close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16655

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 16655
(13) C1
(19)
G 01J 1/00 (2006.01)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
СЧЁТЧИКА ФОТОНОВ
(21) Номер заявки: a 20101781
(22) 2010.12.09
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Гулаков Иван Романович;
Зеневич Андрей Олегович; Тимофеев Александр Михайлович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) BY a20090119, 2009.
BY a20100640, 2010.
BY a20100513, 2010.
SU 1770773 A1, 1992.
JP 2004/251803 A.
CN 1758037 A, 2006.
BY 16655 C1 2012.12.30
(57)
Способ определения временных характеристик счетчика фотонов, заключающийся в
том, что весь временной интервал измерения выходных импульсов счетчика фотонов T
разбивают на M отдельных, равных по длительности подынтервалов, подсчитывают общее
количество импульсов N на интервале T и число подынтервалов m, на которых не зарегистрировано ни одного импульса, вычисляют вероятность образования послеимпульсов;
измеряют статистическое распределение вероятности временных интервалов между соседними импульсами P(t), по статистическому распределению определяют длительность
временного интервала, на котором вероятность появления импульса будет равна нулю,
соответствующего длительности мертвого времени τ счетчика фотонов; определяют время
t1, соответствующее положению максимума статистического распределения вероятности
временных интервалов; увеличивают интенсивность оптического излучения, повторяют
Фиг. 1
BY 16655 C1 2012.12.30
измерения статистического распределения вероятности временных интервалов, определяют время t2, соответствующее положению максимума статистического распределения
вероятности временных интервалов, сравнивают значения t1 и t2 между собой; по наличию
смещения максимума зависимости P(t) устанавливают тип мертвого времени; вычисляют
статистическое распределение вероятности появления послеимпульсов Pa(t) по формуле
m
t
ln
T
m


Pa ( t ) = P( t ) + M ⋅ ∆t ⋅   , где ∆t - достаточно малый промежуток времени; определяT
M
ют временной интервал, для которого Pa(t) > 0, соответствующий времени появления послеимпульсов.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения
временных характеристик счетчиков фотонов. Оно может найти применение в оптоэлектронике, ядерной физике, оптике и спектроскопии при изучении процессов, изменяющихся с течением времени.
Известные способы измерения временных характеристик счетчиков фотонов [1, 2] не
позволяют определить одновременно такие его характеристики, как длительность и тип
мертвого времени, вероятность образования послеимпульсов и время их появления.
Наиболее близким способом к заявляемому является способ определения вероятности
образования послеимпульсов [2]. Он заключается в том, что весь временной интервал измерения выходных импульсов счетчика фотонов Т разбивают на М отдельных, равных по
длительности подынтервалов, подсчитывают N общее количество импульсов на интервале
Т и число подынтервалов m, на которых не зарегистрировано ни одного импульса, после
чего вычисляют вероятность образования послеимпульсов по формуле
M
N − ln
m .
z=
N
Однако этот способ не позволяет определить время появления послеимпульсов, длительность и тип мертвого времени τ. Под мертвым временем понимается такой промежуток времени τ после появления на выходе счетчика фотонов импульса, в течение которого
он не может зарегистрировать следующий импульс.
Различают два типа мертвого времени: продлевающееся и постоянное [3]. Считают,
что счетчик фотонов имеет постоянное мертвое время, если промежуток времени τ является постоянной величиной, не зависящей от интенсивности регистрируемого излучения и
скорости счета темновых импульсов. Счетчик фотонов, для которого промежуток времени
τ зависит от скорости счета темновых импульсов и интенсивности регистрируемого излучения, имеет мертвое время продлевающегося типа.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей способа
определения вероятности образования послеимпульсов за счет дополнительного определения длительности и типа мертвого времени счетчика фотонов, а также времени появления послеимпульсов.
Сущность изобретения заключается в том, что весь временной интервал измерения
выходных импульсов счетчика фотонов Т разбивают на М отдельных, равных по длительности подынтервалов, подсчитывают общее количество импульсов N на интервале Т и
число подынтервалов m, на которых не зарегистрировано ни одного импульса, вычисляют
вероятность образования послеимпульсов; измеряют статистическое распределение вероятности временных интервалов между соседними импульсами P(t), по статистическому
распределению определяют длительность временного интервала, на котором вероятность
появления импульса будет равна нулю, соответствующего длительности мертвого време2
BY 16655 C1 2012.12.30
ни τ счетчика фотонов; определяют время t1, соответствующее положению максимума
статистического распределения вероятности временных интервалов; увеличивают интенсивность оптического излучения, повторяют измерения статистического распределения
вероятности временных интервалов, определяют время t2, соответствующее положению
максимума статистического распределения вероятности временных интервалов, сравнивают значения t1 и t2 между собой; по наличию смещения максимума зависимости P(t)
устанавливают тип мертвого времени; вычисляют статистическое распределение вероятm
t
ln
T
m


ности появления послеимпульсов Pa(t) по формуле Pa ( t ) = P( t ) + M ⋅ ∆t ⋅   , где ∆t T
M
достаточно малый промежуток времени; определяют временной интервал, для которого
Pa(t) > 0, соответствующий времени появления послеимпульсов.
При измерении статистического распределения вероятности временных интервалов
между соседними импульсами P(t) в счетчике фотонов из-за наличия мертвого времени
будут существовать временные интервалы, на которых вероятность появления импульса
будет равна нулю. Длительность этого интервала времени равняется τ длительности мертвого времени счетчика фотонов.
Зависимость P(t) имеет максимум. Значение этого максимума соответствует некоторому времени t1. Так как для счетчиков фотонов с продлевающимся мертвым временем
величина τ увеличивается с ростом интенсивности подсветки, то и положение максимума
зависимости P(t) будет смещаться в сторону больших значений времени при увеличении
интенсивности оптического излучения. Для счетчиков фотонов с постоянным мертвым
временем такого эффекта наблюдаться не будет. Поэтому по наличию смещения максимума зависимости P(t) можно судить о типе мертвого времени.
Поскольку послеимпульсы возникают в счетчике фотонов вслед за импульсами, образованными фотонами регистрируемого излучения или термогенерированными носителями
заряда, это приводит к увеличению статистического распределения вероятности временных интервалов P(t) в течение времени появления послеимпульсов τa по сравнению со
счетчиком фотонов без послеимпульсов. Такое увеличение значений P(t) наблюдается, поскольку в этот промежуток времени
(1)
P(t) = P0(t) + Pa(t),
где P0(t) - статистическое распределение вероятности временных интервалов между двумя
соседними импульсами в счетчике фотонов без послеимпульсов, Pa(t) - статистическое
распределение вероятности появления послеимпульсов. Под Pa(t) понимают вероятность
образования послеимпульсов в некоторый момент времени t после появления импульса,
вызванного фотоном регистрируемого оптического излучения или термогенерированным
носителем заряда. Согласно [3], вероятность P0(t) является экспоненциальным распределением, которое описывается как P0(t) = n⋅∆t⋅exp(-n⋅t), где n - скорость счета импульсов, ∆t достаточно малый промежуток времени.
Величину n можно определить на основании способа, описанного в прототипе, найдя
вероятность нулевого события p(0) и вычислив скорость счета импульсов по формуле [2]:
m
ln
ln p(0)
(2)
n=−
=− M ,
T
T
где Т - временной интервал измерения, М - число равных по длительности подынтервалов,
на которые разбит временной интервал Т, m - число подынтервалов, на которых не зарегистрировано ни одного импульса.
Тогда значения P0(t) можно вычислить на основании (2) по формуле:
3
BY 16655 C1 2012.12.30
m
m
 m 
t
ln
 ln

T
m


P0 ( t ) = − M ⋅ ∆t ⋅ exp M ⋅ t  = − M ⋅ ∆t ⋅   .
(3)
T
T
 T

M




Из формулы (3) можно получить:
m
t
ln
T
m


(4)
Pa ( t ) = P( t ) + M ⋅ ∆t ⋅   .
T
M
Интервал времени, на котором Pa(t) > 0, соответствует времени появления послеимпульсов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 показана схема устройства, позволяющего реализовать заявляемый способ, а на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы его
работы.
Устройство включает в себя фотоприемник Ф, работающий в режиме счета фотонов,
коммутирующие устройства К1 и К2, таймер Т, генератор тактовых импульсов ГТИ, суммирующие счетчики Сч1, Сч3 и вычитающий счетчик Сч2, RS-триггеры Т1, Т2, Т3 и Т5,
D-триггер Т4, логические элементы "И" Л1 и Л2, логические элементы "ИЛИ" Л3, линию
задержки З, регистры Рг1, Рг2, Рг3, Рг4, ждущий мультивибратор М1, переключатели П1 и
П2.
Устройство функционирует следующим образом. Переключатели П1 и П2 отключены.
Весь интервал измерений Т дополнительно разделяется на отдельные более короткие
подынтервалы. В общем случае длительность отдельных подынтервалов выбирается
близкой к ожидаемому времени появления послеимпульсов, а длительность всего интервала регистрации Т определяется из соображений получения допустимой статистической
погрешности измерений. При этом на интервале Т должно укладываться не менее нескольких сотен отдельных подынтервалов.
Перед началом цикла измерений суммирующий счетчик Сч1 сброшен, в вычитающий
счетчик Сч2 заносится число М, равное количеству подынтервалов регистрации, триггеры
Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 сброшены, генератор тактовых импульсов ГТИ выключен. При этом
коммутирующее устройство К1 блокировано низким потенциалом с выхода Т1.
По сигналу "Пуск 1", фиксирующему начало цикла измерений, триггер Т1 устанавливается в единичное состояние и запускается генератор тактовых импульсов ГТИ. В результате снимается блокировка с коммутирующего устройства К1 и сигналы входного
регистрируемого потока импульсов начинают поступать с фотоприемника Ф, работающего в режиме счета фотонов, на суммирующий счетчик Сч1, триггер Т2 и схему "И" Л1.
Таким образом, счетчиком Сч1 подсчитывается общее количество входных импульсов, поступивших на интервале регистрации, длительность которого определяет таймер Т.
Выходной сигнал таймера, появившийся через заданное число тактов генератора, сбросит
триггер Т1, блокируя коммутирующее устройство К и останавливая тактовый генератор
ГТИ. Этот же сигнал таймера является признаком окончания первого цикла измерений.
Подсчет числа пустых реализаций, т.е. тех подынтервалов, на которых не поступило
ни одного входного сигнала, выполняется следующим образом: предполагается, что все
подынтервалы, число которых предварительно записано в счетчике Сч2, являются пустыми. Если на текущем подынтервале появится хотя бы один импульс, то из записанного в
Сч2 числа вычитается единица. Делается это с помощью триггера Т2 и логической схемы
"И" Л1. Первый появившийся на подынтервале импульс поступает через разблокированный логический вентиль И на счетчик Сч2 и одновременно переключает своим задним
фронтом Т2 в единичное состояние. При этом сигналом с инверсного выхода Т2 вентиль
"И" Л1 блокируется на все оставшееся до окончания данного подынтервала время. Очередной импульс тактового генератора, определяющий окончание подынтервала, сбрасыln
4
BY 16655 C1 2012.12.30
вает триггер Т2 и разрешает поступление следующего входного импульса через Л1 на вычитающий счетчик, как это показано на временной диаграмме (фиг. 2).
Таким образом, в счетчике Сч1 по окончании цикла измерений фиксируется общее
число входных сигналов N, а в счетчике Сч2 - число пустых реализаций m. После чего
вычисляется величина n по формуле (2).
Для более точного измерения временных интервалов между импульсами необходимо
увеличить частоту тактового генератора ГТИ на два или более порядка в сравнении с частотой появления темновых импульсов и фотоотсчетов.
Включают переключатели П1 и П2. По сигналу "Пуск 2", фиксирующему момент
начала второго цикла измерений временных интервалов между импульсами, триггер Т5
устанавливается в единичное состояние, снимается блокировка с коммутирующего
устройства К2 и сигналы входного регистрируемого потока импульсов начинают поступать с его выхода на тактовый вход С триггера Т4. Инвертирующий выход триггера Т4
соединен с его D-входом, поэтому по приходу первого импульса на вход С триггера Т4 на
его прямом выходе появляется высокий уровень напряжения, соответствующий логической единице. Наличие высокого уровня позволяет импульсам с выхода тактового генератора ГТИ через логический элемент Л2 поступать на вход счетчика Сч3, где выполняется
подсчет этих импульсов. При поступлении второго импульса на вход С триггера Т4 на его
прямом выходе появляется низкий уровень напряжения, соответствующий логическому
нулю. Наличие такого уровня не позволяет импульсам с выхода тактового ГТИ через логический элемент Л2 поступать на вход счетчика Сч3, и подсчет импульсов этим счетчиком прекращается. При переходе уровня напряжения из высокого в низкое состояние на
входе мультивибратора М1 на его выходе формируется прямоугольный импульс. Этот
импульс используется для записи сосчитанного количества импульсов счетчиком Сч3 в
регистр Рг1. При помощи линии задержки З поступление импульса задерживается на время, необходимое для записи данных в регистр, после чего осуществляется сброс счетчика
Сч3. С приходом импульса на вход С триггера Т4 начинается подсчет импульсов генератора ГТИ счетчиком Сч3 до прихода следующего импульса. После чего выполняется запись числа импульсов, подсчитанных счетчиком Сч3, в регистр Рг1 и сдвиг данных,
записанных ранее в Рг1, в регистр Рг2, и сброс счетчика Сч3. Подсчет импульсов и запись
данных в регистры продолжается до тех пор, пока на выходе последнего регистра Рг4 не
появятся данные, соответствующие числу, превышающему нуль. Тогда на выходе логического элемента Л3 появляется логическая единица, что приводит к появлению высокого
уровня напряжения на выходе триггера Т3 и сбросу триггеров Т4 и Т5. В результате чего
происходит блокировка К1 и прекращается второй цикл измерений. С выходов регистров
Рг1, Рг2, Рг3 и Рг4 снимаются данные, по которым можно оценить длительность временных интервалов между соседними импульсами. Отметим, что число регистров может быть
увеличено.
Для вычисления статистического распределения вероятности временных интервалов
необходимо повторить эти измерения второго цикла несколько раз и сформировать массив данных временных интервалов. После чего вычисляют вероятность появления интервала с длительностью ti по формуле:
K
P( t i ) = i ,
(5)
K
где Ki - число интервалов с длительностью ti, K - общее число интервалов.
Отметим, что в случае, когда основной вклад в мертвое время счетчика фотонов вносит фотоприемник, а вкладом регистрирующей аппаратуры можно пренебречь, то предлагаемый способ может быть использован для определения временных характеристик
фотоприемника, работающего в режиме счета фотонов.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить возможности способа
определения вероятности образования послеимпульсов за счет дополнительного опреде-
5
BY 16655 C1 2012.12.30
ления длительности и типа мертвого времени счетчика фотонов, а также времени затухания послеимпульсов.
Источники информации:
1. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Минск: Университетское, 1989. - С. 161-163.
2. Патент РБ 9518, МПК G 01J 1/00, G 06M 1/00, H 03K 21/00, 2007.
3. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - С. 212-223.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
377 Кб
Теги
by16655, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа