Одноэлектронный счетчик фотонов Советский патент 1982 года по МПК G01J1/44 

(54) ОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК ФОТОНОВ

1

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, химии, биологин, медицине, геологии и т. д.5

Известны устройства для регистрации слабых световых потоков, работающие в одиоэлектронном режиме счета квантов. Это устройство содержит два фотоэлектронных умножителя ФЭУ и два дискрими- ю натора-формирователя, блок уиравления, делитель частоты импульсов с переменным коэффициентом деления, два вентиля и регистрирующий реверсивный счетчик. Первый ФЭУ, подключенный к первому дискри- 15 минатору, составляет первый измерительный канал, а второй ФЭУ, подключенный через второй дискриминатор к входу делителя частоты - второй измерительный канал. Первый ФЭУ через прерыватель света 20 оптически связан с источником измеряемого света, а второй ФЭУ - непосредственно с источником возбуждения света, оптически связанным с источником света. Делитель частоты импульсов своим выходом подклю- 25 чен к входу блока управления, второй вход которого через формирователь тактовых импульсов подсоединен к прерывателю света. Регистрирующий реверсивный счетчик своими суммирующим и вычитающим вхо- 30

дами через оба вентиля подключен к первому дискриминатору-формирователю и двум выходам блока управления, третий выход которого подсоединен к сбрасывающему входу регистрирующего счетчика. В данном известном устройстве количество циклов регистрации, т. е. продолжительность измерения, определяется коэффициентом деления, установленным для делителя частоты импульсов и интенсивностью источника возбуждения света, так кай число импульсов на входе делителя частоты импульсов, поступающих по второму - нормирующему каналу устройства с дискриминатораформирователя пропорционально числу поступающих на катод второго ФЭУ фотонов 1.

Недостаток этого устройства заключается в том, что использование двух оптических каналов приводит к его усложнению. Идентичность параметров двух каналов с ФЭУ и дискриминаторами обеспечить практически невозможно.

Наиболее близким техническим рещением к изобретению является счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные источник света, прерыватель света, ФЭУ, дискриминатор, имеющий формирователь тактовых импульсов, который связан с прерывателем света и через один из

двух делителей частоты И1мпульсов подключен к одному из входов блока управления, два других входа которого соединены с выходами блока сравнения кодов, к одному из входов которого подключен блок-установка кодов, а выходы блока управления соединены соответственно с входами сброса основного и реверсивного счетчиков и с первыми входами вентилей, вторые входы которых соединены параллельно 2.

Недостатком данного счетчика фотонов, является то, что, если количество циклов изменения больше одного, результат измерения первого цикла теряется, так как при этом из блока сравнения кодов на вход блока управления после завершения нервого цикла измерения поступает сигнал сброса, и сигнал на его выходе устанавливает основной счетчик на ноль. Тем самым происходит увеличение обшего времени регистрации. При этом теряется информация о поведении источника света в течение первого цикла регистрации светового потока, что снижает функциональные возможности известного счетчика фотонов. Кроме того, использование двух реверсивных счетчиков заметно усложняет схему счетчика фотонов.

Целью изобретения является сокрашение времени счета при одновременном расширении функциональных возможностей и упрощении устройства.

Это достигается благодаря тому, что в известное устройство, содержащее последовательно включенные источник света, прерыватель света, ФЭУ, дискриминатор, снабженный формирователем тактовых импульсов, который связан с прерывателем света и через один из двух делителей частоты импульсов подключен к одному из входов блока управления, два других входа которого соединены с выходами блока сравнения кодов, к одному из входов которого подключен блок установки кодов, а выходы блока управления соединены соответственно с входами сброса основного и реверсивного счетчиков и с первыми входами двух вентилей, вторые входы которых соединены папаллельно, дополнительно введены суммирующий основной счетчик и блок памяти, элемент ИЛИ, генератор импульсов, третий вентиль и дешифратор, причем выход дискриминатора подключен к вторым входам первого и второго вентилей, устройство сравнения кодов одним из выходов подключено к входу дешифратора, а своим другим входом подсоединено к выходу блока памяти, один, вход которого подсоединен к выходу реверсивного счетчика, а другой нодключен к блоку управления, который подсоединен к одному управляющему входу третьего вентиля, другой управляющий вход которого связан с реверсивным счетчиком, вычитающий вход последнего через элемент ИЛИ /подсоединен ,к выходу второго вентиля и к .сигнальному входу первого делителя

частоты, который через третий вентиль связан с генератором импульсов и своим выходом подсоединен к входу основного счетчика, а своим установочным входом нодключен к одному выходу дешифратора, второй выход которого подсоединен к установочному входу второго делителя частоты.

На чертенке представлена блок-схема предлагаемого счетчика фотонов.

Счетчик фотонов содержит источник света 1, прерыватель света 2, ФЭУ 3, дискриминатор 4, формирователь тактовых импульсов 5, блок б установки кода, устройство 7 сравнения кодов, первый делитель 8 частоты импульсов, второй делитель 9 частоты импульсов, блок управления 10, первый вентиль 11, второй вентиль 12, реверсивный счетчик 13 и основной счетчик 14, блок памяти 15, элемент ИЛИ 16, генератор импульсов 17, третий вентиль 18 и дешифратор- 19.

Счетчик фотонов работает следующим образом.

При подаче на управляющий вход блока управления 10 сигнала «Пуск он подготавливается для приема тактовых импульсов. Сигнал от блока 10 устанавливает на ноль реверсивный счетчик 13 и основной счетчик 14. В, исходном положении коэффициенты деления делителей 8 и 9 установлены равными соответственно 1 и 4. С поступлением первого тактового импульса, в течение первого такта работы устройства, открывается прерыватель света 2. На катод

фотоэлектронного умнол ителя 3 фотоны поступают от источника света. Эти фотоны выбирают из катода фотоэлектронного умножителя отдельные электроны, которые умножаются его динодной системой и поступают в виде электрических импульсов на дискриминатор 4. Нормированные по амплитуде и длительности импульсы через вентиль 11с момента поступления второго тактового импульса в течение второго такта попадают на суммирующий вход счетчика 13. В этом счетчике накапливается суммасветовых и шумовых импульсов Л/с Ч-Л/,„. В течение третьего такта закрывается прерыватель света, при этом вентили И и

12 закрыты. С поступлением очередного тактового импульса в четвертом, завершаю,щем такте первого цикла измерения, открывается вентиль 12 и через элемент ИЛИ 16 на вычитающий вход счетчика 13 поступает число импульсов N , так как прерыватель 2 в это время закрыт. Таким образом, в счетчике 13 накопленный счет импульсов соответствует количеству Л фотонов, поступающих в течение второго такта

первого цикла на фотоэлектронный умножитель 3.

Число Y, накопленное в счетчике 13 на первый цикл измерения, записывается в блоке памяти 15 и в блоке сравнения кодов

7 сравнивается с числом Х„, выбра кым в

блоке установки кодов 6 из совокупности чисел Xi, Xz, . . . , X,,X,n-i Х,-,,, устанавливаемых в блоке 6. По установочным входам делителей 8 и 9 через дешифратор 19 из блока 7 поступает сигнал, устанавливающий соответствующие коэффициенты деления этих делителей. Чем больще отношение Xjy, тем больше коэффициент /С делителя 8, причем соотношение коэффициентов деления делителей 8 и 9 всегда сохраняется равным 1/4. После установления соответствующих коэффициентов деления в делителях 8 и 9 сигналом от блока управления 10 открывается третий вентиль 18. Импульсы от генератора импульсов 17 через вентиль 18 и делитель 8 поступают на вход основного суммирующего счетчика 14. Одновременно импульсы от генератора импульсов 17 через вентиль 18 и элемент ИЛИ 16 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Когда реверсивный счетчик 13 устанавливается на ноль, на его выходе появляется сигнал, закрывающий вентиль 18. Это означает, что в счетчике 14 накопилось такое количество импульсов, сколько было в реверсивном счетчике 13, деленное на К, так как коэффициент деления делителя 8 установлен равным значени1р К.

С очередным тактовым импульсом начинается второй цикл измерения, который проходит подобно первому, только информация из счетчика 13 не записывается в блоке памяти 15, а через делитель 8, имеющий коэффициент деления частоты импульсов равный К, заносится, как это описано выше, непосредственно в счетчик 14.

Импульс команды «Конец измерения на блок 10 поступает от делителя 9 в момент появления на его выходе импульса. Таким образом, количество циклов определяется коэффициентом деления, установленным в делителе 9 и равно коэффициенту делителя 8. Следовательно, результат измерения, полученный на счетчике 14, всегда нормируется к одному циклу.

Количество циклов К определяется установкой коэффициентов деления делителей 8 и 9, что, в свою очередь, зависит от отношения XJY. Следовательно, при выбранном Хп, чем меньше Y, тем больше количество циклов. Тем самым независимо от интенсивности светового потока результат измерения имеет одинаковую заранее выбранную относительную ошибку. Ошибку измерения можно уменьшить путем выбора и установления в блоке 6 большего значения из совокуиности чисел, устанавливаемых в блоке 6.

По сравнению с прототипом предлагаемый одноэлектронный счетчик фотонов обеспечивает следующие преимущества: результат первого цикла измерения используется не только для определения необходимого общего количества циклов регистрации при заданной заранее относительной ошибке измерения, но входит также в полученную полезную информацию измерения. Тем самым предлагаемый счетчик позволяет сократить время счета и расширить функциональные возмол ности измерителя сверхслабых и слабых потоков; использование в качестве основного счетчика простого суммирующего счетчика вместо реверсивного в целом заметно упрощает измерительное устройство для счета фотонов, что обусловлено сокращением схемотехнических ресурсов.

Использование предлагаемого счетчика фотонов в установках для измерения слабых и сверхслабых световых потоков позволяет произвести высокочувствительную нормированную их регистрацию с высокой, заданной заранее точностью при минимальном времени измерения для различных интенсивностей измеряемого светового потока. Применение такого устройства существенно повышает производительность и

удобство измерения слабых и сверхслабых световых потоков и представляет возможности создания относительно простых и надежных измерительных комплексов, используемых в самых различных областях

науки, техники и народного хозяйства.

Формула изобретения

Одноэлектронный счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные источник света, прерыватель света, ФЭУ, дискриминатор, снабженный формирователем тактовых импульсов, который связан с

прерывателем света и через один из двух делителей частоты импульсов подключен к одному из входов блока управления, два других входа которого соединены с выходами блока сравнения кодов, к одному из

входов которого подключен блок установки кодов, а выходы блока управления соединены соответственно с входами сброса основного и реверсивного счетчиков и с первыми входами двух вентилей, вторые входы которых соединены параллельно, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени счета при одновременном расширении функциональных возможностей и упрощении )стройства, в него дополнительно введены суммирующий основной счетчик и блок памяти, элемент ИЛИ, генератор импульсов, третий вентиль и дешифратор, причем выход дискриминатора подключен к вторым входам первого и второго вентилей, устройство сравнения кодов одним из выходов подключено к входу дещифратора, а своим другим входом подсоединено к выходу блока памяти, один вход которого подсоединен к выходу реверсивного счетчика, а другой подключен к блоку управления, который подсоединен к одному управляющему входу третьего вентиля, другой управляющий вход которого связан с реверсивным счетчиком, вычитающий вход последнего через элемент ИЛИ подсоединен к выходу второго вентиля и к сигнальному входу первого делителя частоты, который через третий вентиль связан с генератором импульсов и своим выходом подсоединен к входу основного счетчи: ка, а своим установочным входом подключен к одному выходу дещифратора, второй

выход которого подсоединен к установочному входу второго делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Тезисы докладов 2-й Всесоюзной научно-технической конференции «Фотометрия и метрологическое обеспечение. М., 1976, с. 260.

2.Заявка № 2583758, кл. G 01 J 1/44, 20.02.78 (прототип).