Счетчик фотонов Советский патент 1983 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к технической физике и может быть использованог при регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, химии, био логии, медицине, геологии и т.д. Известен счетчик фотонов, содержащий ФЭУ, дискриминатор, формирователь тактовых импульсов, блок установки кода, устройство сравнения кодов, пер вый делитель частоты, второйделитель частЬты и блок управления 1. Недостатком его-является большаядлительность измерений. Наиболее близким техническим решением (с предлагаемому является источник фотонов, содержащий источник свет та, оптически связанный .через прерыватель света, подключенный к формирователю тактовых импульсов, с фотоэлектронным умножителем, подключенные ко входу дискриминатора, к выходу которого подключены два первых входа двух вентилей, вторые входы которых соеди7 нены с соо ветствукцими выэсодгши блока управления, к двум входам которого подключены два выхода блока сравнения кодов, один вход которого соединен с выходом блока установки кодов, а другой - с выходом блока памяти, один вход которого подключен к блоку управ Чтения, а другой вход - ,к выходу реверсивного счетчика, установочный вход которого соединен с установочные входом дешифратора и с блока управления, суммирукщий вход реверсивного счетчика соединен выходом первого,вентиля, вычитаюций вход соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго вентиля, а выход реверсивного счетчика соединен с первым входом третьего вентиля, через который генератор импульсов соединен с сигналаным входом первого делителя частоты, выход которого соединен с входом основного счетчика, а установочный вход соединен.с йыходом дешифратора, второй выход которого соединен с вторые делителем частоты, через который формирователь тактовых импульсов соединен с соответствующим входом блока управления, соответствующий выход которого соединен с установочные входом основного счетчика, причем вход дешифратора соединен с третьим выходом блока сравнения кодов 2. Недостатком известного устройства является то, что при большой интенсивности света время измерения оказывается много больше, чем необходимо для измерения при заданной ошибке. Цель изобретения - сокращение времени счета при большой интенсивности света. Цель достигается тем, что в счетчик фотонов, содержащий источник света, оптически связанный через прерыватель света, подключенный к формиро|Вателю тактовых импульсов, с фотоэлеKTfiOHHHM умножителем, подключенным ко входу дискриминатора, к выходу которого подключены два первых входа двух вентилей, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления, к двум входам которого подключены два выхода блока сравнения кодов, один вход которого соедийен с выходом блока установки кодов, а другой - с выходом .блока памяти, один вход которого подключен к блоку управления, а другой вход - к выходу реверсивного счетчика, установочный вход которого соединен с установочным входом дешифратора и с выходом блока управления, суммирукхций вход реверсив ного счетчика соединен с выходом первого вентиля, вычитающий вход соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого Соединен с выходом второго вентиля, а выход реверсивного счетчика соединен с первым входом третьего вентиля, через который генератор импульсов соединен-с сигнальньм входом первого делителя частоты, выход которого соединен с входом основного счетчика, а установочный вход соединен с выходом дешифратора, второй выход которого соединен с вторьм делителем частоты, через который формирователь тактовых импульсов соединен с соответствующим входом блока управления, соответств5тмцнй выход которого соединен с установочным входом основного счетчика,причем вход дешиф-; |ратора соединен с третьим выходом бло ка- сравнения кодов, введены дополнительные генератор импульсов, счетчик, блок сравнения кодов, дешифратор и делитель частоты, причем к первому входу дополнительного блока сравнения кодов подключен выход дополнительного счетчика, вход которого соединен с дополнительным генератором импульсов, к второму входу дополнительного блока сравнения koдoв подключен выход ревер сивного счетчика, а вькод дополнитель ного.блока сравнения кодов подключен к входу дополнительного дешифратора, первый выход которого соединен, с формирователем тактовых импульсов, второй выход - с дополнительным делителем частоты, через который ригнальный вход первого делителя частоты соединен с вторым входом элемента ИЛИ, а третий выход - с блоком управления, один из выходов которого соединен со входом дополнительного счетчика. На чертеже представлена блок-схема устройства. Счетчик фотонов содержит источник 1 света, прерыватель 2 света, ФЭУ 3, дискриминатор 4, формирователь 5 тактовых импульсов, блок 6 установки кода, блок 7 сравнения кодов, первый делитель частоты 8, второй делитель частоты 9, блок 10 управления, первый вентиль 11, второй вентиль 12, реверсивный счетчик 13, основной счетчик 14, блок 15 памяти, элемент ИЛИ 16, генератор 17 импульсов, третий вентиль ji.8, основной дешифратор 19, дополнитёльный генератор 20 импульсов, дополнительный счетчик 21, дополнительный блок 22 сравнения кодов, дополнительный дешифратрр 23 и дополнитель-/ ный делитель 24 частоты. Источник 1 света оптически связан |Через прерыватель 2 света, подключен-, ный к фор«1ирователю 5-тактовых импульсов , с фотоэлектронным умножителем 3, подключенным ко входу дискриминатора 4, к выходу которого подключ1 ны два первых входа двух вентилей 11 и 12, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами блока 10 управления, к двум входам которого подключены два выхода блока 7 сравнения кодов, один вход которого соединен с выходом блока б установки кодов, а другой - с выходом блока 15 памяти, один вход которого подключен к блоку 10 управления, а другой вход - к выходу реверсивного счетчика 13, установочный вход которого соединен с установочным входом дешифратора 19 и с выходом блока 10 управления. Суммирукидий вход реверсивного счетчика 13 соединен с выходом первого вентиля 11, вычитающий вход соединен с выходом элемента ИЛИ-16, первый вход которого соединен с выходом второго вентиля 12, а выход реверсивного счетчика 13 соединен с первым входом треть- . его вентиля 18, через который генератор 17 импульсов соединен с сигна.льным входом первого делителя частоты 8, выход которого соединен с входом основного счетчика 14, а установочный вход соединен с выходом дешифратора 19, второй выход которого соединен с вторым делителем частоты 9, через который формирователь 5 тактовых импульсов соединен с соответствующим входом блока 10 управления, соответствующий выход которого соединен с установочным входом основного счетчика 14, причем вход дешифратора 19 соединен с третьим выходом блока 7 сравнения кодов. К первому входу дополнительного блока 22 сравнения кодов подключен вход дополнительного счетчика 21, вход которого соединен с дополнительным генератором 20 импульсов, к второму входу дополнительного блока 22 сравнения кодов подключен выход реверсивного счетчика 13, а выход дополнительного блока 22 сравнения кодов под ключен к входу дополнительного дешифратора 23, первый выход которого соединен с формирователем 5 тактовых импульсов, второй выход - с дополнитель ным делителем 24 частоты, через который сигнальный вход первого делителя 8 частоты соединен с.вторым входом элемента ИЛИ 16, а третий выход - с блоком 10 управления, .один из выходов которого соединен со входом дополнительного счетчика 21. Устройство работает следующим образом. При .подаче на управляющий вход бло ка 10 управления сигнала Пуск он подготавливается для приема тактовьах импульсов. Сигнал от блока 10 управfferiKH устанавливает на нуль реверсивный счетчик 13J, { дополнительный счетчик 21 и ос нов . счетчик 14. В исход ном положении коэффициенты давления, делителей частоты8 и 9 установлены соответственно 10 и 4. С поступлени ем первого тактового импульса, в течение первого такта работы устройства, открывается прерыватель 2 света. На катод фотоэлектронного умножителя 3 фотоны поступают от источника 1 све та. Эти фотоны выбивают из катода фотоэлектронного умножителя 3 отдельные электроны, которые умножаются его динодной системой и поступают в виде электрических импульсов на дискримина тор 4, Нормированные по амплитуде и длительности импульсы через вентиль 11с момента поступления второго тактового импульса в течение второго так та попадают, на суммирукхций вход счетчика 13. В этом счетчике накапливается сумма световых и шумовых импульсов NC+ Nju. При поступлении второго тактового , импульса дополнительный счетчик 21 нa чинает считать импульсы от дополнительного генератора 20 импульсов. Дополнительный блок 22 сравнения определяет/ который из счетчиков 21 или, 13 первым достигает определенное число 7. , которое обеспечивает заданную .ошибку измерения. Если первыч это чис ло достигает счетчик 21, то длительность второго такта равна Т; В течение третьего такта закрьша-, ется прерыватель 2-света, при этом вентили 11 и 12 закрыты. С поступлением очередного тактового импульса в четвертом, завершакадем такте первого цикла измерения, открывается вентиль 12и через элемент ИЛИ 16 на вычитаю.щий вход реверсивного счетчика 13 поступает число импульсов , так как прерыватель 2 в это время закрыт. Таким образом, в реверсивном счетчике 13накопленный счет импульсов соответ ствует количеству Ng фотонов, поступа ющих в течение второго такта первого цикла на фотоэлектронный умножитель 3. Число У, накопленное в реверсивном счетчике 13 за первый цикл измерения, записывается в блоке 15 памяти и в блоке 7 сравнения кодов сравнивается с числом Х, выбранном с блоке 6 установки кодов из совокупнос-и чисел Х, Xj. . ., , устанс.вливаемьк в нем. По установочньм входа ; делителей 8 и 9 частоты через дешифратор 19 из блока 7 поступает сигнал, устанавливающий соответствующие коэффициенты деления этих делителей. 1ем больше отношение Х„/У, тем больше и коэффициент К делителя В частоты, причем соотношение коэффициентов деления делителей 8 и 9 частоты всегда сохраняется равнья К/ (4К-4) . После установления соответствующих коэффициентов деления в делителях 8 и 9 частоты с помощью сигнала от блока 10 управления открывается третий вентиль )18. Импульсы от генератора 17 ютулы сов через рентиль 18 и делитель 8 частоты поступает на вход основного счетчика 14. Одновременно импульсы .от генератора 17 импульсов через вентиль 18, через дополнительный делитель 24 V элемент ИЛИ 16 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 13. Когда, реверсивный счетчик 13 устанавливается на ноль, на его выходе появ- . ляется сигнал, закрывагсаий вентиль 18. Это означает, что в основном счетчике 14 накопилось такое количество импульсов, сколько было в ревёрсивиом счетчике 13, деленное на К, так как коэффициент деления установлен равные значений), К. С очередным таковым импульсом начинается второй цикл измерения, который проходит подобно первому, только информация из реверсивного счетчика 13 не срг.внивается в дополнительнее блоке 22 сравнения и не записывается в блоке 15 памяти, 3 через делитель 8 частоты, имеющий коэффициент деления частоты импульсов, равный К, записываются непосредственно в основной счетчик 14. Импульс команды Конец измерения на блок 10 управления поступает от делителя 9 частоты в момент пояйления на его выходе импульса. Таким образом, количество циклов определяется коэффициентом деления, установленным Вделителе 9 частоты и равно коэффициенту деления делителя 8 частоты. Следовательно, результат измерения, полученный в основном счетчике 14, всегда нормируется к одному циклу. Количество циклов К определяется установкой коэффициентов .деления делителей 8 и 9 частоты, в сво1ф очередь, зависит от отношения . Следовацельно, при выбранном X, чем меньше

У, 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 б установки кода большего значения из совокупности чисел.

Если в реверсивном счетчике 13 число Уу накопится быстрее, чем соответствующее число It в дополнительном счетчике 21, тогда сработает дополнитель«ный блок 22 сравнения. Управляемый формирователь 5 тактовых импульсов закроет прерыватель 2 света и через делитель 9 частоты и блок 10 управления закроет вентиль 11 поистечение времени Т/К, где Т - длина такта, ч

Четвертого такта в этом случае не будет, поскольку интенсивность света настолько велика, что шумовые импулвсы создают допустимую погрешность измерения.

Дополнительный блок 22 сравнения через дополнительный дешифратор 23 устанавливает коэффициент деления в дополнительном делителе 24 частоты, равный соответственно id . После устаitoBKH коэффициентов деления в дополнительном делителе 24 частоты отк1ялвается вентиль 18 и импуйьсы от генератора 17 импульсов поступают в основной счетчик 14 и на вычитающий вход реверсивного счетчика 13 через дополнительный делитель 24 частоты. Так как коэффициент деления дополнительного делителя 24 частоты равен К, то время заполнения основного счетчика 14 увеличивается К раз. Это значит, что результат измерения также нормируется к одному циклу.

Изоб-ретение при интенсивности света больше 10 фотонов в секунду позволяет время измерения сократить на 47,5%. Так, например, при автоматическом исследовании процессов атомномолёкулярных столкновений измерение спектров флюоресценции может длиться несколько часов и средняя экономия времени измерения по сравнению с прототипом получается 5-15%.

Формула изобретения

55

Счетчик фотонов, содержащий источ ник света, оптически связанный через прерыватель света, подключенный к формирователю тактовых импульсов, с фотоэлектронньм умножителем, подклю60ченным ко входу дискриминатора, к выходу которого подключены два первых входа двух вентилей, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления, к двум входам которого подключены два выхода блока сравнения кодов, один вход которого соединен с выходом блока установки кодов, а другой - с выходом блока памяти, один вход которого подключен к блоку управления, а другой вход к выходу реверсивного счетчика, установочный вход которого соединен с установочньм входом дешифратора и с выходом блока управления, суммирующий входреверсивного счетчика соединен с выходом первого вентиля, вычитающий вход соединен с выходом элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго вентиля, а выход реверсивного счетчика соединен с первьм входом третьего вентиля, через который генератор импульсов соединен с сигнальным входе первого делителя частоты, выход которого соединен с входом основного счетчика, а установочный вход соединен с выходом дешифратора, второй выход которого соединен с вторым делителем частоты, через который формирователь тактовых импульсов соединен с соответствующим входом блока управления, соответствующий выход которого соединен с установочньм входом основного счетчика, причем вход дешифратора соединен с третьим выходом блока сравнения кодов, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени счета при большой интенсивности света, в него введены дополнительные генератор имлульсов, счетчик, блок сравнения кодов, дешифратор и делитель частоты, причем к первому входу дополнительного блока сравнения кодов подключен выход дополнительного счетчика, вход которого соединен с дополнительнымг нёратором импульсов, квторому входу лополнительного блока сравнения кодов подключен выход реверсивного счетчика, а выход дополнительного блока сравнения кодов подключен к входу дополнительного дешифратора, первый выход которого соединен с формирователем тактовых импульсов, второй выход с дополнительныл делителем частоты, через который сигнальный вход первого делителя.частоты соединен с вторым вхбдом элемента ИЛИ, а третий выход - .с блоком управления, один из выходов которого соединен со входом дополнительного счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент..США 3972626, кл. G 01 J i/44, опублик. 1976.

. 2. Авторское свидетельство СССР по заявке №2747154, кл, G 01 Т 1/44 1980 (прототип).