переполнения счетчика 3, фиксируется в регистре 14, а по заднему фронту этого сигнала по адресу, зафиксированному в регистре 14 в соответствующую ячейку ОЗУ 9 записывается метка. Таким образом, в ОЗУ 9 создается последовательность адресных меток событий - переполнения N-разрядно- го первого счетчика 3. Наличие регистра 14 позволяет получить высокое временное разрешение момента переполнения счетчика 3,

После прохождения всех возможных состояний адресного счетчика 13 на его выходе вырабатывается сигнал, сбрасывающий

триггер 11 режима, запрещающий работу первого УТГ 12 и разрешающий работу второго УТГ б, Если к этому моменту (окончания трассы зондирования) на информационном

выходе счетчика 3 имеется отличное от иулч состояние, то на выходе приоритетного шифратора 5 будет разрешающий уровень, который разрешит работу второго УТГ 6. Иначе, при наличии только разрешающего

0 сигнала с триггера режима 11, второй УТГ 6 не работает.

Второй УТГ 6 при этом вырабатывает число тактовых импульсов, равное записанному в-счетчике 3 импульсов. После этого на

5 выходе регистра 4 сдвига установится нулевое состояние, приоритетный шифратор 5 закроет второй УТГ 6 и его работа прекратится. Это же число импульсов поступит на второй счетчик импульсов 7, увеличив соот0 ветстоенно его состояние. Если при этом оно достигнет уровня переполнения, то сигнал с выхода переполнения второго счетчика 7 импульсов через мультиплексор 8 поступит на вход ОЗУ 9 и регистр 14 адреса

5 и в последней ячейке ОЗУ 9 (так как УТГ 12 остановлен) зафиксируется метка.

Таким образом, число импульсов, поступивших в цикле досчета на второй счетчик 7 импульсов, будет равно числу импульсов,

0 зафиксированных в первом счетчике 3 им пульсор в момент окончания трассы зондирования и которое в прототипе будет утеряно, обусловливая провал в конце трассы.

5Если ОЗУ 9 не накапливающего типа, то

после окончания цикла досчета начинается чтение адресов меток из ОЗУ устройства в ОЗУ БВУ с прибавлением в соответствующую ячейку ОЗУ БВУ единицы.

0 Следующий синхроимпульс устанавливает триггер 11 режима снова в режим записи в ОЗУ устройства и разрешает работу первого УТГ 12 и прохождение импульсов через мультиплексор от счетчика 3 импуль5 сов. Цикл регистрации повторяется. Затем повторяются циклы досчета и чтения в ОЗУ БВУ.

Многократное повторение этого процесса ведет к накоплению профиля интен0 сивности потока одноэлектронных импульсов до величины, определяющей необходимую статическую точность измерений.

Таким образом, введение схемы досче5 та позволяет, в отличие от прототипа, регистрировать без потерь сигнал любой формы интенсивности, в том числе и постоянной во всем интервале измерений. Данное устройство предполагает несколько меньшую мак- симально допустимую частоту посылок

зондирующих импульсов за счет увеличения времени цикла записи на время досчета. При одинаковых параметрах прототипа и предлагаемого устройства 1 максимальное увеличение периода посылок равно. При этом погрешность регистрации на конце трассы у прототипа достигает 100%, а для предлагаемого устройства находится на уровне аппаратной погрешности, равной примерно 0,5%. Таким образом, дополнительный вклад методической погрешности, пропорциональной времени накопления, много меньше аппаратной погрешности, а выигрыш в снижении ошибки регистрации потока одноэлектронных импульсов достигает сотен раз.

Предлагаемое устройство реализовано в виде действующего макета четырехка- нального счетчика фотонов, обеспечивающего регистрацию потока фотоимпульсов, максимальная частота следования которых достигает 100 МГц (быстродействие имеющегося ФЗУ) в 1024-х временных интервалах с пространственным разрешением +-15 м (100 не). Устройство собрано на отечественных элементах и микросхемах. Основные узлы устройства 4-8, 14 выполнены на ИС серии К531, 531, ОЗУ 9 - ИС К132РУ9, 10-13 - на ИС серии К500, дискриминатор 2 - на И С КР597СА1. В качестве БВУ использована микроЭВМ Злектроника-60.

Устройство имеет меньший вес, объем и энергопотребление по сравнению с известными при значительно более высоких технических характеристиках.

По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает как минимум в 100 раз большую точность регистрации потока импульсов на конце трассы зондирования.

Формула изобретения

1. Счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), дискриминатор одно- электронных импульсов (ДОИ) и первый Nразрядный счетчик импульсов, а также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок вычисления и управления (БВУ), схему синхронизации, триггер режима, первый управляемый тактовый генератор, адресный счетчик, регистр адреса, причем выход ОЗУ подключен к входному регистру БВУ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его выход подключен к входу управляемого тактового генератора, выход которого подключен к первому входу адресного счетчика,, его адресные вы- ходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, выход управления

адресного счетчика подключен к второму входу триггера режима, а выходной регистр БВУ подключен к второму входу адресного счетчика, отличающийся тем, что, с цельюуменьшения погрешности счета, внего введена схема досчета, включающая регистр сдвига, приоритетный шифратор, второй N-разрядный счетчик импульсов, второй управляемый тактовый генератор и мультиплексор, причем информационные

выходы первого счетчика импульсов подключены к информационным входам регистра сдвига, информационные выходы которого подключены к информационным входам приоритетного шифратора, выход

которого подключен к первому входу второго управляемого тактового генератора, выход которого подключен к входам управления регистра сдвига и второго счетчика импульсов, выход которого подключен

к первому входу мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, выход управ- ления первого счетчика импульсов подключен к/второму входу мультиплексора, выход триггера режима подключен к второму входу второго управляемого тактового генератора и к входу управления мультиплексора.

2. Счетчик по п. 1, отличающийся

тем, что в качестве ОЗУ использовано накапливающее ОЗУ.

Использование: измерения световых потоков малой интенсивности, порождаемых инициирующим воздействием (оптическим, механическим, электрическим и др.). Сущность изобретения: счетчик фотонов содержит ФЭУ, дискриминатор одноэлект- ронных импульсов, первый счетчик импульсов, ОЗУ. блок вычислений и управления, а также приоритетный шифратор, второй счетчик импульсов, второй управляемый тактовый генератор и мультиплексор, составляющие вместе схему досчета. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг. 1

&НХ.М2