DD205522B5

DD205522B5 - Arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single-photon counting

Info

Publication number: DD205522B5
Application number: DD24020182A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Dipl-Ing Dr Becker
Original assignee: Wolfgang Dipl-Ing Dr Becker
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1982-05-26
Publication date: 1994-06-23
Also published as: DD205522A1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen bzw. von Lumineszenzabklingzeiten. Sie gewahrleistet sehr hohe Empfindlichkeit bei hoher Zeitauflosung und ist deshalb besonders fur Messungen bei extrem niedriger Konzentration der untersuchten Substanz sowie zur Untersuchung von Stoffen mit geringer Lumineszenzquantenausbeute geeignet. Das betrifft insbesondere Probleme der Fotochemie und -physik und der Molekularbiologie.The invention relates to an arrangement for measuring Lumineszenzabklingfunktionen or Lumineszenzabklingzeiten. It ensures very high sensitivity with high time resolution and is therefore particularly suitable for measurements at extremely low concentrations of the substance under investigation and for the investigation of substances with low Lumineszenzquantenausbeute. This concerns in particular problems of photochemistry and physics and molecular biology.

Characteristic of the known technical solutions

Alle bekannten Verfahren zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen beruhen auf der Bestrahlung des Meßobjektes mit einem zeitlich veränderlichen Anregungslicht und der Messung des daraufhin vom Meßobjekt abgestrahlten Lumineszenzlichtes Das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Registrierung des Meßlichtes ist dabei auch bei einem idealen, vonAll known methods for measuring Lumineszenzabklingfunktionen based on the irradiation of the test object with a time-varying excitation light and the measurement of the then emitted from the test object luminescence The signal-to-noise ratio in the registration of the measuring light is also at an ideal, of

eigenen Rauschquellen freien Empfänger durch die Quantenstruktur des Lichtes begrenzt und bei Mittelung des Signales über mehrere Anregungsperioden in der Meßzeit Town noise sources free receiver limited by the quantum structure of the light and when averaging the signal over several excitation periods in the measuring time T.

SNRSNR

— у Im ' ' T K- у Im '' T K

Dabei ist l_m die zeitlich gemittelte Intensität des Meßlichtes in Photonen pro Sekunde, At die Zeitauflösung, τ die Lumineszenzabklingzeit und K ein Faktor, der angibt, welcher Anteil der auf den Empfänger fallenden Photonen vom Meßsystem tatsächlich verarbeitet wird.Here, l _{m is} the time-averaged intensity of the measuring light in photons per second, At the time resolution, the luminescence decay time τ and K is a factor that indicates what proportion of the light incident on the receiver photons is actually processed by the measuring system.

Um auch bei hoher Zeitauflösung, d.h. bei kleinem At, noch ein großes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, muß offenbar für große Werte von l_m und K gesorgt werden. l_m kann nur durch Erhöhung der Intensität des Anregungslichtes, der Faktor K vor allem durch ein optimiertes Meßverfahren erhöht werden. Alle bekannten Meßverfahren können unter diesem gemeinsamen Gesichtspunkt betrachtet werden.In order to achieve a high signal-to-noise ratio even at high time resolution, ie at low At, it must obviously be ensured for large values of 1 _m and K. l _m can be increased in particular by optimizing the measuring method only by increasing the intensity of the excitation light, the factor K. All known measuring methods can be considered from this common point of view.

Bei den geforderten Zeitauflösungen im ns- und ps-Bereich kommen zur Registrierung des Meßlichtes folgende elektronische Verfahren in Betracht:For the required time resolutions in the ns and ps ranges, the following electronic methods are suitable for registering the measuring light:

1. Sampling- bzw. Boxcarmethoden1. Sampling or boxing methods

Die Probe wird mit einem kurzen Lichtimpuls periodisch angeregt. Das vom Lichtempfänger gelieferte Signal wird mit einer Torschaltung in jeder Periode genau einmal abgetastet. Die Abtastdauer ist klein gegen die charakteristischen Zeiten des Signales, so daß bei zeitlicher Verschiebung des Abtastpunktes aus den gewonnenen Abtastwerten der Signalverlauf rekonstruiert werden kann (W. Becker u.a., Exp. Techn. Phys. 23 [1975]/3, 297-306). Durch das Abtastverfahren wird der Ausnutzungsfaktor K sehr klein, so daß solche Meßmethoden für Lumineszenzmessungen nur in Verbindung mit der hohen Anregungsintensität von Impulslasern geeignet sind.The sample is periodically excited with a short pulse of light. The signal supplied by the light receiver is sampled exactly once with a gate in each period. The sampling duration is small compared to the characteristic times of the signal, so that the signal waveform can be reconstructed from the sampled values obtained when the sampling point is shifted in time (W. Becker et al., Exp. Techn. Phys. 23 [1975] / 3, 297-306). , By the sampling method, the utilization factor K is very small, so that such measurement methods are suitable for luminescence only in conjunction with the high excitation intensity of pulse lasers.

Die erreichbare Zeitauflösung wird durch die Breite der Impulsantwort des Lichtempfängers bestimmt und liegt bei Photo-Sekundärelektronenvervielfachern (SEV) bei 10"⁹s, bei Halbleiterphotodioden zwischen 10~¹⁰ und 10~⁹s.The achievable time resolution is determined by the width of the pulse response of the light receiver and is at photoresist photomultiplier tubes (SEV) at 10 " ⁹ s, in semiconductor photodiodes between 10 ~ ¹⁰ and 10 ~ ⁹ s.

2. Phasenfluorometer2nd phase fluorometer

Hier wird die Phasenverschiebung zwischen dem Lumineszenzlicht und einem periodischen Anregungslicht gemessen (E. P. Resewitz, E. Lippen, Ber. Bunsenges. phys. Chem.78 [1974] 1 227).Here, the phase shift between the luminescent light and a periodic excitation light is measured (E. P. Resewitz, E. Lips, Ber. Bunsenges, Phys. Chem. 78 [1974] 1 227).

Ein Nachteil der Methode besteht darin, daß zur Ermittlung charakteristischer Parameter der gesuchten Abklingfunktion aus der Phasenverschiebung Annahmen über die Form dieser Funktion gemacht werden müssen. Vor allem bei mehreren überlagerten Effekten (z. B. bereits durch gestreutes Anregungslicht) können deshalb leicht Fehlmessungen auftreten. Phasenfluorometer werden deshalb meist nur noch für Messungen im Bereich sehr kurzer Abklingzeiten benutzt, der mit den anderen Methoden bisher nicht zugänglich ist. Der Photonenausnutzungsfaktor K liegt beim Phasenfluorometer nahe bei 1. Bei Anregungsfrequenzen in der Größenordnung von 100MHz, wie sie mit modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern leicht erreicht werden können, lassen sich Zeitauflösungen bis 10~¹¹ s erreichen (K. Berndt, K.Junge, E. Klose- Proc. XIV Intern. Congr. High Speed Photogr. and Photonics - Moskau, UdSSR, Okt. 80).A disadvantage of the method is that assumptions about the form of this function have to be made in order to determine characteristic parameters of the sought-after decay function from the phase shift. Especially with several superimposed effects (eg already by scattered excitation light), therefore, incorrect measurements can easily occur. Phase fluorometers are therefore mostly used only for measurements in the range of very short cooldowns, which is not yet accessible with the other methods. At the phase fluorometer, the photon utilization factor K is close to 1. At excitation frequencies in the order of 100 MHz, which can be easily achieved with mode-locked continuous lasers, time resolutions up to 10 ~ ¹¹ s can be achieved (K. Berndt, K. Jung, E. Klose - Proc. XIV International Congr. High Speed Photogr. And Photonics - Moscow, USSR, Oct. 80).

Die Grenze ist dadurch gegeben, daß die Übertragungsfunktion aller Lichtempfänger geringfügig von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, so daß systematische Fehler in der Größenordnung von 10ps auftreten.The limit is given by the fact that the transfer function of all the light receiver depends slightly on the wavelength of light, so that systematic errors in the order of 10ps occur.

3. Einzelphotonenzählung3. Single photon counting

Diese Methode beruht auf der impulsmäßigen Anregung der Lumineszenz und der Registrierung einzelner Photonen mit einem SEV. Die Photonen werden nach ihrer zeitlichen Lage in bezug auf die Anregungsimpulsfolge sortiert in einem Digitalspeicher summiert. Unter der Bedingung, daß die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens von zwei Photonen pro Anregungsimpuls ausreichend gering ist, erhält man im Speicher die zeitliche Dichtefunktion der Photonen und damit die gesuchte Zeitfunktion des Lichtes (S.Cova, M.Bertalaccini, C. Bussolati, Phys. stat. sol. [a] 18 [1973], 11-62).This method is based on the pulsed excitation of luminescence and the registration of single photons with an SEV. The photons are summed according to their temporal position with respect to the excitation pulse sequence sorted in a digital memory. Under the condition that the probability of the arrival of two photons per excitation pulse is sufficiently small, one obtains in the memory the temporal density function of the photons and thus the sought time function of the light (S.Cova, M. Bertalaccini, C. Bussolati, Phys sol. [a] 18 [1973], 11-62).

Technisch wird das Verfahren in folgender Weise gelöst. Der Zeitpunkt der Registrierung eines Photons im SEV wird aus dem vom SEV gelieferten Einzelphotonenimpuls durch eine geeignete Triggerschaltung zunächst möglichst genau bestimmt. Als zeitliche Bezugspunkte zur Synchronisation des Meßvorganges dienen Impulse, die aus den Lichtimpulsen der Anregungslichtquelle abgeleitet werden. Die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Photons und einem Synchronisationsimpuls wird durch einen Zeit-Amplituden-Konverter in eine proportionale Spannung umgewandelt. Aus dieser Spannung wird in einem Analog-Digital-Konverter eine Zahl erzeugt, die zur Adressierung eines Speicherplatzes in einem Digitalspeicher dient. Auf dem adressierten Speicherplatz wird eine 1 addiert, so daß man nach der Registrierung genügend vieler Photonen im Speicher die zeitliche Verteilung der Photonendichte gewinnt.Technically, the method is solved in the following way. The time of registration of a photon in the SEV is first determined as accurately as possible from the single photon pulse delivered by the SEV by means of a suitable trigger circuit. As temporal reference points for the synchronization of the measuring process serve pulses that are derived from the light pulses of the excitation light source. The time difference between the occurrence of the photon and a synchronization pulse is converted into a proportional voltage by a time-amplitude converter. From this voltage, a number is generated in an analog-to-digital converter, which serves to address a memory location in a digital memory. On the addressed memory space, a 1 is added, so that after the registration of enough photons in the memory, the temporal distribution of the photon density is gained.

Nach beendeter Messung kann diese Funktion entweder direkt digital oder über einen Digital-Analog-Wandler als Analogsignal aus dem Speicher ausgelesen werden.After completion of the measurement, this function can be read either directly digital or via a digital-to-analog converter as an analog signal from the memory.

Das Verfahren ermöglicht einen hohen Photonenausnutzungsfaktor, der sich bei schwachen Lichtsignalen asymptotisch an den Wert 1 annähert. Die Zeitauflösung wird durch Laufzeitstreuungen der Elektronen im SEV und durch die elektronisch erreichbare Triggergenauigkeit bestimmt und liegt bei 100...300ps.The method allows a high photon utilization factor, which approaches asymptotically to the value 1 with weak light signals. The time resolution is determined by propagation delays of the electrons in the SEV and by the electronically achievable trigger accuracy and is 100 ... 300ps.

DasVerfahrenwird in Verbindung mit ns-Blitzlampen als Anregungslichtquelle gut beherrscht. Die Anregungsintensität ist dabei allerdings so gering, daß Lumineszenzmessungen mit Boxcarmethoden und Impulslaseranregung bessere Empfindlichkeiten liefern. Außerdem sind Impulsdauern unter 1 ns mit Blitzlampen kaum zu erreichen, so daß die hohe Zeitauflösung des Meßverfahrens nicht ausgenutzt wird.The method is well-controlled in conjunction with ns flash lamps as an excitation light source. However, the excitation intensity is so low that luminescence measurements with box carcinoma methods and pulsed laser excitation provide better sensitivities. In addition, pulse durations less than 1 ns with flash lamps are difficult to achieve, so that the high time resolution of the measuring method is not utilized.

Außerordentlich attraktiv ist dagegen die Kombination der Einzelphotonenzählung mit modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern (A.Muenter, J. Phys. Chem. 80 [1976], 2178).On the other hand, the combination of single photon counting with mode-locked continuous lasers (A.Muenter, J. Phys. Chem. 80 [1976], 2178) is extremely attractive.

Diese Laser ermöglichen je nach Typ Impulsbreiten von 10~¹²... 10~^l0s und erreichen gleichzeitig von allen verwendbaren Anregungslichtquellen die höchste mittlere Leistung. Das Produkt von Anregungsintensität l_m und Photonenausnutzungsfaktor K wird dadurch außerordentlich groß.Depending on the type, these lasers allow pulse widths of 10 ~ ¹² ... 10 ~ ^10s and at the same time achieve the highest average power of all usable excitation light ^sources . The product of excitation intensity l _m and photon utilization factor K thereby becomes extremely large.

Es ist deshalb eine extrem hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Zeitauflösung zu erwarten.It is therefore to expect an extremely high sensitivity with high time resolution.

Die Impulsfolgefrequenz der modensynchronisierten kontinuierlichen Laser führt auf der Nachweisseite zu Schwierigkeiten, die einen breiten Einsatz der Photonenzählung in Verbindung mit diesen Lasern bisher verhindert haben. Bekannte Realisierungen des Meßverfahrens haben folgende Nachteile:The pulse repetition frequency of the mode-locked continuous laser leads to difficulties on the detection side, which have hitherto prevented the widespread use of the photon counting in connection with these lasers. Known realizations of the measuring method have the following disadvantages:

1. Durch die begrenzte Zählrate der Nachweiselektronik (typische Werte liegen bei 10⁶s~¹) können die registrierten Lumineszenzphotonen nur bei extrem schwach lumineszierenden Proben vollständig erfaßt werden. Bei höheren Lichtintensitäten sinkt der Photonenausnutzungsfaktor K ab und die Meßzeit wird unnötig verlängert.1. Due to the limited counting rate of the detection electronics (typical values are 10 ⁶ s ^-1 ), the registered luminescence photons can only be detected completely in extremely weakly luminescent samples. At higher light intensities, the photon utilization factor K decreases and the measurement time is unnecessarily prolonged.

2. Bei geringen Lichtintensitäten, die noch einen Ausnutzungsfaktor K = 1 erlauben, d. h. bei denen die Empfindlichkeit der Methode voll zur Geltung kommt, stören bereits die unvermeidbaren Dunkelimpulse des SEV. Diese führen zu einer Verschiebung der Grundlinie des Meßergebnisses und somit zu Auswertungsproblemen. Die erreichbaren Empfindlichkeiten sind weiterhin durch gestreutes Anregungslicht begrenzt.2. At low light intensities, which still allow a utilization factor K = 1, d. H. in which the sensitivity of the method comes to full advantage, already disturb the unavoidable dark pulses of the SEV. These lead to a shift of the baseline of the measurement result and thus to evaluation problems. The achievable sensitivities are further limited by scattered excitation light.

3. Es ist nur die Darstellung von weniger als einer Anregungsperiode möglich. Lumineszenzen mit längerer Abklingzeit lassen sich damit ebenso wie solche mit extrem kurzen Abklingzeiten schlecht untersuchen.3. Only the representation of less than one excitation period is possible. Luminescences with a longer cooldown can thus be poorly examined, as well as those with extremely short cooldowns.

4. Die Zeitauflösung wird durch ungenaue Synchronisation der Messung mit der Laserimpulsfolge beeinträchtig. Durch die hohe Folgefrequenz der Laserimpulse ist die Energie eines Impulses trotz der hohen durchschnittlichen Lichtleistung relativ gering, und ein z. B. mit einer Photodiode erhaltenes Synchronisationssignal hat einen gewissen Rauschanteil, der zu einem zeitlichen Jitter der Synchronisation führt. Dazu kommen Fehler aus unvermeidbaren Amplitudenschwankungen der Laserimpulse.4. The time resolution is affected by inaccurate synchronization of the measurement with the laser pulse train. Due to the high repetition frequency of the laser pulses, the energy of a pulse is relatively low despite the high average light output, and a z. B. obtained with a photodiode synchronization signal has a certain amount of noise, which leads to a temporal jitter of the synchronization. In addition, errors come from unavoidable amplitude fluctuations of the laser pulses.

5. Bei manchen Lasern ist eine stabile Modensynchronisation schwer zu erreichen. Falls die Modensynchronisation kurzzeitig ausfällt, so daß keine saubere Impulsfolge mehr entsteht, kommt es zu erheblichen Meßfehlern. Zur Messung von extrem kurzen Lumineszenzabklingzeiten muß vom Prinzip der Photonenzählung abgegangen und mit Phasenfluorometern gearbeitet werden. Da jedoch die Phaseninformation, die ein Phasenfluorometerzur Ermittlung von Abklingzeiten im ps-Bereich benutzt, ohne Einschränkung auch im Meßergebnis der Einzelphotonenzählung enthalten ist (gleiche Anregungsbedingungen vorausgesetzt), muß es Möglichkeiten geben, alle über die Phasenfluorometrie zugänglichen Meßergebnisse auch durch Einzelphotonenzählung zu erhalten. Eine solche Erweiterung des Anwendungsbereiches der Einzelphotonenzählung hätte den Vorteil, die Meßmethoden und dam it-gerate der Kurzzeitspektroskopie zu vereinheitlichen.5. For some lasers, stable mode-locking is difficult to achieve. If the mode synchronization fails for a short time, so that no clean pulse train longer arises, it leads to significant measurement errors. To measure extremely short luminescence decay times, it is necessary to depart from the principle of photon counting and to work with phase fluorometers. However, since the phase information used by a phase fluorometer to detect ps-range cooldowns is also included in the single-photon measurement result without limitation (assuming equal excitation conditions), there must be opportunities to obtain all measurements accessible via phase fluorometry by single-photon counting as well. Such an extension of the field of application of single photon counting would have the advantage of standardizing the measuring methods and dam it-gerate of the short-time spectroscopy.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung verfügbar zu haben zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen bzw. von charakteristischen Parametern davon nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung mit kontinuierlichen modensynchronisierten Lasern als Anregungslichtquelle. Dabei sollen für extreme Anwendungen ausreichende Empfindlichkeit und Zeitauflösung erreicht werden.The object of the invention is to have an arrangement available for measuring luminescence decay functions or characteristic parameters thereof according to the principle of time-correlated single photon counting with continuous mode-locked lasers as the excitation light source. In this case, sufficient sensitivity and time resolution should be achieved for extreme applications.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei zeitaufgelösten Lumineszenzmessungen nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung unter Verwendung von modensynchronisierten kontinuierlichen Lasern eine Anordnung mit wesentlich vergrößerter Meßgenauigkeit, vergrößertem Signal-Rausch-Verhältnis und erhöhter Zeitauflösung zu schaffen. Dazu sind eine exakte Synchronisation des Meßvorganges mit der Laserimpulsfolge auch bei verrauschtem Synchronisationssignal und bei kurzzeitigen Amplitudenschwankungen der Laserimpulse zu gewährleisten, im Ergebnis mehr als eine Anregungsperiode darzustellen, die maximale Zählrate der Nachweiselektronik zu erhöhen, den Einfluß der Dunkelimpulse des SEV und des gestreuten Anregungslichtes zu kompensieren und Möglichkeiten zur direkten Signalverarbeitung im Meßsystem zu schaffen und damit die Ermittlung von Parametern der Abklingfunktion mit der gleichen Zeitauflösung und Genauigkeit wie bei Phasenfluorometern zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst:The invention has for its object to provide in time-resolved luminescence measurements on the principle of time-correlated single photon counting using mode-locked continuous lasers an arrangement with much greater accuracy, increased signal-to-noise ratio and increased time resolution. For this purpose, an exact synchronization of the measuring process with the laser pulse train to ensure even with noisy synchronization signal and short-term amplitude fluctuations of the laser pulses to represent more than one excitation period, to increase the maximum count rate of the detection electronics, the influence of the dark pulses of the SEV and the scattered excitation light To compensate and provide opportunities for direct signal processing in the measuring system and thus allow the determination of parameters of the decay function with the same time resolution and accuracy as phase fluorometers. This object is achieved according to the invention by the following measures:

Eine exakte Synchronisation des Meßvorganges auch bei gestörtem Synchronisationssignal wird durch Störbefreiung mittels eines Phasenregelkreises (PLL) erreicht.An exact synchronization of the measuring process even with disturbed synchronization signal is achieved by noise immunity by means of a phase locked loop (PLL).

Der Phasenregelkreis besteht aus einem spannungsgesteuerten Oszillator, einem Phasendetektor und einem Tiefpaßfilter. Die Phase der vom Oszillator erzeugten Schwingung wird im Phasendetektor mit der Phase des Eingangssignales verglichen. Der Phasendetektor liefert eine Steuerspannung, die über das Tiefpaßfilter den Oszillator solange nachregelt, bis die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Oszillatorsignal konstant bzw. bei einem integrierenden Anteil der Tiefpaßfunktion Null wird. Da kurzzeitige Störungen vom Tiefpaß unterdrückt werden, ist das Phasenjitter der Oszillatorschwingung wesentlich kleiner als das des Eingangssignales. Damit ist eine gute Synchronisation des Meßvorganges auch bei gestörtem Eingangs-Synchronisationssignal gewährleistet.The phase locked loop consists of a voltage controlled oscillator, a phase detector and a low pass filter. The phase of the oscillation generated by the oscillator is compared in the phase detector with the phase of the input signal. The phase detector supplies a control voltage, which re-adjusts the oscillator via the low-pass filter until the phase difference between the input and oscillator signal becomes constant or zero for an integrating component of the low-pass function. Since short-term disturbances are suppressed by the low-pass filter, the phase jitter of the oscillator oscillation is much smaller than that of the input signal. For a good synchronization of the measuring process is guaranteed even with disturbed input synchronization signal.

Eine Darstellung von mehreren Signalperioden wird durch eine Frequenzteilung des Synchronisationssignales erreicht. Diese Frequenzteilung kann entweder durch den PLL selbst erfolgen oder mit einem nachgeschalteten Frequenzteiler. Zwischen Analog-Digital-Wandler und Speicher wird ein Adressenregister zur Zwischenspeicherung der Adresse eingefügt. Damit wird erreicht, daß während der Verarbeitung eines registrierten Photons im Speicher, d. h. während des Lesens des Speicherplatzes, der +1-Addition und während des anschließenden Schreibens bereits für das nächste registrierte Photon die A-D-Wandlung ablaufen kann. Da die Analog-Digital-Wandlung und der Speicherzugriff die zeitaufwendigsten Schritte der Signalverarbeitung sind, ergibt sich durch diese zeitlich verschachtelte Betriebsweise eine Erhöhung der maximalen Registrierrate. Die Registrierrate wird weiterhin dadurch erhöht, daß das Ausgangssignal des Zeit-Amplituden-Konverters durch einen Fenster-Diskriminator mit einstellbaren Schwellen überwacht wird. Die weitere Verarbeitung eines Photons wird nur dann durchgeführt, wenn die Ausgangsspannung des Zeit-Amplituden-Konverters im gewünschten Bereich zwischen beiden Diskriminatorschwellen liegt. Dadurch werden nur solche Photonen verarbeitet, die in einem gewissen, für die Messung vorgegebenen Zeitintervall liegen. Alle anderen Photonen lösen keine A-D-Wandlung und keinen Speicherzugriff aus, so daß diese zeitaufwendigen Schritte für „uninteressante" Photonen eingespart werden.A representation of several signal periods is achieved by a frequency division of the synchronization signal. This frequency division can be done either by the PLL itself or with a downstream frequency divider. Between the analog-to-digital converter and memory, an address register is inserted for buffering the address. This ensures that during processing of a registered photon in memory, i. H. during the reading of the memory location, the + 1 addition and during the subsequent writing already for the next registered photon the A-D conversion can proceed. Since the analog-to-digital conversion and the memory access are the most time-consuming steps of the signal processing, results from this temporally interleaved operation, an increase in the maximum registration rate. The registration rate is further increased by monitoring the output of the time-to-amplitude converter by a window discriminator with adjustable thresholds. The further processing of a photon is only performed when the output voltage of the time-amplitude converter is in the desired range between the two discriminator thresholds. As a result, only those photons are processed that are within a certain time interval predetermined for the measurement. All other photons do not trigger A-D conversion and memory access, thus saving these time-consuming steps for "uninteresting" photons.

Zur Eliminierung der Dunkelimpulse des SEV und des gestreuten Anregungslichtes wird abwechselnd die zu messende Probe und eine Vergleichssubstanz (z. B. eine Küvette, die nur das Lösungsmittel enthält) vom Anregungslicht bestrahlt. Das Lumineszenzlicht + Streulicht der Probe und das Streulicht der Vergleichssubstanz werden abwechselnd auf den Empfänger gegeben. Der SEV liefert dann abwechselnd Impulse, die vom Meßlicht + Streulicht oder vom Streulicht erzeugt werden. Dazu kommen Dunkelimpulse, deren Häufigkeit in beiden Fällen gleich ist. Eine Eliminierung des Störsignales ist dadurch möglich, daß der Adressenbereich des Speichers synchron mit der Lichtumschaltung umgeschaltet wird. Meß- und Störsignal gelangen so in verschiedene Speicherbereiche und können anschließend subtrahiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Kompensation besteht darin, beim Speicherzugriff jeweils zwischen einer Addition und einer Subtraktion umzuschalten, so daß die vom Störsignal erzeugten Registrierungen unmittelbar subtrahiert werden. Sollen lediglich die Dunkelimpulse des SEV eliminiert werden, wird das Anregungslicht nur periodisch unterbrochen. Die während der Unterbrechung erhaltenen Registrierungen d.h. die Dunkelimpulse-werden nach einer der o.g. Methoden subtrahiert, so daß sich bei gleicher Zeitdauer von Einstrahlung und Unterbrechung des Lichtes die Dunkelimpulse im Mittel wegsubtrahieren.To eliminate the dark pulses of the SEV and the scattered excitation light, the sample to be measured and a reference substance (eg a cuvette containing only the solvent) are alternately irradiated by the excitation light. The luminescent light + scattered light of the sample and the scattered light of the comparison substance are alternately applied to the receiver. The SEV then alternately delivers pulses generated by the measuring light + scattered light or the scattered light. In addition there are dark impulses whose frequency is the same in both cases. An elimination of the interference signal is possible in that the address range of the memory is switched in synchronism with the light switching. Measuring and interfering signal thus reach different memory areas and can then be subtracted. Another possibility of the compensation is to switch during memory access between an addition and a subtraction, so that the registrations generated by the interference signal are subtracted directly. If only the dark pulses of the SEV are to be eliminated, the excitation light is interrupted only periodically. The registrations received during the interruption, i. the dark pulses are detected after one of the o.g. Subtracts methods so that subtract the dark pulses on average for the same period of irradiation and interruption of light.

Zur Ermittlung der Parameter extrem schnell verlaufender Abklingvorgänge werden das Lumineszenzsignal und das Anregungslicht selbst nacheinander aufgenommen und in verschiedenen Speicherbereichen abgespeichert. Zur Ermittlung der gesuchten Funktionsparameter dient ein im Meßsystem enthaltenes Mikrorechnersystem. Der Mikroprozessor kann über einen vorgegebenen Adressenbereich direkt zum Speicher des Meßsystems zugreifen. Damit ist die Verarbeitung der Meßwerte nach den im ROM gespeicherten Programmen möglich.To determine the parameters of extremely fast decay processes, the luminescence signal and the excitation light are themselves recorded one after the other and stored in different memory areas. A microcomputer system included in the measuring system serves to determine the sought-after functional parameters. The microprocessor can access directly to the memory of the measuring system via a predetermined address range. This makes it possible to process the measured values according to the programs stored in the ROM.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Das elektronische Prinzip des Meßsystems ist in Fig. 1 dargestellt.The invention will be explained below using an exemplary embodiment. The electronic principle of the measuring system is shown in FIG.

Der zur Anregung dienende Laserstrahl L wird in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil regt die Lumineszenz im Meßobjekt M an, mit dem anderen Teil wird in der Fotodiode FD ein Synchronisationssignal erzeugt, das zur Synchronisation des Phasenregelkreises (PLL) dient. Das Oszillatorsignal des Phasenregelkreises steuert einen Frequenzteiler an, an dessen Ausgang wahlweise die Impulsfolgefrequenz des Lasers selbst oder ein ganzzahliger Bruchteil davon zur Verfügung steht. Das gewählte Teilerverhältnis bestimmt die Anzahl der erfaßten Signalperioden. PLL mit getrenntem Frequenzteiler ist zwar aufwendiger als eine über den Phasenvergleich von Oberwellen mögliche direkte Frequenzteilung im PLL; hat aber den Vorteil, daß das Schleifenfilter des PLL für eine optimale Jitterunterdrückung dimensioniert werden kann.The exciting laser beam L is split into two parts. One part excites the luminescence in the test object M, with the other part a synchronization signal is generated in the photodiode FD, which serves for the synchronization of the phase locked loop (PLL). The oscillator signal of the phase-locked loop controls a frequency divider, at whose output either the pulse repetition frequency of the laser itself or an integral fraction thereof is available. The selected divider ratio determines the number of detected signal periods. Although a PLL with a separate frequency divider is more complicated than a direct frequency division in the PLL which is possible via the phase comparison of harmonics; but has the advantage that the loop filter of the PLL can be dimensioned for optimal jitter suppression.

Die im Meßobjekt erzeugten Lumineszenzphotonen gelangen - normalerweise unter Zwischenschaltung eines optischen Systems OS - auf den Photovervielfacher (SEV), der bei der Registrierung jedes Photons einen verwertbaren Impuls liefert. Da dieser Impuls in seiner Amplitude stark schwankt, schließt sich ein sogenannter Constant-Fraction-Trigger an, der am Ausgang einen definierten Impuls liefert, der unabhängig von der Amplitude des SEV-Impulses zeitlich möglichst genau mit dem Zeitpunkt der Photonenregistrierung korreliert ist.The luminescence photons generated in the test object arrive - normally with the interposition of an optical system OS - on the photomultiplier (SEV), which provides a usable pulse at the registration of each photon. Since this pulse varies greatly in its amplitude, a so-called constant-fraction trigger follows, which supplies a defined pulse at the output, which is correlated with time of the photon registration independently of the amplitude of the SEV pulse.

Durch diesen Impuls wird bei der Registrierung eines Photons der Zeit-Amplituden-Konverter (TAC) gestartet, der eine zeitproportional ansteigende Spannung erzeugt, bis vom Frequenzteiler FT ein Stop-Impuls eintrifft. Von diesem Moment an bleibt die Ausgangsspannung des Zeit-Amplituden-Konverters konstant. Sie ist damit linear mit der zeitlichen Lage des registrierten Photons in bezug auf die Laserimpulsfolge verknüpft.As a result of this pulse, when a photon is registered, the time-amplitude converter (TAC) is started, which generates a time-proportional rising voltage until a stop pulse arrives from the frequency divider FT. From this moment on, the output voltage of the time-amplitude converter remains constant. It is thus linearly associated with the temporal position of the registered photon with respect to the laser pulse train.

Die erzeugte Spannung wird durch einen Fenster-Diskriminator DIS überwacht. Diese Baugruppe besteht aus zwei Komparatoren mit einer anschließenden Verknüpfungslogik und gibt immer dann ein Signal ab, wenn die angelegte Spannung nicht zwischen den einstellbaren Schaltschwellen der beiden Komparatoren liegt. Das bedeutet, daß das registrierte Photon nicht in dem interessierenden Zeitintervall liegt. Ein solches Photon wird deshalb nicht weiter verarbeitet, indem der Analog-Digital-Wandler (ADC) gesperrt und der Zeit-Amplituden-Konverter (TAC) sofort zurückgestellt wird. Das Meßsystem ist damit unmittelbar zur Verarbeitung des nächsten Photons bereit.The generated voltage is monitored by a window discriminator DIS. This module consists of two comparators with a subsequent logic link and outputs a signal whenever the applied voltage is not between the adjustable switching thresholds of the two comparators. This means that the registered photon is not in the time interval of interest. Therefore, such a photon is not further processed by turning off the analog-to-digital converter (ADC) and immediately resetting the time-amplitude converter (TAC). The measuring system is thus ready to process the next photon.

Für Photonen, die im geforderten Zeitintervall liegen, wird nach dem Stop des Zeit-Amplituden-Konverters der Analog-Digital-Wandler (ADC) gestartet. Nach beendeter A-D-Wandlung wird die erzeugte Binärzahl in das Adressenregister AR übernommen, dessen Ausgangssignal im Speicher MEM einen Speicherplatz anwählt, der dem Zeitpunkt der Photonenregistrierung entspricht. Die Adresse wird aus der vom A-D-Wandler erzeugten Binärzahl und einem oder mehreren zusätzlichen Bits gebildet. Über diese Bits ist eine Umschaltung des Adressenbereiches möglich, in dem die Meßkurve eingespeichert wird. Damit können parallel die Signale aus der eigentlichen Messung und aus der Vergleichsregistrierung und danach nötigenfalls der Aufnahme des Anregungslichtes abgespeichert werden. Der Inhalt des adressierten Speicherplatzes wird über den Speicherausgang 0 gelesen und einer Additions/Subtraktions-Schaltung AS zugeführt, die gleichzeitig Speichereigenschaften hat. Der Speicherinhalt wird hier zunächst gespeichert, anschließend wird in Abhängigkeit von einem angelegten Steuersignal S 2 entweder eine 1 addiert oder eine 1 subtrahiert. Das Ergebnis wird dem Eingang I des Speichers zugeführt und neu eingespeichert. Die Schaltung A/S kann sehr günstig durch einen Vorwärts/Rückwärts-Zähler gebildet werden. Der Zähler wird zuerst mit dem Speicherinhalt geladen, dann wird einmal vorwärts bzw. rückwärts gezählt und damit die Addition bzw. Subtraktion erreicht. Ist die Schaltung A/S durch S2 auf Addition geschaltet, so erhält man im Speicher die zeitliche Verteilung der Lumineszenz-Photonen, noch „verunreinigt" durch Streulichtanteile und Dunkelimpulse des SEV.For photons which are in the required time interval, the analog-to-digital converter (ADC) is started after the stop of the time-amplitude converter. After completion of the A-D conversion, the generated binary number is taken over in the address register AR whose output signal in the memory MEM selects a memory location corresponding to the time of the photon registration. The address is formed from the binary number generated by the A / D converter and one or more additional bits. By means of these bits it is possible to switch over the address range in which the measuring curve is stored. Thus, the signals from the actual measurement and from the comparison registration and, if necessary, the recording of the excitation light can be stored in parallel. The content of the addressed memory location is read via the memory output 0 and fed to an addition / subtraction circuit AS, which simultaneously has memory properties. The memory contents are stored here first, then either a 1 is added or a 1 is subtracted as a function of an applied control signal S 2. The result is fed to the input I of the memory and re-stored. The circuit A / S can be formed very favorably by a forward / backward counter. The counter is first loaded with the memory contents, then counted forward or backward once and thus the addition or subtraction is achieved. If the circuit A / S is switched to addition by S2, then the temporal distribution of the luminescence photons is obtained in the memory, still "contaminated" by stray light components and dark pulses of the SEV.

Eine Unterdrückung des Streulichtes und der Dunkelimpulse ist über eines der beiden Steuersignale S1 oder S2 im Zusammenwirken mit einem optischen System nach Fig. 2 möglich. Diebeiden Spiegel Sp3 und Sp4sind auf einer gemeinsamen Welle befestigt und werden schrittweise um jeweils 180° gedreht. Das kann z.B. über einen geeignet gesteuerten Schrittmotor SM geschehen. Der Laserstrahl L trifft dadurch abwechselnd die Küvette K1, die die Meßsubstanz enthält und die Vergleichsküvette K2. Das von der jeweils bestrahlten Küvette ausgehende Licht gelangt über die Linsen L1 bzw. L2 und die Spiegel Sp 1 und Sp 2 auf den Spiegel Sp 3, der das Licht auf den Eintrittsspalt des Monochromators MC lenkt, an dessen Ausgang der SEV angeordnet ist. (Für Messungen mit verminderter spektraler Auflösung kann der Monochromator auch weggelassen oder durch Filter ersetzt werden.)A suppression of the scattered light and the dark pulses is possible via one of the two control signals S1 or S2 in cooperation with an optical system according to FIG. The two mirrors Sp3 and Sp4 are mounted on a common shaft and are rotated incrementally by 180 ° each. This can e.g. done via a suitably controlled stepper motor SM. The laser beam L thereby alternately hits the cuvette K1, which contains the substance to be measured, and the comparison cuvette K2. The light emanating from the respectively irradiated cuvette passes through the lenses L1 or L2 and the mirrors Sp 1 and Sp 2 onto the mirror Sp 3, which directs the light onto the entrance slit of the monochromator MC, at whose exit the SEV is arranged. (For measurements with reduced spectral resolution, the monochromator can also be omitted or replaced by filters.)

Wenn bei dieser Anordnung eines der beiden Signale S1 oder S 2 synchron mit der Drehung der Spiegel Sp3 und Sp4 umgeschaltet wird, bekommt man Meß- und Störsignal entweder (durch S1) in verschiedenen Speicherbereichen abgespeichert oder (durch S 2) unmittelbar die Differenz beider Signale im gleichen Speicherbereich. Dieser enthält nach Abschluß der Messung dann schon das störbefreite Lumineszenzsignal.If, in this arrangement, one of the two signals S1 or S2 is switched synchronously with the rotation of the mirrors Sp3 and Sp4, measurement and interference signals are either stored (by S1) in different memory areas or (by S2) the difference between the two signals in the same memory area. This contains after completion of the measurement then already the interference-free luminescence signal.

Die Geschwindigkeit der Spiegeldrehung kann relativ gering sein, da die abwechselnde Messung von Nutz- und Störsignal nur bei schwacher Intensität, also bei langer Meßzeit notwendig ist. Im Falle ausreichender Lichtintensität bleiben die Spiegel fest auf die Meßküvette ausgerichtet.The speed of the mirror rotation can be relatively low, since the alternating measurement of useful and interference signal is necessary only at low intensity, ie at a long measuring time. In the case of sufficient light intensity, the mirrors remain firmly aligned with the measuring cuvette.

Das optische System kann vereinfacht werden, wenn auf die Kompensation des Streulichtes verzichtet wird und nur die Dunkelimpulse des SEV unterdrückt werden sollen. In diesem Falle genügt eine rotierende Blende im Anregungsstrahl und eine synchrone Umschaltung der A/S-Schaltung über S2.The optical system can be simplified if the compensation of the scattered light is dispensed with and only the dark pulses of the SEV are to be suppressed. In this case, a rotating aperture in the excitation beam and a synchronous switching of the A / S circuit via S2 are sufficient.

Zur Ermittlung der Parameter extrem schnell verlaufender Abklingvorgänge wird nach dem Meßsignal - in einem besonderen Speicherbereich - auch das Anregungssignal abgespeichert. Dazu wird in das Meßsystem eine spezielle Küvette eingesetzt, der Speicherbereich umgeschaltet und ansonsten wie bei den üblichen Messungen verfahren.In order to determine the parameters of extremely fast decay processes, the excitation signal is also stored after the measurement signal in a special memory area. For this purpose, a special cuvette is used in the measuring system, the storage area switched and otherwise proceed as in the usual measurements.

Dem Meßwertspeicher ist ein Mikrorechner mit direkter Zugriffsmöglichkeit zugeordnet.The measured value memory is assigned a microcomputer with direct accessibility.

Zur Ermittlung extrem kurzer Abklingzeiten kommen vor allem zwei Verfahren in Betracht:To determine extremely short cooldowns, two methods come into consideration:

1. Laser- und Lumineszenzlicht-Impulsfolge werden jeweils in eine Fourierreihe zerlegt. Bei den einzelnen Harmonischen (bei exponentiellem Abklingen genügt die Grundwelle) werden die Phasenverschiebungen zwischen Lumineszenz- und Anregungslicht bestimmt. Daraus lassen sich die gesuchten Parameter der Abklingfunktion ermitteln. Die vom Mikrorechner durchgeführten Operationen sind mit den im Phasenfluorometer ablaufenden elektronischen Vorgängen verwandt. Es werden demzufolge auch die gleichen Genauigkeiten erreicht.1. Laser and luminescence light pulse train are each decomposed into a Fourier series. In the case of the individual harmonics (in the case of exponential decay, the fundamental wave is sufficient), the phase shifts between the luminescence light and the excitation light are determined. From this the desired parameters of the decay function can be determined. The operations performed by the microcomputer are related to the electronic processes occurring in the phase fluorometer. Consequently, the same accuracies are achieved.

2. Eine zweite Möglichkeit besteht in der Simulation einer bestimmten Abklingfunktion. Diese Funktion wird im Rechner mit der gemessenen Laserimpulsfolge gefaltet. Die entstehende Funktion wird mit der erhaltenen Lumineszenzimpulsfolge verglichen, wobei die Parameter der simulierten Funktion solange verändert werden, bis die Abweichungen minimal sind.2. A second possibility is to simulate a specific decay function. This function is folded in the computer with the measured laser pulse sequence. The resulting function is compared with the obtained luminescence pulse sequence, wherein the parameters of the simulated function are changed until the deviations are minimal.

Eine Möglichkeit zur Integration eines Mikrorechners in das Meßsystem ist in Fig. 3 dargestellt.One possibility for integrating a microcomputer in the measuring system is shown in FIG.

Der Rechner selbst besteht aus der Zentraleinheit (CPU), einem Lese-Schreib-Speicher (RAM), dem Lesespeicher (ROM) und einer Eingabe/Ausgabe-Einheit (I/O) sowie dem zugehörigen Bus-System (Steuerbus SB, Adressenbus AB, Datenbus DB). Zur Kopplung mit dem Rechner werden das Adressenregister AR und die Additions-/Subtraktions-Schaltung A/S mitTri-State-Ausgängen versehen. Über die Eingänge DS können die Ausgänge dieser Schaltungen durch ein angelegtes Η-Signal in den inaktiven (Tri-State-) Zustand geschaltet werden, wenn ein Zugriff des Mikrorechnersystems zum Meßspeicher gewünscht wird. Der Zugriff des Mikrorechners zum Meßspeicher erfolgt, nachdem auf dem Mikrorechner-Steuerbus SB das Speicher-Anforderungssignal MREQ den Wert L angenommen hat und gleichzeitig vom Decoder DEC 1 erkannt wird, daß die auf dem Mikrorechner-Adressenbus AB liegende Adresse zu einem Speicherplatz im Speicher MEM des Meßsystems gehört. Sollte zu diesem Zeitpunkt der Speicher MEM gerade vom Meßsystem benötigt werden, so wird der Rechner von der Steuerschaltung des Meßsystems über das Signal WAIT solange in den WAIT-Zustand versetzt, bis die laufende Operation abgeschlossen ist. Anschließend schaltet die Steuerschaltung des Signal MS/MP auf H und gibt das Lese-Schreib-Signal RD vom Mikrorechner-Steuerbus auf den Meßspeicher. Die Ausgänge des Adressenregisters AR und der AdditionS'/Subtraktions-Schaltung werden dadurch gesperrt und die auf dem Mikrorechner-Adressenbus liegende Adresse wird durch den Adressenpuffer TP-A auf den Meßspeicher MEM gegeben.The computer itself consists of the central processing unit (CPU), a read-write memory (RAM), the read-only memory (ROM) and an input / output unit (I / O) and the associated bus system (control bus SB, address bus AB , Data bus DB). For coupling to the computer, the address register AR and the addition / subtraction circuit A / S are provided with tri-state outputs. Through the inputs DS, the outputs of these circuits can be switched by an applied Η signal in the inactive (tri-state) state when an access of the microcomputer system to the measuring memory is desired. The access of the microcomputer to the measuring memory takes place after the memory request signal MREQ has assumed the value L on the microcomputer control bus SB and at the same time the decoder DEC 1 detects that the address lying on the microcomputer address bus AB is allocated to a memory location in the memory MEM belongs to the measuring system. If the memory MEM is currently required by the measuring system at this time, the computer is set by the control circuit of the measuring system via the signal WAIT in the WAIT state until the current operation is completed. Subsequently, the control circuit of the signal MS / MP switches to H and outputs the read-write signal RD from the microcomputer control bus to the measurement memory. The outputs of the address register AR and the addition S '/ subtraction circuit are thereby disabled and the address on the microcomputer address bus is given to the measurement memory MEM by the address buffer TP-A.

Da die meisten Mikroprozessoren mit Datenwortbreiten von 8bit arbeiten, im Meßsystem aber eine größere Wortbreite (16 oder 24bit) günstiger ist, sind zur Übertragung der Daten zwischen Meßspeicher und Mikrorechnersystem ein Multiplexer M und ein Datenselektor S mit Tri-State-Ausgängen notwendig. Diese Schaltungen werden ebenfalls über das Signal MS/MP aktiviert, wobei das auf dem Steuerbus SB vorhandene Signal RD dafür sorgt, daß der Datenselektor S nur bei einem Speicherlesebefehl eingeschaltet wird. Der Decoder DEC2 sorgt dafür, daß das 16- bzw. 24-Bit-Wort des Meßspeichers in 2 oder 3 8-Bit-Worte aufgeteilt wird, die vom Mikrorechner aus über verschiedene Adressen zugänglich sind.Since most microprocessors work with data word widths of 8 bits, but in the measuring system but a larger word length (16 or 24bit) is cheaper, a multiplexer M and a data selector S with tri-state outputs are necessary for the transmission of data between measuring memory and microcomputer system. These circuits are also activated via the signal MS / MP, the signal RD present on the control bus SB ensuring that the data selector S is only switched on during a memory read command. The decoder DEC2 ensures that the 16- or 24-bit word of the measuring memory is divided into 2 or 3 8-bit words that are accessible from the microcomputer via different addresses.

Der Mikrorechner kann so mit dem Meßspeicher in der gleichen Weise arbeiten, wie mit den anderen, der Zentraleinheit (CPU) fest zugeordneten Lese-Schreib-Speichern (RAM) oder Lese-Speichern (ROM). Im allgemeinen wird man allerdings das Programm des Rechners so gestalten, daß Zugriffe zum Meßspeicher möglichst nicht während des laufenden Meßprogramms notwendig sind, denn dadurch würde die Registrierrate des Meßsystems verringert.The microcomputer can thus work with the measuring memory in the same way as with the other, the central processing unit (CPU) permanently assigned read-write memories (RAM) or read-only memories (ROM). In general, however, you will make the program of the computer so that accesses to the measuring memory are not necessary during the current measurement program, because this would reduce the registration rate of the measuring system.

Es sei noch erwähnt, daß die Adressenregister AR und in der Additions-ZSubtraktions-Schaltung ablaufenden Funktionen im Prinzip auch vom Mikrorechner übernommen werden könnten. Mit einer solchen Meßanordnung wäre aber nur dann eine hohe Registrierrate erreichbar, wenn ein sehr schneller Mikrorechner eingesetzt würde. Ein solcher Rechner, der nicht nur eine extrem schnelleZentraleinheit (CPU), sondern auch sehr schnelle Speicher enthalten müßte, ist aber für die eigentliche Verarbeitung der Meßwerte nicht notwendig. Damit bei höheren Registrierraten keine Überschneidungen einzelner Funktionsabläufe auftreten, muß der Arbeitsablauf natürlich durch eine Steuerschaltung ST überwacht werden. Die Steuerung sichert, daß der Zeit-Amplituden-Konverter nach der Registrierung eines Photons gesperrt bleibt, bis der A/D-Wandler (ADC) sein Ergebnis an das Adressenregister AR übergeben hat und zur nächsten Wandlung bereit ist.It should be noted that the address registers AR and in the addition ZSubttraktions circuit running functions could in principle also be taken over by the microcomputer. With such a measuring arrangement, however, a high registration rate would only be achievable if a very fast microcomputer were used. Such a computer, which would have to contain not only an extremely fast central processing unit (CPU) but also very fast memory, is not necessary for the actual processing of the measured values. So that at higher registration rates no overlap of individual functional sequences occur, the workflow must of course be monitored by a control circuit ST. The controller ensures that the time-amplitude converter remains disabled after the registration of a photon until the A / D converter (ADC) has passed its result to the address register AR and is ready for the next conversion.

Andererseits muß die Übergabe der Adresse in das Register AR verzögert werden, falls der Speicher noch mit der Verarbeitung des letzten Photons beschäftigt ist. Durch eine solche Steuerung des Arbeitsablaufes wird erreicht, daß während eines Speicherzugriffs bereits die A/D-Wandlung für das nächste Photon durchgeführt werden kann.On the other hand, the transfer of the address to the register AR must be delayed if the memory is still busy processing the last photon. Such a control of the workflow ensures that during a memory access already the A / D conversion for the next photon can be performed.

Claims

1. An arrangement for measuring luminescence decay functions by time-correlated single photon counting with a mode-locked continuous laser as excitation light source, comprising an optical system for detecting the luminescence light, a photo secondary electron multiplier, a trigger circuit, a time-amplitude converter, a fast analog-to-digital converter, a measured value memory, an assembly for the synchronization of the measurement process with the laser pulse train and a circuit for controlling the workflow, characterized in that the receiver of the synchronization signal, a phase locked loop for noise immunity of this signal and optionally for frequency division or a phase locked loop and a special frequency divider are arranged and Output of the time-amplitude converter is a window discriminator with adjustable thresholds is arranged, with the aid of a time interval for the photon registration can be specified u nd that an address register is connected between the analog-to-digital converter and the measured value memory and that the measured value memory subdivided into areas for the separate storage of measured, comparison and excitation signals has a circuit for on-line correction of the measured values and optionally a microcomputer for its on- Line processing are permanently assigned and contains the optical system between laser and SEV elements for signal switching and for the derivation of control signals.

2. Arrangement according to 1, characterized in that the measured value memory is connected in a loop with a AdditionS '/ subtraction circuit with memory properties, in accordance with a derived from the formed for alternately receiving a measuring and a comparison signal optical system, derived control signal upon registration of a photon, increment or decrement the content of the addressed memory location.

3. Arrangement according to 1 and 2, characterized in that the addition-Z Subtraktions circuit is a forward-ZRückwärts counter.

4. Arrangement according to 1, characterized in that the main element of the optical arrangement for alternately receiving a measuring and a comparison signal is a rotating aperture in the excitation beam.

5. Arrangement according to 1, characterized in that the controllably movable optical system for receiving the measuring and comparison signal elements for alternately guiding the excitation beam to the measuring or a comparison sample and for synchronous feeding either the measuring or the comparison signal to the SEV about a mirror pair switched by a stepper motor.

6. Arrangement according to 1, characterized in that the separate measuring or comparison signal ranges of the measured value memory, a subtraction circuit is arranged downstream.

7. Arrangement according to!., Characterized in that the optionally connected microcomputer takes over the subtraction of the memory area contents.

8. Arrangement according to the first and the second, characterized in that the microcomputer is connected via a decoder of known design with the control circuit of the measuring system and this with to be provided for tri-state outputs of address register and addition / subtraction circuit.