SU1755065A1 - Счетчик фотонов - Google Patents

Abstract

Использование: измерени  световых потоков малой интенсивности, порождаемых инициирующим воздействием (оптическим , механическим, электрическим и др.). Сущность изобретени : счетчик фотонов содержит ФЭУ, дискриминатор одноэлект- ронных импульсов, первый счетчик импульсов, ОЗУ. блок вычислений и управлени , а также приоритетный шифратор, второй счетчик импульсов, второй управл емый тактовый генератор и мультиплексор, составл ющие вместе схему досчета. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к области измерений и может быть использовано дл  регистрации слабых и сверхслабых световых потоков в физике, лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследовани х , люминесцентном и спектральном анализе, химии, оптикофизических измерени х и др.

Известен счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, дискри- минатор одноэлектронных импульсов (ДОИ), триггер фотона, ОЗУ, ЭВМ, а так же схему синхронизации, управл емый тактовый генератор, адресный счетчик и триггер режима, причем выход ФЭУ подключен к, входу ДОИ, его выход подключен к первому входу управлени  ОЗУ, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первым входам управл емого тактового генератора (УТГ) и триггера режима, выход УТГ подключен ко второму входу триггера фотона и к первому входу адресного счетчика, адресные выходы адресного счетчика подключены к адресным, входам ОЗУ и к входному регистру ЭВМ,

выход триггера режима подключен ко вторым входам УТГ и ОЗУ, выход управлени  адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, один разр д выходного регистр ЭВМ подключен ко второму входу адресного счетчика, вход данных ОЗУ подключен к шине питани .

Недостатками данного устройства  вл ютс  низкое пространственно-временное разрешение регистрируемого сигнала, определ емое быстродействием ОЗУ, ограничение динамического диапазона регистрируемого потока и рост ошибки измерени  интенсивности.

Известен также счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, ДОИ, выход которого подключен к первому входу триггера фотонов, его выход соединен со схемой задержки, с первым входом управлени  ОЗУ, с входом управлени  регистра временного хранени  адреса, выход схемы задержки соединен с входом управлени  счетчика, его информационный N- разр дный выход соединен с информационным N-рэзр дным входом

(Л

С

Ч

СП О1

о о

01

.

ОЗУ, его информационный N-разр дный выход соединен с N-разр дами входного регистра ЭВМ и с N информационными входами счетчика, выход схемы задержки соединен так же с первым входом логического элемента ИЛИ,-схема синхронизации соединена с входом счетчика числа посылок, его выход подключен к вхоДу прерываний ЭВМ, а также ко вторым входам логических элементов ИЛИ, выход схемы синхронизации подключен также к первым входам управлени  УТТ и триггера режима, а его выход подключен ко второму входу управлени  УТГ, выход УТГ подключен ко второму входу триггера фотона и к первому входу управлени  адресного счетчика, выход управлени  его подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, а его выход - ко второму входу триггера режима, адресные выходы адресного счетчика подключены через регистр временного хранени  адреса к адресным входам ОЗУ, один разр д выходного регистра ЭВМ подключен ко второму входу управлени  адресного счетчика, выход логического элемента ИЛИ подключен к второму входу управлени  ОЗУ.

Данное устройство имеет высокое пространственное разрешение, величина которого определ етс  бытродействием регистра временного хранени  адреса, однако сохран етс  ограничение по динамическому диапазону,

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  счетчик фотонов, содержащий после- довательно включение ФЭУ, ДОИ N-разр дный счетчик, ОЗУ, ЭВМ, а также схему синхронизации, триггер режима, УТГ, адресным счетчик, регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу N -разр дного счетчика импульсов, его выход подключен к входам управлени  ОЗУ и регистра адреса, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его вход подключен к первому входу УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, а выход управлени  - к второму входу триггера режима, выходной регистр ЭВМ подключен к второму входу адресного счетчика.

Данное устройство позвол ет вести регистрацию интенсивности входного потока импульсов с высоким пространственно-временным разрешением и в широком динамическом диапазоне интенсивностей. Однако эти преимущества реализуютс  в начале трассы зондировани . Так как в момент её

окончани  состо ние N-разр дного счетчика импульсов неопределенно и может быть любым в пределах от 0 до 2N, то это ведет к тому, что чем ближе к концу трассы, тем

больше величина потерь и в момент окончани  трассы зарегистрированна  интенсивность будет иметь величину 1/2, где I - интенсивность входного потока, посто нна  за врем  измерени .

Цель изобретени  - уменьшение погрешности счета.

Дл  достижени  этой цели в предлагаемом устройстве содержатс  ФЭУ, ДОИ, первый N-разр дный счетчик импульсов, ОЗУ,

блок вычислений и управлени  (БВУ), а также схема синхронизации, триггер режима, первый УТГ, адресный счетчик и регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу первого счетчика импульсов, выход ОЗУ подключен к входному регистру БВУ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его выход подключен к входу первого УТГ, его выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы через регистр адреса подключены к адресным входам ОЗУ, выход управлени  адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, выходной

регистр БВУ подключен ко второму входу адресного счетчика.

На фиг. 1 приведена функциональна  схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие работу устройства

при регистрации потока импульсов и при работе схемы досчета.

Устройство содержит ФЭУ 1, ДОИ 2, первый счетчик 3 импульсов, регистр 4 сдвига , приоритетный шифратор 5, второй УТГ 6,

второй счетчик 7 импульсов, мультиплексор 8, ОЗУ 9, схему 10 синхронизации, триггер 11 режима, УТГ 12, адресный счетчик 13, регистр 14 адреса, БВУ 15.

На фиг. 2 изображены временные диаграммы , где СИ - импульс запуска (синхроимпульс ), ТР - разрешение работы УТГ, Сч1 - накопление информации в первом счетчике и момент переполнени , ПШ - выход приоритетного шифратора - разрешение

работы дополнительного УТГ, Сч2 - накопление информации во втором счетчике (до- счеты), Вых.Сч 2 - моменты переполнени  второго счетчика - запись в НОЗУ.

Выход ФЭУ 1 подключен к входу ДОИ 2.

Его выход подключен к входу первого счетчика , его информационные выходы подключены к информационным входам регистра сдвига 4. Выход переполнени  первого счетчика импульсов 3 подключен ко второму

входу мультиплексора 8. Информационный

выход регистра сдвига 4 подключен к информационному входу приоритетного шифратора 5, его выход - к первому входу второго УТГ 6, а его выход - к входу второго счетчика импульсов Тик входу управлени  регистра сдвига 4, выход второго счетчика импульсов 7 - к первому входу мультиплексора 8, его выход - к входам управлени  ОЗУ 9 и регистра адреса 14. Выход схемы синхронизации 10 подключен к первому входу триггера режима 11, его выход - ко второму входу второго УТГ 6, к входу управлени  мультиплексора 8 и к первому входу адресного счетчика 13, Его адресные выходы подключены через регистр адреса 14 к адресным- входам ОЗУ 9, а выход управле ни  - ко второму входу триггера режима 11. Выход ОЗУ 9 подключен к входному регистру БВУ 5, а его выходной регистр - ко второму входу адресного счетчика 13.

Устройство работает следующим образом .

Первый УТГ 12 запускаетс  уровнем с выхода триггера режима 11, который устанавливаетс  импульсом со схемы 10 синхронизации . Этим импульсом определ етс  начало цикла записи входных одноэлект- ронных импульсов. Триггером 11 режима первый УТГ 12 устанавливаетс  в режим генерации тактовых импульсов, которые поступают на первый вход адресного счетчика 13 и обеспечивают адресацию к  чейкам ОЗУ 7. Мультиплексор пропускает импульсы с первого счетчика 3 импульсов.

Поток сигнальных и шумовых импульсов с ФЭУ 1 поступает на дискриминатор 2, где происходит выделение одноэлектрон- ных импульсов, а шумовые подавл ютс . Одноэлектронные импульсы поступают на первый счетчик 3, измен ют его состо ние (см. диаграмму Сч1 на фиг. 2). При переполнении счетчика 3 сигнал с его управл ющего выхода поступает через мультиплексор 8 на входы управлени  регистра временного хранени  адреса 14 и ОЗУ 9. Передним фронтом этого сигнала состо ние адресного счетчика 13, определ ющее момент переполнени  счетчика 3, фиксируетс  в регистре 14, а по заднему фронту этого сигнала по адресу, зафиксированному в регистре 14 в соответствующую  чейку ОЗУ 9 записываетс  метка. Таким образом, в ОЗУ 9 создаетс  последовательность адресных меток событий - переполнени  N-разр дно- го первого счетчика 3. Наличие регистра 14 позвол ет получить высокое временное разрешение момента переполнени  счетчика 3,

После прохождени  всех возможных состо ний адресного счетчика 13 на его выходе вырабатываетс  сигнал, сбрасывающий

триггер 11 режима, запрещающий работу первого УТГ 12 и разрешающий работу второго УТГ б, Если к этому моменту (окончани  трассы зондировани ) на информационном

выходе счетчика 3 имеетс  отличное от иулч состо ние, то на выходе приоритетного шифратора 5 будет разрешающий уровень, который разрешит работу второго УТГ 6. Иначе, при наличии только разрешающего

0 сигнала с триггера режима 11, второй УТГ 6 не работает.

Второй УТГ 6 при этом вырабатывает число тактовых импульсов, равное записанному в-счетчике 3 импульсов. После этого на

5 выходе регистра 4 сдвига установитс  нулевое состо ние, приоритетный шифратор 5 закроет второй УТГ 6 и его работа прекратитс . Это же число импульсов поступит на второй счетчик импульсов 7, увеличив соот0 ветстоенно его состо ние. Если при этом оно достигнет уровн  переполнени , то сигнал с выхода переполнени  второго счетчика 7 импульсов через мультиплексор 8 поступит на вход ОЗУ 9 и регистр 14 адреса

5 и в последней  чейке ОЗУ 9 (так как УТГ 12 остановлен) зафиксируетс  метка.

Таким образом, число импульсов, поступивших в цикле досчета на второй счетчик 7 импульсов, будет равно числу импульсов,

0 зафиксированных в первом счетчике 3 им пульсор в момент окончани  трассы зондировани  и которое в прототипе будет утер но, обусловлива  провал в конце трассы.

5Если ОЗУ 9 не накапливающего типа, то

после окончани  цикла досчета начинаетс  чтение адресов меток из ОЗУ устройства в ОЗУ БВУ с прибавлением в соответствующую  чейку ОЗУ БВУ единицы.

0 Следующий синхроимпульс устанавливает триггер 11 режима снова в режим записи в ОЗУ устройства и разрешает работу первого УТГ 12 и прохождение импульсов через мультиплексор от счетчика 3 импуль5 сов. Цикл регистрации повтор етс . Затем повтор ютс  циклы досчета и чтени  в ОЗУ БВУ.

Многократное повторение этого процесса ведет к накоплению профил  интен0 сивности потока одноэлектронных импульсов до величины, определ ющей необходимую статическую точность измерений .

Таким образом, введение схемы досче5 та позвол ет, в отличие от прототипа, регистрировать без потерь сигнал любой формы интенсивности, в том числе и посто нной во всем интервале измерений. Данное устройство предполагает несколько меньшую мак- симально допустимую частоту посылок

зондирующих импульсов за счет увеличени  времени цикла записи на врем  досчета. При одинаковых параметрах прототипа и предлагаемого устройства 1 максимальное увеличение периода посылок равно. При этом погрешность регистрации на конце трассы у прототипа достигает 100%, а дл  предлагаемого устройства находитс  на уровне аппаратной погрешности, равной примерно 0,5%. Таким образом, дополнительный вклад методической погрешности, пропорциональной времени накоплени , много меньше аппаратной погрешности, а выигрыш в снижении ошибки регистрации потока одноэлектронных импульсов достигает сотен раз.

Предлагаемое устройство реализовано в виде действующего макета четырехка- нального счетчика фотонов, обеспечивающего регистрацию потока фотоимпульсов, максимальна  частота следовани  которых достигает 100 МГц (быстродействие имеющегос  ФЗУ) в 1024-х временных интервалах с пространственным разрешением +-15 м (100 не). Устройство собрано на отечественных элементах и микросхемах. Основные узлы устройства 4-8, 14 выполнены на ИС серии К531, 531, ОЗУ 9 - ИС К132РУ9, 10-13 - на ИС серии К500, дискриминатор 2 - на И С КР597СА1. В качестве БВУ использована микроЭВМ Злектроника-60.

Устройство имеет меньший вес, объем и энергопотребление по сравнению с известными при значительно более высоких технических характеристиках.

По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает как минимум в 100 раз большую точность регистрации потока импульсов на конце трассы зондировани .

Claims (2)

1. Счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), дискриминатор одно- электронных импульсов (ДОИ) и первый Nразр дный счетчик импульсов, а также оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), блок вычислени  и управлени  (БВУ), схему синхронизации, триггер режима, первый управл емый тактовый генератор, адресный счетчик, регистр адреса, причем выход ОЗУ подключен к входному регистру БВУ, выход схемы синхронизации подключен к первому входу триггера режима, его выход подключен к входу управл емого тактового генератора , выход которого подключен к первому входу адресного счетчика,, его адресные вы- ходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, выход управлени 

адресного счетчика подключен к второму входу триггера режима, а выходной регистр БВУ подключен к второму входу адресного счетчика, отличающийс  тем, что, с цельюуменьшени  погрешности счета, внего введена схема досчета, включающа  регистр сдвига, приоритетный шифратор, второй N-разр дный счетчик импульсов, второй управл емый тактовый генератор и мультиплексор, причем информационные

выходы первого счетчика импульсов подключены к информационным входам регистра сдвига, информационные выходы которого подключены к информационным входам приоритетного шифратора, выход

которого подключен к первому входу второго управл емого тактового генератора, выход которого подключен к входам управлени  регистра сдвига и второго счетчика импульсов, выход которого подключен

к первому входу мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входам управлени  ОЗУ и регистра адреса, выход управ- лени  первого счетчика импульсов подключен к/второму входу мультиплексора , выход триггера режима подключен к второму входу второго управл емого тактового генератора и к входу управлени  мультиплексора .

2. Счетчик по п. 1, отличающийс 

тем, что в качестве ОЗУ использовано накапливающее ОЗУ.

Фиг. 1

&НХ.М2