Счетчик фотонов

(57) Использованипотоков малой ин мых иниции ским, механ Сущность из держит ФЭ ронных им импульсов,Р 30етельствоХ 1/44, 19етельство3 1/44, 19НОВ .: измереенсивнос СССР85.СССР:88,ления, а та ный шифра второй упр мультиплек досчета. 1 з ие световых , порождаевыход триггера режимаподключен которым входам УТГ и ОЗУ, выход управления адрес- С ного счетчика подключей кб второму входу триггера рекима, одййразрядвыходного регистра ЭВМ подключен ко второму входу адресного счетчика, входданных ОЗУ под- д, ключен к шине питанйя.Недостатком данного устройства является низкое пространственно-временное разрешение регистрируемого сйгнала, определяемое быстродействием ОЗУ Кроме С того, при интенсивности входного потока О фотоимпульсов, большей 1 фотоимпульс за фь. временной интервал, второй и все последующие фотоимпульсы теряются, что ведет к ограничению динамического диапазойа регистрируемого потока и росту ошибки измерения 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 первйм входом управления ОЗУ, с входом управления регистра временного хранения адреса, выход СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Изоб ретение относится к области измерений и может быть использовано для реги-страции слабых и сверхслабых световых потоков в физике, лазерном зондировании атмосферы и океана, космических исследованиях, люминесцентном и спектральном анализе, химии, оптикофизических измерениях и др.Известен счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные ФЭУ, дискри, минатор одноэлектронных импульсов (ДОИ), триггер фотона, ОЗУ, ЭВМ, а также схему синхронизации, управляемый тактовый генератор, адресный счетчик и триггер режима, причем выход ФЭУ подключен к входу ДОИ, его выход подключен к первому входу управления ОЗУ, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизации подключен к первым входам управляемого тактового генератора (ЯТ) 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,рующим воздействием оптичеическим, электрическим и др.), обретения: счетчик фотонов со- У, дискриминатор одноэлектпульсов; первый счетчик ОЗУ, блок вычислений и управже регистр сдвига, приоритетор, второй счетчик импульсов, вляемый тактовый генератор и ор, составляю 1 циавместесхему и. ф-лы, 2 ил.схемы задержки соединен с входом управления счетчика, его информационный К- разрядный выход соединен с информационным К-разрядным входом ОЗУ, его информационный К-разрядный выход соединен с К разрядами входного регистра ЭВМ и с К информационными входами счетчика, выход схемы задержки соединен также с первым входом логического элемента ИЛИ, схема синхронизации соединена с входом счетчика числа посылок, его выход подключен к входу прерываний ЭВМ, а также к вторым входам логических элементов ИЛИ, выход схемы синхронизации подключен также к первым входам управления УТГ и триггера режима, а его выход подключен к второму входу управления УТГ, выход УТГ подключен к второму входу триггера фотона и к первому входу управления адресного счетчика, выход управления его подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, а его выход - к второму входу триггера режима, адресные выходы адресного счетчика подключены через регистр временного хранения адреса к адресным входам ОЗУ, один разряд выходного регистра ЭВМ подключен ко второму входу управления адресного счетчика, вы.- ход логического элемента ИЛИ подключен к второму входу управления ОЗУ. Данное устройство имеет высокое пространственное разрешение, величина которого определяется быстродействием регистра временного хранения адреса, однако ограничение по динамическому диапазону сохраняется на уровне предыдущего аналога, так как здесь так же фиксируется за временной интервал не более одного фотоимпульса, а все последующие теряются,Наиболее близким к предлагаемому является счетчик фотонов, содержащий последовательно. включенные Ф Э У, ДО И, К-разрядный счетчик, ОЗУ, ЗВМ (блок вычисления и управления), а также схему синхронизации, триггер режима, УТГ, адресный счетчик, регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу К-разрядного счетчика импульсов, его выход подключен к входам управления 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 управления - к второ- му входу триггера режима, выходной ре 50 55 тельный УТГ и мультиплексор, вместе представляющие собой схему досчета, а в качестве первого счетчика импульсов использован реверсивный счетчик, причем информационные выходы его соединены с информационными входами приоритетногошифратора, ого выход соединен с первымвходом второго УТГ, его выход подключен к входу второго счетчика импульсов и к входу "Счет назад" реверсивного счетчика, выходы переполнения реверсивного и второго счетчиков импул ьсо в подкл ючен ы, соответственно, к первому и второму входам мультиплексора, его выход подключен к входам гистр ЭВМ подключен к второму входу адресного счетчика.Данное устройство позволяет вести регистрацию интенсивности входного потока5 импульсов с высоким пространственно-временным разрешением и в широком динамическом диапазоне интенсивностей. Однакоэти преимущества реализуются в началетрассы зондирования. Так как в момент ее10 окончания состояние К-разрядного счетчика импульсов не определенно и может бытьлюбым в пределах от 0 до 2 К, это ведет ктому, что чем ближе к концу трассы; тембольше величина потерь и в момент оконча 15 ния трассы зарегистрированная интенсивность будет иметь величину 1/2, гдев .интенсивность входного потока, постоянная эа время измерения.Цель изобретения - уменьшение по 20 грешности регистрации интенсивности потока импульсов.Для достижения этой цели в предлагаемом устройстве содержатся ФЭУ, ДОИ, первый К-разрядный счетчик импульсов, ОЗУ,25 блок вычисления и управления, а также схема синхронизации, триггер режима, первыйуправляемый тактовый генератор (УТГ), адресный счетчик и регистр адреса, причемвыход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его30 выход подключен к входу счетчика импульсов, выход ОЗУ подключен к входному регистру ЭВМ, выход схемы синхронизацииподключен к первому входу триггера режи, ма, его выход подключен к входу УТГ, его35 выход подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы через регистр адреса подключены к адреснымвходам ОЗУ, выход управления адресногосчетчика подключен ко второму входу триг 40 гера режима, выходной регистр ЭВМ подключен ко второму входу адресногосчетчика,В отличие от известного, в состав предлагаемого устройства введены регистр45 сдвига, приоритетный шифратор, второй Кразрядный счетчик импульсов, дополнисора 7 и к входу первого УТГ 11, его выход50подключен к первому входу адреснОго счетчика 12, Его адресные выходы подключены через регистр адреса 13 к адресным входамОЗУ 8, а выход управления - ко второмувходу триггера режима 10. Выход ОЗУ 8 подключен к входному регистру БВУ 14, аего выходной регистр - ко второму входуадресного счетчика 12.Устройство работает следующим ббразом. управления ОЗУ и регистра адреса, выходкоторого подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, выход триггера режима подключен ко второму входу второго УТГ и к входу управления мультиплексора,выход дискриминатора одноэлектронныхимпульсов подключен к входу "Счет вперед" реверсивного счетчика импульсов.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройствапри регистрации потока импульсов и при работе схемы досчета.Устройство содержит ФЭУ 1, ДОИ 2, реверсивный счетчик 3 импульсов, приоритетный шифратор 4, дойолнительный УТГ 5, второй счетчик 6 импульсов, мультиплексор7, ОЗУ 8, схему 9 синхронизации, триггер 10 режима, УТГ 11, адресный счетчик 12, регистр 13 адреса, БВУ 14,. На фиг. 2 изображены временные диаграммы, где СИ - импульс запуска (синхроимпульс), ТР - разрешение работы УТГ, Сч 1 - накопление информации в первом счетчи,ке и момент переполнения, ПШ - выход приоритетного шифратора - разрешение работы дополнительного УТГ, Сч 2 - накопление информации во втором счетчике (досчеты), Вых Сч 2 - моменты переполнения второго счетчика - запись в НОЗУ.Выход ФЭУ 1 подключен к входу ДОИ 2, Его выход подключеч к входу реверсивного счетчика 3, его информационные выходыподключены к информационным входам приоритетного шифратора 4, Выход переполнения реверсивного счетчика импульсов 3 подключен ко второму входу мультиплексора 7. Выход приоритетного шифратора 4 подключен к первому входу дополнительного УТГ 5,.его выход - к входу второго счетчика импульсов 6 и к входу "Счет назад"реверсивного счетчика 3, выход второго счетчика импульсов 6 - к первому входу мультиплексора 7, его выход - к входам управления ОЗУ 8 и регистра адреса 13. Выход схемы синхронизации 9 подключен к первому входу триггера режима 10, его выход подкгпочен ко второму входу дополнительного УТГ 5, к входу управления мультиплек 10152025 3045 УТГ 11 запускается уровнем с выхода триггера режима 10, который устанавлива. ется импульсом со схемы синхронизации 9, Этим импульсом определяется начало цикла записи входных одноэлектронных импульсов. То и гге ром режима 10 УТГ 11 устанавливается в режим генерации тактовых импульсов, которые поступают на первый вход адресного счетчика 12 и обеспечивают адресацию к ячейкам ОЗУ 8, Мультиплексор пропускает импульсы с первого счетчика импульсов 3,Поток сигнальных и шумовых импульсов с ФЭУ.1 поступает на дискриминатор 2, где происходит выделение одноэлектронных импульсов, а шумовые подавляются. Одноэлектронные импульсы поступают на счетчик 3 и изменяют его состояние (см. диаграмму Сч 1 на фиг. 2). При переполнении счетчика 3 сигнал с его управляющего выхода поступает через мультиплексор 7 на входы управления регистра временного хранения адреса 13 и ОЗУ 8, Передним фронтом этого сигнала состояние адресного счетчика 12, определяющее момент переполнения счетчика 3, фиксируется в регистре 13, а по заднему фронту этого сигнала, по адресу, зафиксированному в регистре 13, в соответствующую ячейку ОЗУ 8 записывается метка, Таким образом, в ОЗУ 8 создается последовательность адресных меток событий - переполнения М-разрядного первого счетчика 3, Если в качестве ОЗУ используется накапливающее ОЗУ, то в зафиксированной ячейке происходит прибавление единицы к предыдущему содержимому.После прохождения всех возможных состояний адресного счетчика 12 на его выходе вырабатывается сигнал, сбрасыоающий триггер режима 10, запрещающий работу УТГ 11 и разрешающий работудополнительного УТГ 5, Если к этому моменту (окончания трассы зондирования) на информационном выходе счетчика 3 имеется отличное от нуля состояние, то на выходе приоритетного шифратора 4 будет разрешающий уровень, который разрешит работу дополнительного УТГ 5. Иначе, при наличии только разрешающего сигнала с триггера режима 10, дополнительный УТГ 5 не работает. Дополнительный УТГ 5 при этом вырабатывает число тактовых импульсов, равное записанному в счетчике импульсов 3. После чего на его выходе переполнения установится нулевое. состояние, приоритетный шифратор 4 закроет дополнительный УТГ 5 и его работа прекратится, Это же число импульсов поступит на второй счетчик импульсов 6, увеличив соответственно его состояние. Если при этом оно достигнет уровня пере 17550645 10 15 20 3035 40 5055 полнения, то сигнал с выхода переполнения второго счетчика импульсов 6 через мультиплексор 7 поступит на вход ОЗУ 8 и регистр адреса 13 и в последней ячейке ОЗУ 8 (так как УТГ 11 остановлен) зафиксируется метка,1Таким образом, число импульсов, поступивших в цикле досчета на второй счетчик импульсов 6, будет равно числу импульсов, зафиксированных в первом счетчике импульсов 3 в момент окончания трассы зондирования и которое в прототипе будет утеряно, обусловливая "провал" вконце трассы.Если в ОЗУ 8 не накапливающего типа, то после окончания цикла досчета начинается чтение адресов меток из ОЗУ устройства в ОЗУ БВУ с прибавлением в соответствующую ячейку ОЗУ БВУ единицы.Следующий синхроимпульс устанавливает триггер режима 10 снова в режим записи в ОЗУ устройства и разрешает работу УТГ 11 и прохождение импульсов через мультиплексор от счетчика импульсов 3. Цикл регистрации повторяется. Затем повторяются циклы досчета и чтения в ОЗУ БВУ,Многократное повторение этого процесса ведет к накоплению профиля интенсивности потока одноэлектронных импульсов до величины, определяющей необходимую статистическую точность измерений.Таким образом, введение схемы досчета позволяет, в отличие от прототипа, регистрировать без потерь сигнал любой формы интенсивности, в том числе и постоянной во всем интервале измерений, Данное устройство предполагает несколько меньшую максимально допустимую частоту посылок зондирующих импульсов за счет увеличения времени цикла записи на время досчета. При одинаковых параметрах прототипа и предлагаемого устройства максимальное увеличение периода посылок равно 6246,45 мкс, т.е. больше, чем у прототипа, на 0,008 О. При этом погрешность регистрации на конце трассы у прототипа достигает 100%, а для предлагаемого устройства находится на уровне аппаратной погрешности, равной примерно 0,5 оь. Таким образом, дополнительный вклад методической по. грешности, пропорциональной времени накопления, много меньше аппаратной погрешности, а выигрыш в снижении ошибки регистрации потока одноэлектронных импульсов достигает сотен раз.Предлагаемое устройство реализовано в виде действующего макета четырехканального счетчика фотонов, обеспечиваю- щего регистрацию потока фотоимпульсов,максимальная частота следования которых достигает 100 МГц (быстродействие имеющегося ФЭУ) в 1024-х временных интервалах с пространственным разрешением 15 м (100 нс). Основные узлы устройства 3-7, 13 выполнены на ИС серии К 531, 531, ОЗУ 8 - ИС К 132 РУ 9, 9-12 - на ИС серии К 500, дискриминатор 2 - на ИС КР 597 СА 1. В качестве БВУ использована микроЭВМ "Электроника".Устройство имеет малый 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 зондирования. Формула изобретения 1, Счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) дискриминатор одно- электронных импульсов (ДОИ) и первый Мразрядный счетчик импульсов, а также оперативное запоминающее, устройство (ОЗУ), блок вычисления и управления (БВУ), схему синхронизации, триггер режима, первый управляемый 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 управляемого тактового генератора,выход которого подключен к первому входу адресного счетчика, его адресные выходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, выход управления адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, а выходной регистр БВУ подключен ко второму входуадресного счетчика, отл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности счета, в него введена схема досчета, включающая приоритетный шифратор, второй Й- разрядный счетчик импульсов, второй управляемый тактовый генератор и мультиплексор, а в качестве первого счетчика импульсов использован реверсивный счетчик, при этом выход дискриминатора одноэлектронных импульсов подключен к входу "Счет вперед" . реверсивного счетчика, информационные выходы которого подключены к информационным входам приоритетйого шифратора, выход которого подключен к первому входу второго управляемого тактового генератора, выход которого подключен к входу второго счетчика импульсов и входу "Счет назад" реверсивного счетчика, выходы переполнения реверсивного и второго1755064 10 тового генератора и к входу управлениямультиплексора,ТГ Гуи, МайОЗу Су Фив, ЛСоставитель К, Шелевой ор М, Циткина Техред М,Моргентал ректор 3, Салк Заказ 2883 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 счетчиков импульсов подключены соответственно к первому и второму входам мультиплексора, выход которого подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, причем выход триггера режима подключен к второмч входу второго управляемого так 2. Счетчик по и, 1, о т л и ч а ю щи й с я 5 тем, что в качестве ОЗУ использовано накапливающее ОЗУ,