SE1100371A1 - Förfarande och anordning för bestämning av avklingningstider för pulsstimulerande signaler. - Google Patents

Abstract

Ett tillvägagångssätt fiSr att analysera och mäta avklingningstakter för avklingande signalerfrån en pulsad inputstimulering beskrivs. Åtminstone två signaler förstärks med olikatörstärkningskaraktäristik. Dessa signaler kan antingen vara ett resultat av en uppsplitüing aven signal eller signaler från olika pulsstimuleringar. Genom att använda åtminstone en rampadflirstärkningskurva kan avklingningstiden bestämmas. Dessutom presenteras en algoritm förutvärdering of avklingningstider under användandet av godtyckliga iörstärkningsfimnktioner.En apparat presenteras som är till för mätning av avklingningstider hos lumíniseenssignalergenom användandet av ovan presenterade steg.

Description

Generellt sett kan avbildande metoder delas in i två grupper; den ena gruppen är de metoder som har en- eller tvådimensionell detektor (såsom vektor- eller kamerasensorer) samt de metoder som successivt bygger upp en bild genom att skanna excitationsljuset över provet och på så sätt separat samla in signal från varje enskild pixel i den slutgiltiga bilden. Oberoende av vilken av dessa två grupper som de etablerade mätmetodema bygger på kan tre olika koncept identifieras för att mäta avklingningstider hos lurniniscenssignaler: 1. Analys i frekvensdomänen (FD) 2. Analys i tidsdomänen (TD) 3. Tidskorrelerad singel-fotonräkning (TCSPC) Nedan återfinns korta beskrivningar av de tre koncepten.

FD För bestämning av avklingningstiden hos optiska signaler används i frekvensdomänen en intensitetsmodulerad excitationskälla. Den består vanligtvis av en lysdiod, diodlaser eller laser och modulationsfrekvensen ligger vanligtvis i kHz-GHz-området beroende på avklingningstider för de signaler som ska mätas. Detektom kan bestå av en fotomultiplikator, en rad med intilliggande fotomultiplikatorer eller en förstärkt CCD-kamera (ICCD). Efter det att signalen har blivit konverterad från fotoner till elektroner jämförs den detekterade signalen med excitationsmodulationen. Denna jämförelse kan göras antingen genom att modulera detektorns förstärkning med samma frekvens som excitationskällan eller genom att använda en lock-in-förstärkare. Fas-skiftet och demoduleringen mellan excitationskällan och detektoms förstärkning kan mätas. Från dessa mätdata kan fas-skiftet och demoduleringen till följd av den optiska signalens livstid erhållas, och livstiden kan bestämmas.

TD Avklingningstidsbestämning för optiska signaler i tidsdomänen utförs med hjälp av kameror (ICCD, CMOS, etc) med så kallad gate. Excitationskällan består av en kortpulsad lysdiod, diodlaser eller laser. Kamerans gate sätts till att vara öppen och stängd under olika tidsintervall av signalens avklingning. De flesta kommersiella system innehåller en kamera.

Därmed måste minst två excitationer göras för att kunna extrahera avklingningstiden hos den optiska signalen. Det finns flera scheman för ta bilder och analysera signalerna som lagrats i varje kamerapixel. Algoritmer som medger snabb utvärdering kallas Rapid Lifetime Determination (RLD), och livstider bestäms i varje pixel i en bild. Dessa algoritmer utnyttjar kamerans gate för att kontrollera integrationstiden under signalen enligt följ ande ekvation: D: Itï/Oe-z dt där D är det totala antalet integrerade counts, tom är tiden då kameragaten öppnas, tclm är tidpunkten då kameragaten stängs, och integranden är exponentialfimktionen med avklingningskonstant t.

TCSPC TCSPC är en akronym för time-correlated single photon counting (tidskorrelerad singelfotonräkning) och det kan användas för punktmätningar. En bild skapas genom att excitation och detektion skarmas över mätprovets yta. Tidsskillnaden mellan laserexcitationspulsen och signalfotonerna bestäms och sparas i ett minne. Utvärderingen of luminiscensens avklingningstid görs oftast genom en kurvanpassning med någon typ av felmått, vanligtvis minsta kvadratmening.

Metoden som beskrivs i denna patentansökan kan mycket väl implementeras i mätuppställningar/apparater som utnyttjar TD- eller TCSPC-tekniker eftersom pulsad excitation används. Dock bör det tydligt påtalas att metoden som beskrivs i förevarande patentansökan inte är begränsad till analys av optiska signaler. Metoden kan med fördel användas till alla typer av responsfunktioner som konverteras till elektriska signaler. Vidare behöver inte den avklingande signalen likna en exponentiellt avklingande signal. Även om avklingningama är linjära, multi-exponentiella, inversa, etc kan metoden som beskrivs i denna patentansökan användas för att skilja olika avklingningstider åt.

Sammanfattning av uppfinningen Idén bakom uppfinningen är att förstärka/modulera en avklingande signal med hjälp av olika förstärkningskarakteristik och därefter integrera den modulerade signalen. Ett eller flera signalförhållande/signalförhållanden formas ifrån de integrerade värdena som resulterat från de olika förstärkningarna/moduleringarna av signalen. Förstärkningen/modulationen gör signalförhållandet till en funktion av avklingningstiden hos den avklingande signalen. Därmed är det för varje förstärkningsprofil möjligt att integrera hela signalen. Eftersom att det är produkten mellan förstärkningsfiinktionerna och signalfunktionen som integreras bestämmer förstärkningsfunktionema om integranden går mot noll innan signalnivån är noll. De olika förstärkningama ska vara kända eller mätas tillsammans med excitationspulsen. De förstärkta/modulerade signalerna kan därefter beräknas för olika signalavklingningstider.

Först faltas signalen med excitationspulsen. Sådana beräkningar skulle också kunna utföras genom användandet av mer sofistikerade metoder, t.ex. lösande av rate-ekvationer eller densitetsmatrisekvationer. Vidare, typiska signaler skulle kunna mätas och utgöra en databas/ett bibliotek av signaler med olika avklingningstakter som sedan skulle fungera som inputdata i beräkningarna. Om excitationspulsens tidsduration is mycket kortare än signalens avklingningstid är det inte alltid nödvändigt att utföra faltningen. Å andra sidan, om excitationspulsen är av samma storleksordning eller längre än avklingningstiden är det fortfarande möjligt att använda denna metod givet att den temporala formen hos de avklingande signalema är kända. Dessa skulle kunna bestämmas antingen genom beräkningar eller mätningar, såsom nämnt ovan. Hämäst multipliceras signalen med förstärkningsfunktionema och samma förhållanden som för mätdatan formas. De beräknade förhållandena jämförs sedan med de uppmätta för att finna avklingningstiden/avklingningstidema för mätdatan. Detta detektions/utvärderingsschema kan appliceras för punktmätningar, mätningar längs en linje samt för två-dimensionella mätningar.

Signalen kan utgöras av en godtycklig avklingande signal; elektrisk, optisk (infraröd, synlig, ultaviolett), radioaktiva partiklar, etc.

Korta figurbeskrivningar Ytterligare saker, särdrag och fördelar med uppfinningen kommer att bli synbara från följ ande detaljerade beskrivning av konkretiseringar av uppfinningen med avseende på ritningama, i vilka: Figur 1. Schematisk illustration av metoden då en optisk signal omvandlas till en elektrisk signal och därefter delas upp i minst två elektriska signaler.

Figur 2. Schematisk illustration av metoden då en elektrisk signal splittras upp i minst två elektriska signaler som sedan förstärks/moduleras med förstärkningsfunktioner med olika temporal karaktäristik.

Figur 3. Schematisk illustration av metoden då åtminstone två stimulerande pulser används för att få mätprovet att sända ut åtminstone två signaler som konverteras till elektriska signaler.

Figur 4. Schematisk illustration av metoden då minst två sensorer används för att detektera signalen från en enda pulsad stimulering av mätprovet.

Figur 5. Monte Carlo simuleringar av exponentiella avklingningar som uppmäts med två olika set av förstärkningsfunktioner. (a) Den exponentiella avklingningen och rektangelformade (övre) och rampade förstärkningama (nedre). (b) Meritfiguren för de två seten av förstärkningsfunktioner. Den solida kurvan korresponderar till de rampade förstärkningama och den är oberoende av avklingningstiden med ett meritvärde lägre än 2. (c) Medelvärdesfelet för bestämda avklingningstider. (d) Det relativa felet i uppmätt avklingningstid är näst intill konstant för den rampade förstärkningskonfigurationen i motsats till de rektangelformade förstärkningarna.

Figur 6. Schematisk illustration av den fulla analysproceduren beskriven i föreliggande patentansökan. Ett referensbibliotek av signalförhållanden för olika avklingningstider formas.

Om till exempel funktionstypen för den avklingande mätprovsignalen är känd och excitationspulssignalens funktion samt förstärknings/modulationsfunktionema har mätts upp kan simulerade mätprovsignaler med olika avklingningstider faltas med excitationspulsfunktionen för att sedan multipliceras med förstärkningsfunktionema. Ett alternativt angreppssätt är att utnyttja ett set av uppmätta signaler med olika avklingningstider för att generera referensbiblioteket. Efter multiplikation med förstärkningsfunktionema integreras de simulerade signalema och signalförhållanden skapas på samma sätt som för mätdata. De ration som erhålles från mätningar jämförs sedan med beräknade ration för att extrahera avklingningstiden/avklingningstidema för mätprovssignalen.

Figur 7. Schematisk illustration av en experimentell uppställning som använts för livstidsavbildning i två dimensioner av fluorescenssignaler från mätningar i gas. Laserstrålen expanderas med hjälp av ett sfäriskt teleskåp (TS) och fokuseras därefter till ett laserark i mätvolymen med hjälp av en cylinderlins (CL). En triggningspuls (TP) skickas till de två ICCD-kameroma samt till en triggningslåda (TB) som används för att skicka ut triggningspulser till en streakkamera och en MCP-PMT.

Figur 8. Simultant tagna laserinducerade fluorescensbilder (LIF) från singel-pulsexcitation av en toluenseedad luftjet med ett omgivningsflöde bestående av kvävgas syns i (aexp) och (bexp), tagna med en kamera med 2 ns bred gate respektive en kamera med 400 ns bred gate.

I (asim) och (bsim) återges grafiska beskrivningar av simuleringar av detekterad ICCD- kamerasignal. De tjocka solida gråa kurvoma visar simulerade LIF-signaler, den streckade ljusgrå kurvan i (asim) är den 2 ns långa gatefunktionen medan den stigande flanken för den 400 ns långa gaten syns i (bsim). Areoma are de simulerade signalema som detekteras av de två ICCD-kameroma enligt ekvationema (1) och (2).

Figur 9. F luorescensavklingningstider utvärderade från 900 streakkameraaccurnuleringar (streckad och heldragen linje) tillsammans med singel-puls fluorescenslivstidsbilder som uppmätts med hjälp av konceptet som beskrivs i föreliggande patentansökan (fyllda och öppna cirklar med felstaplar). Två blandningar av syrgas och kvävgas användes som omgivande quenching-molekyler; 10.5/89.5 (öppna cirklar och streckad linje) och 17/83 (fyllda cirklar och solid linje).

Figur 10. En apparat för mätning av avklingningstider hos avklingande optiska signaler.

Mätprovet exciteras med hjälp av en pulsad laser, lysdiod eller diodlaser. Strålning som sänds ut från mätprovet detekteras med hjälp av en eller flera sensorer. Fokuseringsoptiken och detektionsoptiken skulle kunna bestå av ett mikroskåp eller fiberkopplad optik altemativt en kombination av lämpliga linser. Lämpliga filterkombinationer används. De optiska signalerna konverteras till elektriska signaler av liknande temporal karakteristik som de från mätprovet utsända optiska, avklingande signalerna. De elektriska signalema förstärks/moduleras genom användandet av antingen en eller flera detektorintegrerade förstärkare eller en eller flera extema förstärkare. De förstärkta/modulerade signalema integreras därefter och ett eller flera signalförhållanden bildas. Detta/dessa signalförhållande/signalförhållanden används för extraktion av avklingningstiden/avklingningstidema hos signalen från mätprovet. Det kan antingen finnas ett analytiskt samband mellan signalförhållande och avklingningstid eller så kan signalförhållandet/signalförhållandena simuleras för olika avklingningstider för den optiska signalen innan jämförelse med den/de experimentellt erhållna förhållandet/förhållandena.

Detaljerad beskrivning av detaljutföranden Nedan beskrivs ett flertal konkretíseringar av uppfinningen. Dessa konkretiseringar beskrivs i ett illustrerande syfte för att möjligöra för en person kunnig i ärrmet att använda uppfinningen och att röja det mest lämpliga användningssättet. Uppfinningen är emellertid inte begränsad till nedan angivna konkretiseringar. Vidare visas och diskuteras vissa kombinationer och egenskaper. Andra kombinationer med andra egenskaper är emellertid fullt möjliga inom ramen för uppfinningen.

Det finns ett flertal detektions- och signalprocesscheman som skulle kurma användas inom ramen för föreliggande koncept. Dessa sammanfattas i figurerna 1-4. Figur 1 exemplifierar hur en singelpulsstimulering leder till en signal som antingen är av eller konverteras till en signal av elektrisk natur. Den elektriska signalen delas därefter upp i minst två signaler, vilka förstärks/moduleras med hjälp av funktioner som har olika temporal karaktäristik. Sedan integreras de förstärkta/modulerade signalema. Utifrån de integrerade signalema bildas ett eller flera förhållande som sedan används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet. Figur 2 visar hur signalen från en enda pulsstimulering av mätprovet delas upp i minst två signaler innan detektion med minst två sensorer. Signalema förstärks/moduleras med hjälp av åtminstone två förstärkningsfunktioner med olika temporal karaktäristik. De förstärkta/modulerade signalema integreras därefter. Ett eller flera förhållanden formas och detta/dessa används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet. Figur 3 visar hur åtminstone två stimuleringspulser används för att få mätprovet att sända ut åtminstone två signaler. Dessa signaler detekteras med hjälp av en eller flera sensorer med olika förstärknings/modulationsfunktioner för de olika signalema från mätprovet. Signalema integreras och de integrerade signalema används för att forrna ett eller flera förhållande som används för att extrahera avklingningen för signalema från mätprovet. Figur 4 visar hur åtminstone två sensorer används för att detektera signalen från en singelpulsstimulering av ett mätprov. De olika sensorema kan till exempel beskåda mätprovet från olika vinklar. De olika sensorema använder sig av olika förstärknings/modulationsfunktioner och de förstärkta/modulerade signalerna integreras därefter. De integrerade signalema används för att forma ett eller flera förhållande som används för att extrahera avklingningen för signalen från mätprovet.

I nedanstående konkretiseringar observeras avklingande fluorescenssignaler efter exeitation med laserpulser som har pulslängder på pikosekundsskala. Detektions- och analysschemat som beskrivs är dock inte begränsat till fluorescensavklingningar. Signalen skulle kunna utgöras av vilken avklingande signal som helst.

För enkelhets skull kommer endast två törstärkningsfunktioner att användas i nedanstående konkretiseringar. I realiteten bestäms det övre antalet förstärkningsfunktioner som kan appliceras av hårdvaru- och mjukvarubegränsningar. Om rampade funktioner används kan analytiska uttryck härledas. Det kommer dock att framgå att uppfinningen inte är begränsad till användandet av rampliknande funktioner.

Antag en situation där den effektiva avklingningen för en avklingande signal beskrivs av en enkel exponentialfunktion och beteckna de två förstärkningsfiinktionema G1 respektive G2.

Den exponentiella avklingningen utgör emellertid enbart ett exempel. Det skulle kunna vara en godtycklig avklingande signal, men det är dock inte säkert att en godtycklig signal möjliggör analytiska lösningar och är därmed inte lämpligt i illustrationssyfte.

Två signaler, I1 och 12, erhålles. Antingen kan en signal detekteras och sedan delas upp i två delar eller kan två sensorer användas för att erhålla två signaler eller kan två signaler erhållas genom användandet av en enda detektor i kombination med två excitationer. Signalema kan beskrivas av följande ekvationer: matta» ïsoflnoa. -ßadf <1> 1.= ísßacrf-f. -ßadf <2> där r är signalens avklingningstid, t1 och t; är fórstärkningsfunktionemas tidsfördröjningar relativt excitationen och å1 respektive 62 är tidsjittren för forstärkningsfunktionema relativt excitationen. Integrationsintervallet är satt från -oo till +00 för enkelhets skull med tanke på att integrandema är skilda ifrån noll endast i begränsade intervall. Naturligtvis används kortare intervall i realiteten.

Ett signalförhållande, R, kan formas på olika sätt. Tre exempel ges av ekvation (3), ekvation (4) och inversen av ekvation (4), vilken återges i ekvation (5): 1e=- (s) (4) (5) Om integrandema, S (t, r)G,. (t -ti -å), i ekvationema (1) och (2) betecknas F, (t, r) respektive F, (t,r) kan R skrivas på följande sätt: _0311 (r, r)dr jfFz (r, r)dr R (6) GFF", (r, r)dr _]mro+a@»w R (7) ¶n@a+@rww rurí-í (s) ílfi (r, r)dr för ekvationema (3), (4) och (5). I dessa ekvationer kan F, (t,r) tolkas som den icke- normaliserade sannolikhetsfunktionen förtiden vid vilken till exempel en elektron kommer fram från fórstärkningselektroniken. Genom att derivera R med avseende på r samtidigt som det antas att signalen beskrivs av en faltning mellan en Gaussisk funktion (excitationspulsen) och en enkel avklingande exponentialfunktion härleds följ ande uttryck för ekvationema (6), (7) och (8): 1 jílrF, (r, r)dr FF, (r, r)dr - (r, r)dr - ÉlrF, (r, r)dr dR z = ï w 2 <9) { IFZ (t,r)dt} di _ i (f,f)dr.pïør,(r,f)dr ñ (myr I Ermrfp, (m) dr “{¶@rfl+@r4pF íflrar letar m; miví/ Et (f) E20) 1 jírFz (z, r)dr - -OIFI (t, r)dz - _1111 (t, r)dr - -ÉFZ (r, r)dr d1a__ (n) tr I ekvation (10) är Ei(t) förväntningsvärdet i tiden för F ,-(t,r). Därmed, för att ekvation (10) ska ha en entydig lösning får inte förväntningsvärdena för F1(t,r) och F 2(t,r) sammanfalla. Det framgår även att liknande villkor gäller för ekvationema (9) och (1 1) även om distributionsfunktionema, F ,-(t,r), i dessa fall inte är ordentligt normaliserade. Till synes kan vilken kombination av två olika förstärkningsfunktioner användas. Det inkluderar även två likadana funktioner med olika t,«.

Utifrån ett teoretiskt perspektiv är emellertid G1=At och G2=A den bästa kombinationen för förhållandet som formades i ekvation (3). För ekvation (4) är det optimala valet av förstärkningsfunktioner G1=Bt och G2=-Bt+B. Med dessa val av förstärkningsfunktioner gäller likhet mellan avklingningstiden r och förhållandena som fonnats i ekvationema (3) och (4), det vill säga fullständigt linjära samband utan någon offset. För förhållandet i ekvation (5) leder rarnpade förstärkningsfunktioner till ett inversförhållande mellan signalavklingningstid och format förhållande. Ett sådant val av förhållande skulle kunna vara fördelaktigt under vissa omständigheter om signalens avklingningstid ska användas för mätningar av ämneskoncentrationer.

Teoretiskt ger rampade förstärkningsfunktioner lika hög känslighet för alla avklingningstider.

Det kan jämföras med standard-RLD-metoder, vilka i princip enbart fungerar bra inom begränsade intervall av avklingningstider. Detta faktum illustreras i figur 5 där valet att använda två rampade och två rektangulära förstärkningsprofiler jämförs. Resultaten som presenteras är framtagna med hjälp av Monte Carlo-simuleringar av 500 emitterade, Poissonfördelade partiklar med en exponentiellt avtagande partikelström. Simuleringarna upprepades 1000 gånger för att generera statistik.

De rektangulära förstärkningsfunktionerna i figur Sa består av två på varandra följ ande tidsfönster med 3 ns längd. AB är signalens amplitud och LIF återges av de tjocka, solida, avklingande kurvoma. De rarnpade förstärkningsfunktionema är definierade inom ett tidsfönster som är 40 ns brett. De två rarnpemas lutningar har samma absolutbelopp, men olika tecken. Figur 5b visar meritfigurema för de två valen av förstärkningsfunktioner.

Meritfiguren är definierad som (aJr)-(aN/1V), där a, är standardavvikelsen i r och aN är signalens standardavvikelse. För Poissonstatistik gäller att o' N = V N . Meritvärdet är ett mått på hur brus förstärks av systemet och ska därmed vara så lågt som möjligt. Figur 5c illustrerar felet i I och figure Sd visar r/o, som funktion av 1.

Förutom att ge lika god sensitivitet för alla avklingningstider är ramp-liknande förstärkningsprofiler enklare att realisera än vad rektangulära förstärkningsfunktioner är på grund av de höga frekvenskomponenter som är nödvändiga för att skapa den stigande och den fallande flanken hos rektangulära förstärkningsprofiler. Dessutom är det fördelaktigt att kunna integrera hela signalen eftersom att det ger maximalt signal-till-brusförhållande. Det bör dock ännu en gång betonas att rampade förstärkningskurvor enbart är det optimala valet för vissa signalkurvor. Vidare bör det påtalas att de tre förhållandena i ekvationema (3), (4) och (5) enbart är exempel. Det finns fler sätt på vilka förhållande kan bildas med hjälp av två signaler.

Oberoende av vilka förstärkningsfunktioner som används är det fördelaktigt att på ett detalj erat sätt karaktärisera excitations- och detektionssystemen. Om förstärkningsprofilerna och excitationsfunktionen är kända eller kan mätas är det möjligt att bestämma avklingningstiden i princip utan några approximationer i analysen. Ett bibliotek av signalförhållanden kan beräknas för olika avklingningstider genom att räkna fram signalen som skulle erhållas för olika signalavklingningstider genom att utnyttja de applicerade förstärkningsfunktionema och excitationsfunktionen. Genom att jämföra uppmätta signalförhållanden med de beräknade värdena i biblioteket kan avklingningen för signalen från mätprovet erhållas. Det är av största vikt att signalförhållanden bildas eftersom att det innbär att den initiala signalamplituden förkortas bort, vilket är nödvändigt för att beräknade värden på ett enkelt sätt ska kunna jämföras med uppmätta värden. Referensbiblioteket skulle altemativt kunna tas fram genom att förhållanden beräknas utifrån uppmätta avklingningsfunktioner. Figur 6 åskådliggör den generella proceduren.

Figur 7 visar den experimentella uppställning som använts för två-dimensionell avbilning av fluorescensavklingningstider genom användandet av två förstärkta CCD (ICCD) kameror då den optiska signalen delas och en pikosekundslaser används för excitation. Den tredje övertonen (266 nm) från en pulsad (10 Hz) Nd:YAG-laser med 30 ps pulsduration fokuserades till ett laserark som linjerades in i mätvolymen. Toluenseedad gas strömmade ut från ett rör med 2.2 mm diameter. Röret var instucket i centrum av en porös plugg som möjliggjorde ett kontrollerbart omgivningsflöde som skyddade den centrala gasströmmen.

Massflödeskontrollers användes för att generera syrgas/kvävgasblandningar till det centrala gasflödet och till omgivningsflödet via separata gasmatningssystem. Två ICCD kameror positionerades i rät vinkel i förhållande till varandra med en 70/30 stråldelare som för att leda signal till de båda kameroma. Valet av stråldelare kan göras så att ett maximalt signal-till- brusförhållande erhålles för de två detektorema, det vill säga för att kompensera för skillnader i till exempel sensitivitet, detektorbrus och signalsamlingseffektivitet. En gatebar MCP-PMT detekterade laserpulsema innan de nådde mätvolymen. Tidsseparationen mellan MCP-PMT- signalen och kameromas förstärkningsmonitorpulser loggades med hjälp av ett 3 GHz digitalt oscilloskop. Därmed möjliggjordes jitterkorrektion för varje enskild excitationspuls vid dataanalysen. Bilder över avklingningstider verifierades längs en horisontell pixelrad genom gasströmmen genom jämförelse med streakkameramätningar. En streakkamera är en kommersiellt tillgänglig detektor som i en dimension kan upplösa förlopp som sker på pikosekundsskala. Bilder av ett rutsystem togs innan varje mätning för att överlappa bilderna tagna med de två kameroma. Ett egenhändigt skrivet matlabprograrn baserat på simulated annealing användes för att hitta en bildtransforrnation som pixel-till-pixelöverlappade bilderna tagna med de två kameroma.

Från en enda excitation togs två LIF-bilder med olika kameraförstärkningskarakteristik.

Typiska experimentella resultat vid användandet av en 2 ns gate och en 400 ns gate återges i figurema 8aexp respektive 8bexp. Laserpulsen mättes med hjälp av streakkameran och den temporala profilen visade sig beskrivas väl av en klockformad kurva med 30 ps full bredd vid halva maxvärdet (FWHM). Förstärkningsfunktionema mättes genom att sekventiellt stega förstärkningsfördröjningen mellan kameragate och laserpuls samtidigt som Rayleighspridning från ett flöde av dammfri luft mättes. De uppmätta förstärkningsfunktionerna korrigerades för skillnader i våglängdskänslighet mellan Rayleigh- och LIF-våglängderna. För att göra denna korrektion utfördes Sekventiell stegning av förstärkningsfördröjningstiden samtidigt som Rayleigh och LIF signaler mättes. Förhållanden mellan dessa båda signaler formades för båda kamerorna och multiplicerades med förstärkningsfunktionerna.

Grafiska beskrivningar av signalsimuleringarna visas i figur Sam och figur ßbsim. De tjocka, solida kurvorna visar LIF-signalen, vilken modelleras som en enkel avklingande exponentialfunktion faltad med laserpulsen. Kameromas törstärkningsfunktioner, G1 och G2, återges i form av de streckade kurvorna. Exponentialfunktionen multiplicerad med förstärkningsfuriktionema visas som de tunna svarta linjema längs ytterkantema på de solida gråa ytorna och de solida gråa ytoma illustrerar de integrerade signalerna, det vill säga värdena som erhålles i ett pixelpar för de två kamerorna.

Testsimuleringar av LIF-signalen gjordes för måttliga excitationsintensiteter med hjälp av densitetsmatrisekvationer (density matrix equations; DME) och rate ekvationer (RE).

Spektralt överlapp och detuning försummades. Skillnaden som uppstod vid utvärderingen av fluorescensavklingningstider vid användande av faltning, rate ekvationer och densitetsmatrisekvationer var mindre än 0.1%. Därmed har användandet av faltning som är den enklaste av de tre motiverats. Det enklaste altemativet hade varit att helt enkelt använda exponentialfunktionen utan faltning med laserpulsen.

Figur 9 visar fluorescensavklingningstider uppmätta från en enda excitation i enskilda kamerapixlar längs en linje i dessa två-dimensionella gasfasmätningar. Detektions- och evalueringsalgoritmen som beskrivits ovan (förhållande enligt ekvation (4)) användes med förstärkningsfunktionerna som visas i figur 9. I figuren återges även resultatet från 900 medelvärdesbildade signaler uppmätta med streakkameran. Dessa streakkameramätningar gjordes för att Validera metoden som beskrivs i föreliggande patentansökan. Det faktum att denna metod tillhandahöll tvådimensionella singel-excitationsmätningar av avklingningstider kortare än 1 ns med 120 ps standardavvikelse utan att optimala förstärkningsfunktioner användes illustrerar den signifikant högre känsligheten jämfört med ett jämförbart, tillgängligt instrument såsom en streakkamera. Det ska påpekas att streakkameran enbart tillhandahöll avklingningstider längs en linje medan metoden som beskrivs i föreliggande patentansökan gav data i två dimensioner.

En apparat för bestänming av luminiscensavklingningstider visas schematiskt i figur 10. Ett mätprov exciteras med hjälp av en pulsad strålningskälla, med en laser, diodlaser eller lysdiod. Fokuserings/insamlingsoptiken skulle kunna vara ett mikroskop, fiberkopplad optik, linser, etc. Emitterad luminiscens detekteras i två insamlingar av en enda sensor eller i en enda insamling av två eller fler sensorer. Förstärkningsfunktionema som multipliceras med signalerna har olika temporal karaktäristik, men åtminstone en beskrivs av en rampliknande funktion. De förstärkta/modulerade signalema integreras och ett förhållande bildas. Det formade förhållandet jämförs med beräknade förhållanden. Dessa har beräknats antingen genom analytiska uttryck eller genom simuleringar (figur 5). De simulerade signalförhållanden har beräknats genom användandet av samma förstärkningsfilnktioner som används för att fórstärka/modulera signalema. Signalavklingningen från mätprovet modelleras som en enkel exponentialfunktion, det vill säga den kan åtminstone approximativt beskrivas av en enkel exponentiell avklingning.

Claims (9)

Patentkrav

1. En metod innefattande följande steg för bestämning av avklingningama hos pulsstimulerade signaler: a) Åtminstone två avklingande elektriska signaler förstärks/moduleras med förstärkningsfurrktioner som har olika temporal karaktäristik. Åtminstone en av dessa fórstärkningsfuriktioner har en ökande eller avtagande rampliknande temporal form. b) The nämnda fórstärkta/modulerade signalema integreras. c) De nämnda integrerade förstärkta/modulerade signalema används fór att forma ett eller flera signalförhållanden. d) Beräkning av avklingningen utifrån den/de nämnda förhållandet/förhållandena.

2. En enda elektrisk signal delas upp i de nämnda signalema som behandlas i enlighet med patentkrav 1.

3. En optisk signal delas upp i åtminstone två signaler. Dessa signaler detekteras med hjälp av fotokänsliga sensorer och behandlas därefter enligt patentkrav 1.

4. Olika rumsliga delar av en optisk signal detekteras via två eller flera olika strålvägar. Dessa signaler detekteras med hjälp av fotokänsliga sensorer och behandlas därefter i enlighet med patentkrav 1.

5. En optisk signal konverteras till en elektrisk signal av liknande temporal form med hjälp av en fotokänslig sensor. Den elektriska signalen delas upp i åtminstone två signaler som därefter behandlas enligt patentkrav 1.

6. Optiska signaler från åtminstone två pulsstimuleringar konverteras till elektriska signaler med liknande temporala former med hjälp av en fotokänslig sensor. Dessa elektriska signaler behandlas därefter i enlighet med patentkrav 1.

7. Metoden enligt något av ovanstående patentkrav, men med beräkningssteget utbytt mot: a) Anrättning av ett bibliotek av signaler med olika avklingningstakter (S(f1),S(f2),---,S(f,,)) b) Simulering av den temporala formen for si gnalema efter multiplikation med olika fórstärkningskurvor G,-(t), FiQJ-i) Fzøßfl) FA/(tflfl) EQÜU) Fzüffz) FNQfl-z) HOW.) FAM.) FNOJ.) (S(f.),S(f2 ),---,S(f.))ï (G1(f),G2(f),---,G~ (1)) T betecknar transponatet. c) Signalen integreras I1('Tn) lzffn) ING-n) ojfl(z,r,)dr ujFz(r,r,)dr ojFN(r,r,)dr ujfl(r,rz)dz Ü|'}f2(r,r2)dz cjFN(r,rz)dr Ej'}¥}(r,r,,)dr ojFz(r,r,,)dr ajFN(r,r,,)dr Integrationsgränsema har satts till från minus oändligheten till oändligheten för enkelhets skull. I realiteten bestäms integrationsgränsema av gate-funktionema. För att förenkla ekvationens vänstersida antas matrisen vara en vektor innehållande funktionerna I,-(-c) enligt: (11(f)12(f)=---,1~(f)) d) Dessa funktioner (eller matriskolumner) är input till det/de nämnda förhållandet/förhållandena i patentkrav 1-6. I ett r-intervall där förhållandena är entydliga med avseende på r kan följande funktioner formas: TiRUÅT) Izlï) Ikcl-»l e) Det/de nämnda förhållandet/förhållandena som formats från mätdata genom att följa procedurema som beskrivits i ovanstående patentkrav sätts in i ovanstående uttryck för I. Från det uttrycket bestäms avklingningskontanten.

8. Metoden enligt något av föregående patentkrav i vilken signalen är optisk och fångas upp av en sensor som har justerbar förstärkning, kontrollerbar enligt nämnd förstärkningsprofil, eller för vilken förstärkningen utförs efter konvertering av signalema till elektriska signaler, där nämnd sensor består av fotodioder (PD), fotomultiplikatorer (PMT), array-detektorer av PD, array-detektorer av PMT, en förstärkt CCD-kamera, electron-multiplying CCD eller CMOS kameror.

9. En anordning för bestämning av luminiscensavklingningstider bestående av följ ande hårdvara/mj ukvara: a) En pulsad excitationsljuskälla, bestående av antingen en laser, en lysdiod eller en diodlaser. b) Optisk fokus- och insamlingsoptik bestående av en mikroskåpuppställning eller en fiberkopplad optisk uppställning eller en kombination av lämplig linsoptik. c) Lämpliga filter. d) Beräkningshårdvara, mjukvara och en/flera optiska sensor/ sensorer som utför stegen enligt patentkrav 3-6 och patentkrav 8. e) Funktionsgerator/ generatorer som antingen integrerats i sensorn/ sensorerna eller placerats extemt används for att generera fórstärkningsfimktioner som multipliceras med signalerna.