RU2024105C1

RU2024105C1 - Device for stabilization of conversion factor of photomultiplier

Info

Publication number: RU2024105C1
Authority: RU
Inventors: В.Е. Карпуша; Р.А. Круглов
Original assignee: Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова
Priority date: 1987-08-04
Filing date: 1987-08-04
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: device has modulated light source, photomultiplier, filter, comparison circuit, storage elements, controlled power supply source, photodiode connected in compliance with proposed diagram. It is aimed at stabilization of conversion factor of photomultiplier under effects of various destabilizing factor including background radiation. EFFECT: expanded application field. 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно - к устройствам для измерения фотометрических характеристик, и предназначено преимущественно для использования в фотометрах. The invention relates to instrumentation, and more specifically to devices for measuring photometric characteristics, and is intended primarily for use in photometers.

В качестве преобразователей светового сигнала в электрический широко используются фотодиоды [1]. Однако область их применения ограничена измерением сравнительно больших световых потоков. Улучшенными характеристиками обладают лавинные светодиоды, однако увеличение коэффициента преобразования лавинных фотодиодов сопровождается уменьшением их быстродействия. Как те, так и другие обладают недостатком: при измерениях немодулированных световывх потоков на результат измерения оказывает существенное влияние нестабильность темнового тока, особенно при малых значениях световых потоков. Photodiodes are widely used as light-to-electric converters [1]. However, their scope is limited to the measurement of relatively large light fluxes. Avalanche LEDs have improved characteristics, however, an increase in the conversion coefficient of avalanche photodiodes is accompanied by a decrease in their speed. Both of them have a drawback: when measuring unmodulated light fluxes, the instability of the dark current has a significant effect on the measurement result, especially at low values of light fluxes.

Этих недостатков в значительной степени лишены фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые наряду с большим усилением позволяют получить наибольшее быстродействие [1]. These shortcomings are largely devoid of photomultiplier tubes (PMTs), which, along with high gain, provide the highest speed [1].

Однако они также имеют недостаток, которым является зависимость коэффициента преобразования от влияния внешних факторов, в частности от уровня засветки фотокатода. However, they also have a drawback, which is the dependence of the conversion coefficient on the influence of external factors, in particular on the exposure level of the photocathode.

Этот недостаток устранен в устройстве, описанном в [2], которое по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принято в качестве прототипа. This disadvantage is eliminated in the device described in [2], which by technical essence is closest to the proposed technical solution and adopted as a prototype.

В прототипе для стабилизации коэффициента пребразования ФЭУ использованы светодиод, оптически связанный с входом ФЭУ, фильтр низкой частоты (ФНЧ), соединенный с выходом ФЭУ, и схема сравнения, к входам которой подключены ФНЧ и источник опорного напряжения. Выход схемы сравнения соединен с источником света, который регулируется так, чтобы средний ток ФЭУ оставался постоянным. In the prototype, to stabilize the conversion coefficient of the PMT, an LED was used that was optically coupled to the input of the PMT, a low-pass filter (LPF) connected to the output of the PMT, and a comparison circuit, to the inputs of which the LPF and the reference voltage source were connected. The output of the comparison circuit is connected to a light source that is controlled so that the average PMT current remains constant.

Недостатком прототипа является невозможность измерения немодулированного светового потока, так как выходной сигнал ФЭУ по постоянному току стабилизируется путем изменения светового потока светодиода. The disadvantage of the prototype is the inability to measure unmodulated luminous flux, since the output signal of the PMT in constant current is stabilized by changing the luminous flux of the LED.

Целью изобретения является исключение этого недостатка и обеспечение возможности измерения немодулированного светового потока. The aim of the invention is to eliminate this drawback and to enable measurement of unmodulated light flux.

Цель достигается тем, что в известное устройство стабилизации коэффициента преобразования ФЭУ, содержащее источник света, оптически связанный с входом ФЭУ, фильтр, подключенный к выходу ФЭУ, схему сравнения и источник питания, введены дополнительно фотодиод, первый и второй запоминающие элементы, например, в виде фильтров на резистивно-емкостных элементах, вход фотодиода оптически связан с источником света, а электрический выход соединен с одним из входов схемы сравнения через первый запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, другой вход схемы сравнения через второй запоминающий элемент, включающий в себя разделительный конденсатор, подключен к выходу фотоумножителя, при этом источник питания фотоумножителя имеет управляющий вход, который подключен к выходу схемы сравнения, а источник света модулирован. The goal is achieved in that in the known device for stabilizing the conversion coefficient of the PMT, containing a light source optically connected to the input of the PMT, a filter connected to the output of the PMT, a comparison circuit and a power source, an additional photodiode, the first and second storage elements are introduced, for example, in the form filters on resistive-capacitive elements, the input of the photodiode is optically connected to the light source, and the electrical output is connected to one of the inputs of the comparison circuit through the first memory element, which includes a separation the second capacitor, another input of the comparison circuit through a second storage element including a separation capacitor, is connected to the output of the photomultiplier, while the power supply of the photomultiplier has a control input that is connected to the output of the comparison circuit, and the light source is modulated.

Достижение цели изобретения обеспечивается стабилизацией коэффициента преобразования ФЭУ путем регулирования его электрического режима (напряжения питания), в результате которого обеспечивается достижение постоянного соотношения коэффициентов преобразования ФЭУ и фотодиода. Achieving the objective of the invention is achieved by stabilizing the PMT conversion coefficient by adjusting its electric mode (supply voltage), as a result of which a constant ratio of PMT and photodiode conversion coefficients is achieved.

Доказательством существенности отличий предложенного технического решения является то, что в известных заявителю источниках не обнаружен фотодиод, введенный в цепь регулирования коэффициента преобразования ФЭУ. The proof of the significance of the differences of the proposed technical solution is that in the sources known to the applicant, a photodiode is not detected, which is introduced into the PMT conversion coefficient control circuit.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства. The drawing shows a block diagram of the proposed device.

Устройство содержит источник 1 модулированного света, фотоумножитель 2 и фотодиод 3, оптически связанные с источником 1 света. Выходы ФЭУ и фотодиода соединены через разделительные конденсаторы (на схеме не показаны) с входами схемы 4 сравнения, выход которой соединен с управляющим входом регулируемого источника 5 питания ФЭУ. The device comprises a modulated light source 1, a photomultiplier 2, and a photodiode 3 optically coupled to the light source 1. The outputs of the PMT and the photodiode are connected through isolation capacitors (not shown in the diagram) with the inputs of the comparison circuit 4, the output of which is connected to the control input of the regulated PMT power supply 5.

Входы схемы сравнения имеют элементы 6 и 7 запоминания уровня поступающих сигналов, например, в виде пиковых детекторов (при импульсном питании источника света), или фильтров в виде RC-цепочек, или их сочетания. The inputs of the comparison circuit have elements 6 and 7 for storing the level of incoming signals, for example, in the form of peak detectors (with pulsed power supply of the light source), or filters in the form of RC circuits, or a combination thereof.

При этом разделительные конденсаторы входят в состав элементов запоминания. Выход ФЭУ через фильтр 8, не пропускающий переменную составляющую сигнала, связан с измерительным выходом устройства. In this case, the separation capacitors are part of the memory elements. The output of the PMT through the filter 8, which does not pass the variable component of the signal, is connected with the measuring output of the device.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Модулированный световой поток от источника 1 света поступает на входы ФЭУ 2 и фотодиода 3. The modulated light flux from the light source 1 is fed to the inputs of the PMT 2 and photodiode 3.

При этом выходной сигнал фотодиода будет равен
U₁ = Ф ˙K₁˙ К_g, (1) где Ф - световой поток от источника света;
К₁ - коэффициент пропускания тракта, по которому свет поступает на фотодиод;
К_g- коэффициент преобразования фотодиода.In this case, the output signal of the photodiode will be equal to
U ₁ = Ф ˙K ₁ ˙ К _g , (1) where Ф is the luminous flux from the light source;
To ₁ - transmittance of the path through which the light enters the photodiode;
To _g is the conversion coefficient of the photodiode.

Выходной сигнал ФЭУ, поступающий на вход 2 схемы сравнения, будет равен
U₂= Ф ˙K₂˙ К_ф, (2) где К₂ - коэффициент пропускания тракта, по которому свет поступает на ФЭУ;
К_ф - коэффициент преобразования ФЭУ.The output signal of the PMT supplied to input 2 of the comparison circuit will be equal to
U ₂ = Ф ˙K ₂ ˙ К _ф , (2) where К ₂ is the transmittance of the path through which the light enters the PMT;
To _f - conversion factor PMT.

Если выходные сигналы не равны, то сигнал разности с выхода схемы сравнения будет воздействовать на управляющий вход регулируемого источника 5 питания до наступления равенства U₁= U₂, при котором соблюдается равенство:
K_ф =

K_g, (3) где

= const
Как известно (см., например, Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Советское радио, 1977, с. 60 и 77) фотодиоды обладают весьма высокой временной и температурной стабильностью по переменному току, поэтому можно полагать К_ф= const, имея в виду, что температурная нестабильность темнового тока фотодиода в этом случае не влияет на его коэффициент преобразования. Поэтому сигнал от измеряемого немодулированного светового потока Фи на выходе устройства можно записать в таком виде:
U_вых = Ф

K_g=Ф_и·K_ф (4)
Техническим преимуществом предложенного устройства является возможность его использования для измерения немодулированного светового потока, например яркости фона при измерениях видимости на аэродромах.If the output signals are not equal, then the difference signal from the output of the comparison circuit will affect the control input of the regulated power supply 5 until the equality U ₁ = U ₂ , at which the equality is observed:
K _f =

K _g , (3) where

= const
As is known (see, for example, Nosov, Yu.R. Optoelectronics. M .: Soviet Radio, 1977, p. 60 and 77), photodiodes have a very high time and temperature stability with respect to alternating current, therefore, we can assume K _f = const, having in view of the fact that the temperature instability of the dark current of the photodiode in this case does not affect its conversion coefficient. Therefore, the signal from the measured unmodulated luminous flux Fi at the output of the device can be written in the following form:
U _out = f

K _g = Ф _and · K _ф (4)
The technical advantage of the proposed device is the possibility of its use for measuring unmodulated light flux, for example, the brightness of the background when measuring visibility at aerodromes.

Дополнительным преимуществом предложенного устройства является возможность измерения модулированного светового потока, используя широко известные методы временного или частотного разделения сигналов на выходе ФЭУ. An additional advantage of the proposed device is the ability to measure modulated light flux using well-known methods of time or frequency separation of signals at the output of a PMT.

В настоящее время закончена разработка принципиальной электрической схемы предложенного устройства, изготовлен действующий макет, проведены его лабораторные испытания, защищен эскизно-технический проект. Currently, the development of a circuit diagram of the proposed device has been completed, a working model has been made, its laboratory tests have been carried out, and a draft technical design has been protected.

Claims

DEVICE FOR STABILIZING A PHOTOMOTHER CONVERTER COEFFICIENT, comprising a light source optically coupled to the input of the photomultiplier, a filter connected to the output of the photomultiplier, a comparison circuit and a power source, characterized in that, in order to enable measurement of unmodulated light fluxes, a photodiode is introduced into it, the first and the second storage elements, for example, in the form of filters on resistive-capacitive elements, the input of the photodiode is optically connected to the light source, and the electrical output is connected to one and from the inputs of the comparison circuit through the first storage element including the isolation capacitor, the other input of the comparison circuit through the second storage element including the isolation capacitor is connected to the output of the photomultiplier, while the power supply of the photomultiplier has a control input that is connected to the output of the comparison circuit , and the light source is modulated.