DE2543863B2

DE2543863B2 - Einrichtung zur Lichtmessung durch Photonenzählung

Info

Publication number: DE2543863B2
Application number: DE2543863A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. 1000 Berlin Doblhofer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1975-10-01
Filing date: 1975-10-01
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE2543863A1; US4091277A; DE2543863C3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Einrichtung ist aus der Zeitschrift »meßtechnik« 2/72, Seiten 45 bis 49 bekannt Bei dieser bekannten Einrichtung werden die Ausgangssignale eines Photo-Sekundär-Elektronenvervielfachers (Photo-SEV) durch eine Begrenzer-Verstärkerschaltung, die eine Tunneldiode und eine Hot-Carrier-Diode enthält, im wesentlichen begrenzt und über eine Schwellenwertschaltung, einen Vorzähler, eine Diskriminatorschaltung zur Unterdrückung von Dunkelstromimpulsen kleiner Amplitude und eine die Impulse normierende Impulsformerstufe aus einem monostabilen Multivibrator einem die Impulse während eines Meßintervalls zählenden, also zahlenmäßig aufsummierenden Hauptzähler zugeführt. Außer dem digitalen Meßwert werden für Orientierungszwecke auch eine laufende analoge Wertanzeige und gegebenenfalls eine akustische Anzeige erzeugt Hierfür werden die Impulse von der Impulsformerstufe einem analogen Integrator, der eine der Impulsfrequenz entsprechende Spannung erzeugt, zugeführt, dessen Ausgang ein Zeigerinstrument oder ein Analogschreiber angeschlossen ist.

Es ist ferner aus der Zeitschrift »Electro-optical systems design« Juni 1972, Seiten 20 bis 37 ein Photonen zählendes Photometer bekannt, bei dem das Ausgangssignal einer Photo-SEV-Röhre, welches jeweils einzelnen Photonen bzw. Photoereignissen entsprechende Impulse enthält, einer Verstärker-Diskriminator-Schaltung zugeführt wird, in der das Ausgangssignal der Photo-SEV-Röhre auf eine stabile Basislinie gebracht wird. Dieses Signal wird dann einem Verstärker mit Schwellenwert zugeführt, der für jeden Eingangsimpuls, dessen Amplitude den Schwellenwert übersteigt, einen Ausgangsimpuls konstanter Amplitude und Dauer liefert, die unabhängig von der Größe und Dauer der Eingangssignale sind. Dieses normierte Impulssignal wird einer digitalen Anzeigevorrichtung und/oder einem es verarbeitenden Computer und/oder einem zu Eichzwecken dienenden Oszilloskop zugeführt.

Schließlich ist aus der DE-OS 20 03 449 ein Colorimeter mit einer Lichtquelle bekannt, die aus einer Glühlampe besteht Das Licht der Glühlampe fällt durch die zu untersuchende Probe auf eine Photozelle, deren Ausgangssignal über einen als Schalter arbeitenden Auftastkreis und einen Speicher einer Digitalanzeigevorrichtung zugeführt wird. Die Glühlampe wird durch einen Impulsgenerator mit einem Strom gespeist, der, um die Glühlampe zu schonen, allmählich auf den Nennwert ansteigt und dann für eine bestimmte Meßdauer konstant gehalten wird. Der als Schalter dienende Auftastkreis hat hier die Aufgabe, das Ausgangssignal der Photozelle nur während derjenigen Perioden an den Speicher weiterzuleiten, in denen die Glühlampe mit der Nennspannung gespeist wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

ίο Einrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst

Die Einrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich trotz des einfachen Aufbaues durch eine hohe Genauigkeit aus. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich die Schwankungen des Ladungsinhaltes der nur begrenzten, sonst aber nicht weiter normierten Impulse schon bei etwa zehn Impulsen ausmitteln, so daß auf eine zusätzliche Impulsformerstufe, wie einen monostabilen Multivibrator, verzichtet werden kann. Der Schalter ermöglicht es, den Integrator zwischen den zu messenden Lichtimpulsen vom Ausgang des Photo-SEV abzukoppeln. Gekühlte Photo-SEV geben typisch einige zehn Dunkelimpulse pro Sekunde ab. Es ist somit auch ohne DiFkriminatorschaltung möglich, kurze Lichtblitze zu messen, ohne daß normalerweise ein einziger Dunkelimpuls erfaßt wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Einrichtung enthält eine Phot-Sekundärelektronenvervielfacherröhre 10 (im folgenden kurz SEV), die mit einer konventionellen, stabilisierten Spannungsversorgung 12 versehen ist. Die Anode des SEV ist über einen Arbeitswiderstand mit Masse und außerdem mit dem Eingang einer breitbandigen, möglichst überlastungsunempfindlichen Verstärkerschaltung 16 gekoppelt, welche einen Verstärkungsfaktor von ca. 10³ haben kann. Das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung wird über einen Widerstand einem Begrenzer zugeführt, der eine zwischen den Widerstand 18 und Masse geschaltete Zenerdiode enthält. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 18 und der Zenerdiode 20 ist über einen Arbeitskontakt eines ersten Reed- oder Schutzgas-Lamellen-Relais 22 und einen Reihenwiderstand 24 mit dem Eingang eines einen Operationsverstärker enthaltenden Integrators 26 verbunden. Der Integrator integriert die verstärkten und begrenzten Impulse und erzeugt dabei ein integriertes Signal, das der Anzahl der ihm zugeführten Impulse entspricht. Dieses Signal kann durch ein Zeigerinstrument 28 angezeigt und/oder durch einen nicht dargestellten Schreiber, der an einen entsprechenden Ausgang 30 des Integrators angeschlossen wird, registriert werden.

Der Integrator kann eine umschaltbare Kapazität enthalten, so daß sich verschiedene Meßbereiche ergeben.

Der Integrator 2(ii hat eine Entladeklemme 32, die über einen Arbeitskontakt eines zweiten Reed-Relais 34 mit Masse verbunden werden kann. Die Kontakte der Relais 22 und 34 sind jeweils mit einem von Hand betätigbaren Arbeitskointakt (Taster) überbrückt.

Die Verbindung zwischen dem Widerstand 18 und der Zenerdiode des Begrenzers 20 kann außerdem über einen Widerstand 36 mit einem Elektrometer 38

verbunden sein, an dem die Anzahl der Photoereignisse pro Zeiteinheit (Strahlungsleistung) ablesbar ist

Der SEV liefert pro Photoereignis einen Stromimpuls von ca. 10-⁸A, und mit den in der Zeichnung angegebenen Schaltungsparametern speichert der Integrator 26 pro Photoereignis eine Ladung von etwa 10-" Coulomb. Der Integrator kann mehrere Meßbereiche haben, in der Stellung höchster Empfindlichkeit kann der Vollausschlag des Zeigerinstruments 28 z. B. 10~⁹ Coulomb (ca. 100 Photoereignisse) entsprechen, während in der Stellung geringster Empfindlichkeit der Vollausschldg 10~⁴ Coulomb (ungefähr 10⁷ Photoereignisse) entsprechen kann.

Die beschriebene Einrichtung erlaubt eine Analog-Zählung der Photoereignisse mit geringem apparativem Aufwand. Die am Arbeitswiderstand 14 auftretenden Spannungsimpulse von etwa 10~² V werden durch den Verstärker 16 um den Faktor 1000 verstärkt Mit der Zenerdiode des Begrenzers 20 werden die verstärkten Spannungsimpulse auf eine Amplitude von 1 V begrenzt Die begrenzten Impulse werden (bei geschlossenem Kontakt des Relais 22) über den Widerstand 24, der einen Wert von 100 Kiloohm haben kann, dem Integrator 26 zugeführt, der für ein typisches Photoereignis jeweils eine Ladung von 10-" Coulomb erhält Dieser Wert hängt ab von der Zeitkonstante des verwendeten Verstärkers 16 und von dessen Erholungsverhalten nach Überlastung. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß die Variation der Ladungen pro Photoereignis am Integrator sich schon nach Zählung von etwa 10 Photoereignissen ausmittelt Auf eine aufwendige Impulsformungsschaltung, die einen durch die primären Stromimpulse gesteuerten schnellen Normimpulsgenerator enthält kann also verzichtet werden.

Die Reed-Relais 22 und 34 machen es möglich, die Empfindlichkeit des Geräts bei der Messung von Lichtimpulsen dadurch zu erhöhen, daß man dem Integrator über das Relais 22 nur so lange Impulse zuführt, wie der Lichtimpuls dauert. Dies kann beispielsweise mittels einer Programmsteuerung 40 erfolgen, die einen ersten Ausgang 42 zur Auslösung des den Lichtimpuls verursachenden Vorganges, einen zweiten Ausgang zur Steuerung des Relais 22 und einen dritten Ausgang 46 zur Steuerung des Relais 34 enthält Die zeitliche Lage der Steuersignale an den Ausgängen 42 und 44 gewährleistet daß der Kontakt des Relais 22 geschlossen ist wenn der Lichtimpuls beginnt und daß der Kontakt des Relais 22 nach Beendigung des Lichtimpulses wieder geöffnet wird. Bei der Untersuchung der kathodischen Elektroluminiszenz in nicht wäßrigen Lösungen betrug die Schließdauer des Relais

ίο 22 ca. 2 msec und das Steuersignal am zweiten Ausgang 44 trat etwa 0,2 msec vor dem die Lumineszenz praktisch unverzögert auslösenden Steuersignal des ersten Ausgangs 42 auf, um der Ansprechzeit des Relais Rechnung zu tragen. Der SEV 10 war während der

Vj Messung auf Trockeneistemperatur gekühlt und unter diesen Bedingungen traten am Ausgang des SEV nur einige zehn Dunkelstromimpulse pro Sekunde auf. Es ist somit möglich, kurze Lichtblitze zu messen, ohne daß normalerweise ein einziger Dunkelstromimpuls gezählt

2ίι wird.

Das Steuersigna) am Ausgang 46 dient zum Schließen des Arbeitskontaktes des Relais 34, durch das der Integrator entladen und vor einer neuen Messung auf 0 zurückgestellt wird.

5 Das Elektrometer 38 ermöglicht eine kontunuierliche Anzeige der Impulsrate. Hierdurch können der Dunkelstrom überwacht und der Lichtstrom kontinuierlich gemessen werden. Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel hatte der Widerstand 36 einen Wert von 100 Kiloohm und Vollausschlag auf der 10-⁸-A-Skala des Elektrometers 38 entsprach ca. 1000 Impulsen pro Sekunde. Statt eines Elektrometers könnte selbstverständlich auch ein Gleichstromverstärker mit nachgeschaltetem Zeigerinstrument verwendet werden. Macht

3-. man den Widerstandswert des Widerstandes 36 umschaltbar, so erhält man verschiedene Meßbereiche für die Impulsrate.

Je nach der Steuerung des Relais 34 können mit dem Integrator die Photoereignisse eines einzigen Lichtimpulses oder die mehrerer Lichtimpulse gemessen werden.

Hierzu 1 Blatt !Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Lichtmessung durch Photonenzählung mit einem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher, mit einem an dessen Ausgang angeschlossenen Begrenzer zur Erzeugung von im wesentlichen gleich hohen Impulsen, die jeweils einem einzelnen, vom Photo-SEV empfangenen Photon entsprechen, und mit einem die Impulse aber das Meßintervall aufsummierenden Integrator, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator aus einer analog arbeitenden Schaltung (26) besteht, die unmittelbar mit dem Ausgang des Begrenzers (20) Ober einen Schalter (22) verbunden ist, und mit einer Steuerschaltung (40) zur Öffnung des Schalters (22) im Falle der Messung von Lichtimpulsen jeweils zwischen diesen Lichtimpulsen.