Способ определения временных характеристик счётчика фотонов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЧТЧИКА ФОТОНОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович Тимофеев Александр Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения временных характеристик счетчика фотонов, заключающийся в том, что весь временной интервал измерения выходных импульсов счетчика фотоновразбивают наотдельных, равных по длительности подынтервалов, подсчитывают общее количество импульсовна интервалеи число подынтервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса, вычисляют вероятность образования послеимпульсов измеряют статистическое распределение вероятности временных интервалов между соседними импульсами , по статистическому распределению определяют длительность временного интервала, на котором вероятность появления импульса будет равна нулю,соответствующего длительности мертвого временисчетчика фотонов определяют время 1, соответствующее положению максимума статистического распределения вероятности временных интервалов увеличивают интенсивность оптического излучения, повторяют 16655 1 2012.12.30 измерения статистического распределения вероятности временных интервалов, определяют время 2, соответствующее положению максимума статистического распределения вероятности временных интервалов, сравнивают значения 1 и 2 между собой по наличию смещения максимума зависимостиустанавливают тип мертвого времени вычисляют статистическое распределение вероятности появления послеимпульсовпо формуле, где- достаточно малый промежуток времени определя ют временной интервал, для которого 0, соответствующий времени появления послеимпульсов. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения временных характеристик счетчиков фотонов. Оно может найти применение в оптоэлектронике, ядерной физике, оптике и спектроскопии при изучении процессов, изменяющихся с течением времени. Известные способы измерения временных характеристик счетчиков фотонов 1, 2 не позволяют определить одновременно такие его характеристики, как длительность и тип мертвого времени, вероятность образования послеимпульсов и время их появления. Наиболее близким способом к заявляемому является способ определения вероятности образования послеимпульсов 2. Он заключается в том, что весь временной интервал измерения выходных импульсов счетчика фотонов Т разбивают на М отдельных, равных по длительности подынтервалов, подсчитываютобщее количество импульсов на интервале Т и число подынтервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса, после чего вычисляют вероятность образования послеимпульсов по формуле Однако этот способ не позволяет определить время появления послеимпульсов, длительность и тип мертвого времени . Под мертвым временем понимается такой промежуток временипосле появления на выходе счетчика фотонов импульса, в течение которого он не может зарегистрировать следующий импульс. Различают два типа мертвого времени продлевающееся и постоянное 3. Считают,что счетчик фотонов имеет постоянное мертвое время, если промежуток времениявляется постоянной величиной, не зависящей от интенсивности регистрируемого излучения и скорости счета темновых импульсов. Счетчик фотонов, для которого промежуток временизависит от скорости счета темновых импульсов и интенсивности регистрируемого излучения, имеет мертвое время продлевающегося типа. Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей способа определения вероятности образования послеимпульсов за счет дополнительного определения длительности и типа мертвого времени счетчика фотонов, а также времени появления послеимпульсов. Сущность изобретения заключается в том, что весь временной интервал измерения выходных импульсов счетчика фотонов Т разбивают на М отдельных, равных по длительности подынтервалов, подсчитывают общее количество импульсовна интервале Т и число подынтервалов , на которых не зарегистрировано ни одного импульса, вычисляют вероятность образования послеимпульсов измеряют статистическое распределение вероятности временных интервалов между соседними импульсами , по статистическому распределению определяют длительность временного интервала, на котором вероятность появления импульса будет равна нулю, соответствующего длительности мертвого време 2 16655 1 2012.12.30 нисчетчика фотонов определяют время 1, соответствующее положению максимума статистического распределения вероятности временных интервалов увеличивают интенсивность оптического излучения, повторяют измерения статистического распределения вероятности временных интервалов, определяют время 2, соответствующее положению максимума статистического распределения вероятности временных интервалов, сравнивают значения 1 и 2 между собой по наличию смещения максимума зависимостиустанавливают тип мертвого времени вычисляют статистическое распределение вероят ности появления послеимпульсовпо формуле, где достаточно малый промежуток времени определяют временной интервал, для которого 0, соответствующий времени появления послеимпульсов. При измерении статистического распределения вероятности временных интервалов между соседними импульсамив счетчике фотонов из-за наличия мертвого времени будут существовать временные интервалы, на которых вероятность появления импульса будет равна нулю. Длительность этого интервала времени равняетсядлительности мертвого времени счетчика фотонов. Зависимостьимеет максимум. Значение этого максимума соответствует некоторому времени 1. Так как для счетчиков фотонов с продлевающимся мертвым временем величинаувеличивается с ростом интенсивности подсветки, то и положение максимума зависимостибудет смещаться в сторону больших значений времени при увеличении интенсивности оптического излучения. Для счетчиков фотонов с постоянным мертвым временем такого эффекта наблюдаться не будет. Поэтому по наличию смещения максимума зависимостиможно судить о типе мертвого времени. Поскольку послеимпульсы возникают в счетчике фотонов вслед за импульсами, образованными фотонами регистрируемого излучения или термогенерированными носителями заряда, это приводит к увеличению статистического распределения вероятности временных интерваловв течение времени появления послеимпульсовпо сравнению со счетчиком фотонов без послеимпульсов. Такое увеличение значенийнаблюдается, поскольку в этот промежуток времени 0,где 0 - статистическое распределение вероятности временных интервалов между двумя соседними импульсами в счетчике фотонов без послеимпульсов,- статистическое распределение вероятности появления послеимпульсов. Подпонимают вероятность образования послеимпульсов в некоторый момент временипосле появления импульса,вызванного фотоном регистрируемого оптического излучения или термогенерированным носителем заряда. Согласно 3, вероятность 0 является экспоненциальным распределением, которое описывается как 0(-), где- скорость счета импульсов,достаточно малый промежуток времени. Величинуможно определить на основании способа, описанного в прототипе, найдя вероятность нулевого события (0) и вычислив скорость счета импульсов по формуле 2 где Т - временной интервал измерения, М - число равных по длительности подынтервалов,на которые разбит временной интервал Т,- число подынтервалов, на которых не зарегистрировано ни одного импульса. Тогда значения 0 можно вычислить на основании (2) по формуле Интервал времени, на котором 0, соответствует времени появления послеимпульсов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 показана схема устройства, позволяющего реализовать заявляемый способ, а на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы его работы. Устройство включает в себя фотоприемник Ф, работающий в режиме счета фотонов,коммутирующие устройства К 1 и К 2, таймер Т, генератор тактовых импульсов ГТИ, суммирующие счетчики Сч 1, Сч 3 и вычитающий счетчик Сч 2, -триггеры Т 1, Т 2, Т 3 и Т 5,-триггер Т 4, логические элементы И Л 1 и Л 2, логические элементы ИЛИ Л 3, линию задержки З, регистры Рг 1, Рг 2, Рг 3, Рг 4, ждущий мультивибратор М 1, переключатели П 1 и П 2. Устройство функционирует следующим образом. Переключатели П 1 и П 2 отключены. Весь интервал измерений Т дополнительно разделяется на отдельные более короткие подынтервалы. В общем случае длительность отдельных подынтервалов выбирается близкой к ожидаемому времени появления послеимпульсов, а длительность всего интервала регистрации Т определяется из соображений получения допустимой статистической погрешности измерений. При этом на интервале Т должно укладываться не менее нескольких сотен отдельных подынтервалов. Перед началом цикла измерений суммирующий счетчик Сч 1 сброшен, в вычитающий счетчик Сч 2 заносится число М, равное количеству подынтервалов регистрации, триггеры Т 1, Т 2, Т 3, Т 4, Т 5 сброшены, генератор тактовых импульсов ГТИ выключен. При этом коммутирующее устройство К 1 блокировано низким потенциалом с выхода Т 1. По сигналу Пуск 1, фиксирующему начало цикла измерений, триггер Т 1 устанавливается в единичное состояние и запускается генератор тактовых импульсов ГТИ. В результате снимается блокировка с коммутирующего устройства К 1 и сигналы входного регистрируемого потока импульсов начинают поступать с фотоприемника Ф, работающего в режиме счета фотонов, на суммирующий счетчик Сч 1, триггер Т 2 и схему И Л 1. Таким образом, счетчиком Сч 1 подсчитывается общее количество входных импульсов, поступивших на интервале регистрации, длительность которого определяет таймер Т. Выходной сигнал таймера, появившийся через заданное число тактов генератора, сбросит триггер Т 1, блокируя коммутирующее устройство К и останавливая тактовый генератор ГТИ. Этот же сигнал таймера является признаком окончания первого цикла измерений. Подсчет числа пустых реализаций, т.е. тех подынтервалов, на которых не поступило ни одного входного сигнала, выполняется следующим образом предполагается, что все подынтервалы, число которых предварительно записано в счетчике Сч 2, являются пустыми. Если на текущем подынтервале появится хотя бы один импульс, то из записанного в Сч 2 числа вычитается единица. Делается это с помощью триггера Т 2 и логической схемы И Л 1. Первый появившийся на подынтервале импульс поступает через разблокированный логический вентиль И на счетчик Сч 2 и одновременно переключает своим задним фронтом Т 2 в единичное состояние. При этом сигналом с инверсного выхода Т 2 вентиль И Л 1 блокируется на все оставшееся до окончания данного подынтервала время. Очередной импульс тактового генератора, определяющий окончание подынтервала, сбрасы 16655 1 2012.12.30 вает триггер Т 2 и разрешает поступление следующего входного импульса через Л 1 на вычитающий счетчик, как это показано на временной диаграмме (фиг. 2). Таким образом, в счетчике Сч 1 по окончании цикла измерений фиксируется общее число входных сигналов , а в счетчике Сч 2 - число пустых реализаций . После чего вычисляется величинапо формуле (2). Для более точного измерения временных интервалов между импульсами необходимо увеличить частоту тактового генератора ГТИ на два или более порядка в сравнении с частотой появления темновых импульсов и фотоотсчетов. Включают переключатели П 1 и П 2. По сигналу Пуск 2, фиксирующему момент начала второго цикла измерений временных интервалов между импульсами, триггер Т 5 устанавливается в единичное состояние, снимается блокировка с коммутирующего устройства К 2 и сигналы входного регистрируемого потока импульсов начинают поступать с его выхода на тактовый вход С триггера Т 4. Инвертирующий выход триггера Т 4 соединен с его -входом, поэтому по приходу первого импульса на вход С триггера Т 4 на его прямом выходе появляется высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице. Наличие высокого уровня позволяет импульсам с выхода тактового генератора ГТИ через логический элемент Л 2 поступать на вход счетчика Сч 3, где выполняется подсчет этих импульсов. При поступлении второго импульса на вход С триггера Т 4 на его прямом выходе появляется низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю. Наличие такого уровня не позволяет импульсам с выхода тактового ГТИ через логический элемент Л 2 поступать на вход счетчика Сч 3, и подсчет импульсов этим счетчиком прекращается. При переходе уровня напряжения из высокого в низкое состояние на входе мультивибратора М 1 на его выходе формируется прямоугольный импульс. Этот импульс используется для записи сосчитанного количества импульсов счетчиком Сч 3 в регистр Рг 1. При помощи линии задержки З поступление импульса задерживается на время, необходимое для записи данных в регистр, после чего осуществляется сброс счетчика Сч 3. С приходом импульса на вход С триггера Т 4 начинается подсчет импульсов генератора ГТИ счетчиком Сч 3 до прихода следующего импульса. После чего выполняется запись числа импульсов, подсчитанных счетчиком Сч 3, в регистр Рг 1 и сдвиг данных,записанных ранее в Рг 1, в регистр Рг 2, и сброс счетчика Сч 3. Подсчет импульсов и запись данных в регистры продолжается до тех пор, пока на выходе последнего регистра Рг 4 не появятся данные, соответствующие числу, превышающему нуль. Тогда на выходе логического элемента Л 3 появляется логическая единица, что приводит к появлению высокого уровня напряжения на выходе триггера Т 3 и сбросу триггеров Т 4 и Т 5. В результате чего происходит блокировка К 1 и прекращается второй цикл измерений. С выходов регистров Рг 1, Рг 2, Рг 3 и Рг 4 снимаются данные, по которым можно оценить длительность временных интервалов между соседними импульсами. Отметим, что число регистров может быть увеличено. Для вычисления статистического распределения вероятности временных интервалов необходимо повторить эти измерения второго цикла несколько раз и сформировать массив данных временных интервалов. После чего вычисляют вероятность появления интервала с длительностьюпо формуле где- число интервалов с длительностью ,- общее число интервалов. Отметим, что в случае, когда основной вклад в мертвое время счетчика фотонов вносит фотоприемник, а вкладом регистрирующей аппаратуры можно пренебречь, то предлагаемый способ может быть использован для определения временных характеристик фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов. Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить возможности способа определения вероятности образования послеимпульсов за счет дополнительного опреде 5 16655 1 2012.12.30 ления длительности и типа мертвого времени счетчика фотонов, а также времени затухания послеимпульсов. Источники информации 1. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск Университетское, 1989. - С. 161-163. 2. Патент РБ 9518, МПК 01 1/00,06 1/00,03 21/00, 2007. 3. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М. Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - С. 212-223. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.