Счетчик фотонов

)5 С 01 3 1/44 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО РЕ Е К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТ 1(56 Авторское свйдетельство СССРЬ 1283543,кл,6 01 3 1/44, 1985,Авторское свидетельство СССРМ 1520356, кл, 6 01 Л 1/44, 1988.(57) Использование: измерения световыхпотоков малой интенсивности, порождаемых инициирующим воздействием (оптическим, механическим, электрическим и др.). Сущность изобретения: счетчик фотонов со- . держит ФЭУ, дискриминатор одноэлектронных импульсов, первый счетчик импульсов, ОЗУ, блок вычислений и управления, а также приоритетный шифратор, второй счетчик импульсов, второй управляемый тактовый генератор и мультиплексор, составляющие вместе схему досчета. 1 з.п. ф-лы, г ил,Изобретениеотносится к области изме- выход триггера режима подключен ко вторений и может быть использовано для реги- рым входам УТГ и ОЗУ, выход управления страции слабых и сверхслабых световых адресного счетчика подключен ко второму потоков в физике, лазерном зондировании входу триггера режима, один разряд выход- атмосферы и океана, космических исследо- ного регистра ЭВМ подключен ко второму ваниях, люминесцентном и спектральном входуадресногосчетчика,входданныхОЗУ анализе, химии, оптикофизических измере- подключен к шине питания.ниях и др, Недостатками данного устройства являИзвестен счетчик фотонов, содержащий ются низкое пространственно-временное последовательно включеннцгФЭУ,дискри- разрешение регистрируемого сигнала, опминатор однозлектронных импульсов ределяемое быстродействием ОЗУ, ограни- (ДОИ), триггер фотона, ОЗУ, ЭВМ, а так же чение динамического диапазона схему синхронизации, управляемый такто- регистрируемого потока и рост ошибки извцй генератор, адресный счетчик и триггер мерения интенсивности.режима,причем выход ФЭУ подключен к, Известентакжесчетчикфотонов,содер- входу ДОИ, его выход подключен к первому жащий последовательно включенные ФЭУ, входу управления ОЗУ, выход ОЗУ подклю- ДОИ, выход которого подключен к первому чен к входному регистру ЭВМ, выход схемы входу триггера фотонов, его выход соединен синхронизацииподключенкпервцмвходам со схемой задержки, с первым входом упуправляемого тактового генератора (УТГ) и равления ОЗУ, с входом управления регисттриггера режима, выход УТГ подключен кора временного хранения адреса, выход второму входу триггера фотона и к первому схемы задержки соединен с входом управвходу адресногосчетчика, адресные выходы ления счетчика, его информационный йадресноГО счетчика подключены к адресным, разр ядн ы й выход соединен с входам ОЗУ и к входному регистру ЭВМ, информационным й-разрядным входом 6 О 3 Оеаа5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 ОЗУ, его информационный й-разрядный выход соединен с М-разрядами входного регистра ЭВМ и с й 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 такжеко вторым входам логических элементов ИЛИ, выход схемы синхронизации подключен также к первым входам управления УТГ и триггера режима, а его выход подключен ко второму входу управленйя УТГ, выход УТГ подключен ко второму входу триггера фотона и к первому входу управления адресного счетчика, выход управления его подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, а его выход - ко 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, выход логического элемента ИЛИ подключен к второму входу управления ОЗУ,Данное устройство имеет высокое пространственное разрешение, величина которого определяется бытродействием регистра временного хранения адреса, однако сохраняется ограничение по динамическому диапазону.Наиболее близким к предлагаемому является счетчик фотонов, содержащий последовательно включение ФЭУ, ДОИ, М-разрядный счетчик, ОЗУ, ЭВМ, а также схему синхронизации, триггер режима, УТГ, адресный счетчик, регистр адреса, причем выход ФЭУ соединен с входом ДОИ, его выход подключен к входу Й-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 второму входу триггера режима, выходной регистр ЭВМ подключен к второму входу адресного счетчика,Данное устройство позволяет вести регистрацию интенсивности входного потока импульсов с вцсоким пространственно-временным разрешением и в широком динамическом диапазоне интенсивностей. Однако зти преимущества реализуются в начале трассы зондйрования. Так как в момент ее окончания состояние М-разрядного счетчика импульсов неопределенно и может быть любым в пределах от 0 до 2 й, то это ведет к тому, что чем ближе к концу трассы, тем больше величина потерь и в момент окончания трассы зарегистрированная интенсивность будет иметь величину 1/2, где- интенсивность входного потока, постоянная за время измерения,Цель изобретения - уменьшение погрешности счета.Для достижения этой. цели в предлагаемом устройстве содержатся ФЭУ, ДОИ, первый И-разрядный счетчик импульсов, ОЗУ, блок вычислений и управления (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 управления адресного счетчика подключен ко второму входу триггера режима, выходной регистр БВУ подключен ко второму входу адресного счетчика,Ка фиг, 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие 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.Ка фиг. 2 изображены временные диаграммы, где СИ - импульс запуска (синхроимпульс), ТР - разрешение работы УТГ, Сч 1 - накопление информации в первом счетчике и момент переполнения, ПШ - выходприоритетного 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 подключен к входу первого счетчика, его информационные выходы подключены к информационным входам регистра сдвига 4. Выход переполнения первого счетчика импульсов 3 подключен ко второму входу мультиплексора 8. Информационныйвыход 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 7 и к входу управления регистра. сдвига 4, выход второго счетчика импульсов 7 - к первому входу мультиплексора 8, его выход - к входам управления ОЗУ 9 и регистра адреса 14, Выход схемы синхронизации 10 подклочен к первому входу триггера режима 11, его выход - ко второму входу второго УТГ 6, к входууправ-. ления мультиплексора 8 и к первому входу адресного счетчика 13, Его адресные выходы подключены через регистр адреса 14 к адресным входам ОЗУ 9, а выход управления - ко второму входу триггера режима 11, В ыход ОЗУ 9 подкл ючен к входному регистру БВУ 5, а его выходной регистр - ко второму входу адресного счетчика 13.Устройство работает следующим образом.Первый УТГ 12 запускается уровнем с выхода триггера режима 11, который устанавливается импульсом со схемы 10 синхронизации. Этим импульсом определяется начало цикла записи входных одноэлектронных импульсов. Триггером 11 режима первый УТГ 12 устанавливается в режим генерации тактовых импульсов, которые поступают на первый вход адресного счетчика 13 и обеспечивают адресацию к ячейкам ОЗУ 7. Лультиплексар пропускает импульсы с первого счетчика 3 импульсов,Поток сигнальных и шумовых импульсов с ФЭУ 1 поступает на дискриминатор 2, где происходит выделение одноэлектронных импульсов, а шумовые подавляются.Одноэлектронные импульсы поступают на первый счетчик 3, изменяют его состояние см. диаграмму Сч 1 на фиг. 2), При переполнении счетчика 3 сигнал с его управляющего выхода поступает через мультиплексор 8 на входы .управления регистра временного хранения адреса 14 и ОЗУ 9, Передним . фронтам этого синала состояние адресного счетчика 13, определяющее момент переполнения счетчика 3, фиксируется в регистре 14, а по заднему фронту этого сигнала по адресу, зафиксированному в регистре 14., в соответствующую ячейку ОЗУ 9 записывается метка, Таким образам, в ОЗУ 9 создаемся последовательность адресных меток событий - переполнения К-разрядного первого счетчика 3, Наличие регистра 14 позволяет получить высокое временное разрешение момента переполнения счетчика 3.После прохождения всех возможных состояний адресного счетчика 13 на его выходе вырабатывается сигнал, сбрасывающийтриггер 11 режима, запрещающий рабату первого УТГ 12 и разрешающий работу второго УТГ 6, Если к этому моменту(окончания трассы зондирования) на информационном выходе счетчика 3 имеется отличное ат уля состояние, то на выходе приоритетного шифратора 5 будет разрешающий уровень, который разрешит работу второго УТГ 6. Иначе, при наличии только разрешающего сигнала с триггера режима 11, второй УТГ 6 не работает,Второй УТГ 6 при этом вырабатывает числа тактовых импульсов, равное записанному в-счетчике 3 импульсов. После этого на выходе регистра 4 сдвига установится нулевое,состояние, приоритетный шифратор 5 закроет второй УТГ 6 и его работа прекратится. Эта же число импульсов поступит на второй счетчик импульсов 7, увеличив соответственно ега состояние, Если при этом 20 она достигнет уровня переполнения, то сигнал с выхода переполнения второго счетчика 7 импульсов через мультиплексор 8 поступит на вход ОЗУ 9 и регистр 14 адреса и в последней ячейке ОЗУ 9 (так как УТГ 12 остановлен) зафиксируется метка,Таким образом, число импульсов, поступивших в цикле досчета на второй счетчик 7 импульсов, будет равно числу импульсов,30 зафиксированных в первом счетчике 3 импульсов в момент оканчанля трассы зондирования и которое в прототипе будет утеряна, обусловливая "провал" в конце трассы.Если ОЗУ 9 не накапливающего типа, та после окончания цикла досчета начинается чтение адресов меток из ОЗУ устройства в 35 ОЗУ БВУ с прибавлением в соответствующую вает триггер 11 режима снова в режим записи в ОЗУ устройства и разрешает работу первого УТГ 12 и прохождение импульсов через мультиплексор от счетчика 3 импуль 45 сав, Цикл регистрации повторяется, Затем повторяются циклы дасчета и чтения в ОЗУБВУ.Унагократное повторенле этого працесса ведет к накоплению профиля интен 50 сивнасти потока одноэлектраиных импульсов до величины, определя;ащей необходимую статическую точность измерений, Таким образом, введение схемы дасчета позволяет, в отличие от прототипа, регистрировать без потерь сигнал любой формы интенсивности, в том числе и постоянной ва всем интервале измерений, Данное устройство предполагает несколько меньшую максимальна допустимую частоту посылок ячейку ОЗУ БВУ единицы,40 Следующий синхроимпульс устанавлизондирующих импульсов за счет увеличения времени цикла записи на время 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 для предлагаемого устройства находится на уровне аппаратной погрешности, равной примерно 0,5. Таким образом, дополнительный вклад методической погрешности, 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, обеспечивающего 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), Устройство собрано на отечественных элементах и микросхемах. Основные узлы устройства 4-8, 14 выполнены на ИС серии К 531, 531, ОЗУ 9 - ИС К 132 РУ 9, 10-13 - на ИС серии К 500, дискриминатор 2 - на ИС КР 597 СА 1. В качестве БВУ использована микроЭВМ "Электроника".Устройство имеет меньший вес, обьем и энергопотребление по сравнению с известными при значительно более высоких техни- ческих характеристиках.По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обеспечивает как минимум в 100 раз большую точность регистрации потока импульсов на конце трассы зондирования,Формула изобретения1. Счетчик фотонов, содержащий последовательно включенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), дискриминатор одно- электронных импульсов ДОИ) и первый й 15 20 25 30 35 40 разрядный 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 вы-ходы подключены через регистр адреса к адресным входам ОЗУ, выход управления адресного счетчика подключен к второму входу триггера режима, а выходной регистр БВУ подключен к второму входу адресного счетчика, отл ича ю щи йся тем,что,с целью уменьшения погрешности счета, в него введена схема досчета, включающая регистр сдвига, приоритетный шифратор,второй И-разрядный счетчик импульсов, второй управляемый 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 управляемого тактового генератора, выход которого подключен к входам управления регистра сдвига и второго счетчика импульсов, выход которого подключен к первому входу мультиплексора, выход мультиплексора подключен к входам управления ОЗУ и регистра адреса, выход управления первого счетчика импульсов подключен к, второму входу мультиплексора, выход триггера режима подключен к второму входу второго управляемого тактового генератора и к входу управления мультиплексора.2. Счетчик по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве ОЗУ использовано накапливающее ОЗУ.1755065 оставитель К. Шелевойехред М.Моргентал Коррект Редактор Салко иткина Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 2883 . Тираж Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5