Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя

Изобретение относится к области измерительной техники. В способе выбирают динод по перепаду напряжения на динодной характеристике. Подбором потенциала устанавливают рабочую точку выбранного динода на спадающей ветви динодной характеристики, если коэффициент неплоскостности выходного импульса больше единицы, или на восходящей ветви, если коэффициент неплоскостности меньше единицы. Одновременно с приходом светового импульса на выбранном диноде создают импульс напряжения, значение которого в каждый момент времени пропорционально заряду, снимаемому с этого динода, а амплитуду напряжения в момент окончания светового импульса устанавливают равной перепаду напряжения на выбранном диноде, чем, соответственно, уменьшают или увеличивают коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя на значение коэффициента неплоскостности выходного импульса фотоэлектронного умножителя. Технический результат - уменьшение искажений выходного импульса. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению формы светового импульса с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), и может быть использовано для коррекции частотной характеристики ФЭУ в области низких частот.

При измерении световых импульсов с помощью ФЭУ при большом выходном токе наблюдаются искажения формы выходного импульса. В этих случаях необходима коррекция частотной характеристики ФЭУ.

Известен способ подавления высокочастотных колебаний, появляющихся на фронте импульса и обусловленных индуктивностью выводов ФЭУ (см., например, патент США №2798165, кл. 250-207, 1956 г.), путем введения в цепи последних динодов ФЭУ демпфирующих фильтров из низкоомных резисторов.

Но в области низких частот наблюдается подъем или спад вершины выходного импульса ФЭУ при засветке его фотокатода прямоугольным импульсом.

Известен способ (см. ГОСТ 11612.0-75), основанный на стабилизации напряжения между динодами ФЭУ с помощью шунтирующих последние диноды ФЭУ конденсаторов, значения емкости которых рассчитывают по формуле:

где Q - заряд анодного тока, Кл,

m - коэффициент усиления каскада (динода),

n - общее число каскадов,

U_i - напряжение на i-м каскаде (между i-м и (i-1)-м динодами),

Q_∂ - заряд i-го динода, Кл,

I_∂ - ток i-го динода, А,

t_u - длительность импульса света, с,

100 - коэффициент, вводимый в предположении допустимого изменения междинодного напряжения не более 1%.

Этот способ принят за прототип.

При использовании этого способа не обеспечивается коррекция формы выходного импульса при выходном заряде более 1 мкКл (или при токах более 0.1 А и длительности импульса более 10 мкс), что связано с эффектом Молтера в структуре динода (см. Nuclear Instruments and Methods, 1963, v.24, No.2, 353-357), в результате которого коэффициент вторичной эмиссии увеличивается со временем и, несмотря на постоянное напряжение между динодами, вершина выходного импульса начинает возрастать. Кроме того, при съеме больших токов с фотокатодов, особенно бищелочных, из-за большого сопротивления фотокатода происходит изменение потенциала между фотокатодом и первым динодом, в результате чего вершина выходного импульса начинает спадать. Использование пассивных корректирующих фильтров на выходе ФЭУ, например, дифференцирование импульса, приводит как к уменьшению выходного сигнала, так и к появлению искажения формы выходного импульса при малых выходных токах ФЭУ, то есть при отсутствии указанных выше эффектов Молтера.

Предлагаемый способ решает задачу уменьшения искажений плоской вершины выходного импульса во всем диапазоне линейных выходных токов ФЭУ.

Это достигается тем, что в способе коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя путем стабилизации напряжений между последними динодами фотоэлектронного умножителя выбирают один из динодов, подбором потенциала устанавливают рабочую точку выбранного динода на спадающей ветви динодной характеристики, если коэффициент неплоскостности выходного импульса больше единицы, или на восходящей ветви, если коэффициент неплоскостности меньше единицы, при этом одновременно с приходом светового импульса на выбранном диноде создают импульс напряжения, значение которого в каждый момент времени пропорционально заряду, снимаемому с этого динода, при этом амплитуду напряжения в момент окончания светового импульса устанавливают равной перепаду напряжения на выбранном диноде, чем, соответственно, уменьшают или увеличивают коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя на значение коэффициента неплоскостности выходного импульса фотоэлектронного умножителя, при этом импульс напряжения формируют путем интегрирования тока выбранного динода на конденсаторе, соединяющем выбранный динод и соседний с ним динод, при этом емкость конденсатора с учетом паразитной емкости устанавливают из условия:

где I_d - максимальный ток выбранного динода, соответствующий пределу линейности выходной характеристики фотоэлектронного умножителя,

t_u - максимальная длительность светового импульса,

ΔU - перепад напряжения на динодной характеристике, при котором коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя изменяется на значение коэффициента неплоскостности выходного импульса, длительностью t_u,

Q_d - максимальный заряд выбранного динода, соответствующий предельному заряду выходной характеристики фотоэлектронного умножителя.

Динод и его рабочую точку выбирают из условия обеспечения минимального отклонения формы выходного импульса от прямоугольной при засветке фотокатода прямоугольным импульсом света, а интенсивность импульса света выбирают достаточной для получения максимального анодного тока.

Анализ известных решений не выявил признаков, сходных с отличительными признаками заявленного способа. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критерию новизны.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана типовая форма импульса тока ФЭУ со стандартным делителем напряжения (в прототипе) при засветке прямоугольньм импульсом, на фиг.2 представлена динодная характеристика ФЭУ - зависимость его коэффициента усиления от напряжения между выбранным динодом и предыдущим динодом, на фиг.3 показаны амплитудно-временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ коррекции: на фиг.3а - импульс напряжения, создаваемый на выбранном диноде, на фиг.3б - изменение коэффициента усиления ФЭУ, на фиг.3в - форма выходного импульса ФЭУ при наличии коррекции.

На фиг.4 представлено устройство, реализующее предложенный способ.

Устройство содержит: ФЭУ - 1, в котором показаны выбранный динод 2, четыре смежных с ним динода (i-1), i, (i+1), (i+2) и анод 3, фрагмент резисторного делителя напряжения питания ФЭУ 1, состоящего из резисторов R_i-1, R_д (подстроечный) и R_i+1, включенных между (i-1) и i, i и (i+1), (i+1) и (i+2) динодами соответственно. Конденсаторы С_i-1 и C_i+1 шунтируют резисторы R_i-1 и R_i+1 соответственно, конденсатор С_i подключен между i-м динодом и общей точкой схемы, интегрирующий конденсатор С_и подключен между (i+1) динодом и выбранным динодом 2, который подключен к подвижному отводу подстроечного резистора R_д. Резисторы R_i-1, R_д и R_i+1 задают необходимые напряжения между динодами ФЭУ. Конденсаторы C_i-1, C_i и C_i+1 обеспечивают стабилизацию междинодных напряжений при прохождении импульса тока, а их емкости выбираются в соответствии с известной формулой (1). На конденсаторе С_и формируется импульс напряжения для управления коэффициентом усиления ФЭУ 1 по выбранному диноду 2, что обеспечивает коррекцию низкочастотной характеристики ФЭУ и формы выходного импульса.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

При освещении фотокатода ФЭУ на выходе ФЭУ (с его анода) при питании от известного делителя напряжения с накопительными конденсаторами снимается импульс тока, форма которого показана на фиг.1.

Отклонение формы выходного импульса от прямоугольной формы можно охарактеризовать:

- неплоскостностью выходного импульса, численное значение которой определяется по формуле:

где I_о - ток ФЭУ в начальный момент времени,

I_k - ток ФЭУ в момент окончания светового импульса,

ΔI=I_k-I_o - разность токов в конце и начале светового импульса.

- коэффициентом неплоскосности выходного импульса, значение которого вычисляется по формуле:

Параметр δ может принимать положительное значение (для импульса с положительным наклоном вершины выходного импульса) или отрицательное значение (для импульса с отрицательным наклоном вершины выходного импульса). Соответственно, коэффициент К может быть больше или меньше единицы.

Коррекция частотной характеристики ФЭУ в области низких частот, то есть уменьшение коэффициента δ, с помощью предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

Как видно из фиг.1, коэффициенты δ и К увеличиваются с увеличением длительности светового импульса, что соответствует увеличению выходного заряда Q=I_a·t_u. Как показали исследования, эти коэффициенты не зависят от значения анодного тока, если сохраняется значение выходного заряда в импульсе, то есть при увеличении выходного тока те же искажения (значения коэффициентов δ и К) будут достигаться при пропорционально уменьшенной длительности светового импульса t_u.

Как видно на фиг.2, динодная характеристика ФЭУ имеет ярко выраженное плато, средняя точка которого соответствует типовому (известному) распределению потенциалов между динодами. На этой зависимости отмечены две пары точек: (А, В) и (A1, B1), соответствующие рабочим точкам выбранного динода, в одну из которых требуется установить его потенциал. Выбор конкретной рабочей точки зависит от характера искажения формы выходного импульса (который известен заранее, до начала измерения) и от полярности импульса напряжения, подаваемого на выбранный динод, о чем будет сказано ниже.

Рассмотрим, как проводится коррекция характеристики ФЭУ при искажении в виде импульса с нарастающей вершиной (см. фиг.1). При таком искажении формы импульса устанавливают потенциал выбранного динода в точку А на спадающей ветви динодной характеристики (см. фиг.2).

Чтобы увеличить точность коррекции характеристики и визуально наблюдать ее эффективность, освещают ФЭУ прямоугольным импульсом света. Одновременно с приходом светового импульса (в момент начала светового импульса) на выбранный динод подают импульс положительной полярности (см. фиг.3а), напряжение которого в каждый момент времени увеличивают пропорционально выходному заряду ФЭУ. В этом случае коэффициент усиления ФЭУ будет уменьшаться по мере увеличения выходного заряда (см. фиг.3б) в соответствии с его динодной характеристикой (см. фиг.2), в результате чего выходное напряжение ФЭУ будет уменьшаться и форма выходного импульса становится более плоской. Для того, чтобы полностью скорректировать неплоскостность выходного импульса, необходимо создать на выбранном диноде импульс напряжения с амплитудой ΔU (см. фиг.3а), при которой выполняется следующее условие:

где M(U_a) - коэффициент усиления ФЭУ при напряжении U_a в точке А (см. фиг.2),

M(U_a+ΔU) - коэффициент усиления ФЭУ при напряжении (U_a+ΔU),

K(t_u) - коэффициент неплоскостности для импульса длительностью t_u.

Чтобы компенсация произошла по всей длительности импульса, производят подбор (подстройку) рабочей точки А и выбор динода, на который будет подаваться импульс напряжения, таким образом, чтобы соотношение (5) выполнялось при различной длительности светового импульса с максимальной точностью на всей длительности импульса.

Как известно, импульс тока с динода ФЭУ имеет положительную полярность и пропорционален анодному току. Это позволяет сформировать импульс напряжения на выбранном диноде путем интегрирования его тока на конденсаторе С_и, второй вывод которого подключен к соседнему диноду, относительно которого изменяется напряжение. Зная необходимую амплитуду импульса ΔU и заряд в импульсе Q_d с выбранного динода, можно рассчитать емкость интегрирующего конденсатора С_и по формуле (2).

В случае искажения импульса в виде отрицательного наклона рабочую точку динода устанавливают в точку В (см. фиг.2). При подаче на выбранный динод импульса положительной полярности происходит увеличение коэффициента усиления ФЭУ, которое компенсирует спад вершины выходного импульса, аналогично описанному выше процессу для искажения в виде нарастающей вершины.

Предлагаемый способ обеспечивает коррекцию характеристики ФЭУ и при подаче на выбранный динод отрицательного импульса. В этом случае рабочие точки выбранного динода следует брать А1 (вместо А) или В1 (вместо В) для искажений в виде нарастающей или спадающей вершины импульса соответственно.

Устройство, обеспечивающее реализацию данного способа (см. фиг.4), работает следующим образом.

Практически коррекция формы выходного импульса в данном устройстве осуществляют следующим образом. В исходном состоянии (при номинальном напряжении питания ФЭУ, напряжение питания выбираемого динода устанавливается в области плато (см. фиг.2), а емкость конденсатора Си устанавливается исходя из формулы (1)). ФЭУ освещается прямоугольным импульсом света достаточной интенсивности и длительности. Определяются характер искажений формы выходного импульса и значения коэффициентов К и δ при максимальных значениях выходного тока ФЭУ и длительности светового импульса. Учитывая, что для ФЭУ заданного типа характер искажений не изменяется, выбирают рабочую точку А или В (см. фиг.2) выбранного динода 2 с помощью подстроечного резистора R_д. Затем, подбирая емкость интегрирующего конденсатора С_и (исходное значение вычисляется по формуле (2)), добиваются минимального искажения формы выходного импульса ФЭУ (см. фиг.3в). При необходимости проводят повторную постройку рабочей точки А с помощью подстроечного резистора R_д и емкости интегрирующего конденсатора С_и. Отметим, что второй вывод интегрирующего конденсатора С_и может быть подключен к i-му диноду (вместо (i+1)-го динода), но в этом случае при использовании режима питания динода на спадающей ветви динодной характеристики (точка А) рабочее напряжение на интегрирующем конденсаторе С_и будет увеличиваться, что потребует применения конденсаторов на большее рабочее напряжение.

Выбор динода 2 ФЭУ 1, по которому следует проводить коррекцию частотной характеристики, определяется допустимым значением емкости интегрирующего конденсатора Си и близостью (соответствием) формы динодной характеристики (см. фиг.2, фиг.3б) к форме неплоскостности выходного импульса (см. фиг.1). Для ФЭУ заданного типа достаточно один раз подобрать динод 2, по которому осуществлять коррекцию частотной характеристики ФЭУ, а для отдельных образцов ФЭУ подбирать только емкость интегрирующего конденсатора С_и. Условием выбора динода является также требование, чтобы емкость интегрирующего конденсатора значительно превышала паразитную емкость. Практически это соответствует емкости С_и>200 пФ. Поэтому она может быть включена, начиная с динодов в средней части умножительной системы ФЭУ.

Динодные характеристики, как правило, не зависят от номера динода, однако у отдельных динодов могут быть конструктивные особенности, которые целесообразно использовать при выборе динода, по которому будет производиться коррекция. Более того, при недостаточной степени коррекции по одному диноду можно использовать еще один динод с аналогичной корректирующей емкостью.

После подбора динода, его потенциала и емкости конденсатора Си с помощью прямоугольного импульса света ФЭУ готов регистрировать без искажений световые импульсы произвольной формы, если выходной заряд не превышает выходного заряда, для которого произведена настройка.

Отметим, что, несмотря на схемное сходство включения интегрирующего конденсатора С_и и накопительных конденсаторов С_i-1-С_i+2, они принципиально отличаются по выполняемой функции. Конденсаторы C_i-1-С_i+2 стабилизируют напряжения между динодами. Интегрирующий конденсатор Си создает изменение напряжения на выбранном диноде 2, управляющее коэффициентом усиления ФЭУ. Практически перепад напряжения ΔU в конце светового импульса составляет десятки вольт (десятки процентов от установленного напряжения в точке А), а технический эффект предлагаемого способа, по сравнению с известным решением, выражается в увеличении выходного заряда ФЭУ в несколько раз при одинаковом (заданном) уровне допустимых искажений формы выходного сигнала ФЭУ.

1. Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя путем стабилизации напряжений между последними динодами фотоэлектронного умножителя, отличающийся тем, что выбирают один из динодов, подбором потенциала устанавливают рабочую точку выбранного динода на спадающей ветви динодной характеристики, если коэффициент неплоскостности выходного импульса больше единицы, или на восходящей ветви, если коэффициент неплоскостности меньше единицы, при этом одновременно с приходом светового импульса на выбранном диноде создают импульс напряжения, значение которого в каждый момент времени пропорционально заряду, снимаемому с этого динода, при этом амплитуду напряжения в момент окончания светового импульса устанавливают равной перепаду напряжения на выбранном диноде, чем, соответственно, уменьшают или увеличивают коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя на значение коэффициента неплоскостности выходного импульса фотоэлектронного умножителя.

2. Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя по п.1, отличающийся тем, что импульс напряжения формируют путем интегрирования тока выбранного динода на конденсаторе, соединяющем выбранный динод и соседний с ним динод, при этом емкость конденсатора с учетом паразитной емкости устанавливают из условия

где I_d - максимальный ток выбранного динода, соответствующий пределу линейности выходной характеристики фотоэлектронного умножителя,

t_u - максимальная длительность светового импульса,

ΔU - перепад напряжения на динодной характеристике, при котором коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя изменяется на значение коэффициента неплоскостности выходного импульса длительностью t_u,

Q_d - максимальный заряд выбранного динода, соответствующий предельному заряду выходной характеристики фотоэлектронного умножителя.

3. Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя по п.1, отличающийся тем, что динод и его рабочую точку выбирают из условия обеспечения минимального отклонения формы выходного импульса от прямоугольной при засветке фотокатода прямоугольным импульсом света.

4. Способ коррекции частотной характеристики фотоэлектронного умножителя по п.3, отличающийся тем, что интенсивность импульса света выбирают достаточной для получения максимального анодного тока.