автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Телевизионный счетчик фотонов повышенной чувствительности для лазерного дистанционного спектрофлуориметра

ТОМСКИЯ ИНСТИТУТ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ С1СТВ! РГО ОД УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

/ ('": I > ■

На правах рукописи

УДК 651.7.069.32:681.785.46

ЧИКУРОЗ Владимир Александрович

теянжизионенн счшчик фотонов повьошол чувствительности

для лазерного ^станционного спе-ороз.^ср^етра

Специальность 05.12.17 - радюте.хн:г-геск::з к телевизионкце с:тсте:.:ь' я устройства

Автореферат

дкссертапр!;! из со::сп-?.ние учексЛ с?опенл какд-лдата чс:ац:ческ'лх наук

Томск -

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель : доктор технических наук,

профессор B.C. Титов

Официальные оппоненты : доктор технических наук,

профессор И.Д. Миценко

кандидат технических наук доцент С.М. Слабодян

Ведущее предприятие : Институт интроскопии при

Томском политехническом университете

Защита состоится " 12 " октября-_1993 г. за заседании специализированного совета Д-063.05.02 в Томской институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники, 634050, Тоиск-50, пр. Ленина,40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники. •

Автореферат разослан "_" июля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.т.н., доцент - А.А.Кузьмин

Актуальность. Ifoqmai инструментом получения информации об скруг.ающем мире являются системы технического зрения5 завоевывающие белее значимое место в современных технологических процессах. Настоящая работа посплтпока одной из слокнейших проблем технического прения - регистрации сверхслабых световых потоков, характерных для пирокого круга фундаментальных и прикладных исследований, использующих методы классической и лазерной спектроскопии. В работе формулировка основных требований к фотоприекным устройствам основана на типовых применениях лазерного флуоресцентного анализа, которые распространяются на некоторые области медицину, контроля окрукающей среды к т.д. Применяемые в настоящее время одноканалькые фотоприем-нкки (со счетом фотонов на ФЭУ) позволяют исследовать только "стабильные" среды и воспроизводимые процессы. 3 ходе измерения с их помощью позникакт погрешности, связаннее с изменением окружающей среды, нестабияьнсстьв энергии лазерного изучения, дрейфом измерительной аппаратуру, г.к. при последовательном сканировании по точкам исследуемого спектра затрачивается много времени. Поэтому з данной работе рассматривается метод многоканальной регистрации спектра в рег.име счета фотонов, достоинством которого является всзмсгшость одновременной регистрации протяженного участка спектра.

Часто многоканальные фотслриемникн стрсят на основе выпускаемых прсмыллекноетью злектрокно-оптичзских: преобразователей (2СП), в том числе микроканаяькых, называемых кикроханалыплли усилителями яркости (УЯ), "согласующей" оптики и телезизиош-ых передавших трубок СТЯГ) или линейных фотсприемшх приборов с зарядовой связью (ЯКСС). Подобные фотсприемники, называемые составными (OS), оснащенные микропроцессорами, получили название телевизионных счетчиков фотонов (TCÖ). Несмотря на имеющиеся разработки ТCS, <?ни изучены недостаточно,не развиты методы их расчета, позволяющие создавать TOS с требуемая значениями осйопшх характерксти?. - квантовой зф;>е;;т::внсетп и шириш функции рассеяния (ОР).

Работы по созданию высокочувствительные: TOS проводил!:сь в соответствии с программами, утвержденными постановлением ГКНТ и АН СССР от 10. II.85 г. ,>'573/137. "Разработка каучшх осноа и создание скстсы дистанционного определения параметров атмос-

форы и подстилающей поверхности с космичесшкс аппаратов", код 1.4.2.11.1. "Исследование влияния процессов рассеяния н поглощения на перенос изображения через ыуткие среды", код 1.5.6.8.

Цель работы. Создание высокочувствительных телевизионных счетчиков фотонов, позволяющих регистрировать слабые спектры флуоресценции веществ, возбуздаеыах щщуяьмам лазернъа! излучением.

Научная новизна.

1. Установлена перспективность построения высокочувствительных ТС2> на основе составных фотоприемников, даюцих возможность регистрировать предельно слабые спектра флуоресценции веществ, возбуждаемых импульсным лазерным излучением.

2. Разработаны и исследованы математические выражения для квантовой эффективности и ширкни Функции рассеяния телевизионных счетчиков фотонов. Дана оценка предельно-достижимого значения ширины 4?.

3. Прсдлоаоны установки для исследования квантовой эффективности и методики их измерения.

4. На основе исследований натеыатичегчик выражений разработаны Т® для лазерных дистанционных спектроф^уоркметров, отличающиеся более высокой, по сравнении с известными, чувствительностью.

Практическая ценность табога.

1. Развиваемые в диссертации принципы построена ТСЗ валяются- унифицирование.: средством повкпежя чувствительности Т® для лазерных дистанционных спектрофлуоркдетроз.

2. Предложенные методы построения ТС§ могу™ сыть использованы для решения инрокого круга- задач, связанных с медициной, газоанализом, телзэиденису, техническим зрением к т.п.

3. Предложены рекомендации по рацнакдлькс:^ выбору как псе-го ТСФ , тшг к отдельных его узлов, на ¡этапах проектирования и практической реализации,

4. Создана теяеаизканк;а счз?ч;ж;« фотонов для судсзоД епек-трофцуороматрической установки, лабораторного лазерного спектрометра КР, медицинской лазерной спзхтрофдуоромзтрнческой установки.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Методики выбора и обоснования параметров ТСФ, а также разработанное TOS использовались в НИИ онкологии Томского научного центра АМН СССР, Институте экологии и водных проблем СО РАН г.Барнаул, Институте термоэлектрофизики АН Эстонии, г. Таллинн. Практическая реализация подтверждена соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на IX и ХИ1 ВсесЬвзншс симпозиумах по лазерной и акустическое зондированию атмосферы (Tomck-KSó, 1992), ХП Всесоюзной научно-тех-кической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология бкстропрогекащях процессов" (Москва-1987 г.), Всесоюзной конференции "Оптико-электрошгыо измерительные устройства и системы" (Тсмгк-1989г.); Ш Всесоюзном научно-техни-ческол семинаре "Применение лазеров з науке и технике" (Иркутск- IS90 г.), Научно-теншеских семинарах кафедры КИТ ТИАСУР (1987-1992 г.г.).

Цубликании. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, получено авторское свидетельство на изобретение и пологлтельнсе репение. Опубликованы 6 тезисов докладов. .

Объем диссертации. Диссертация состоит из взедения, четырех глав, заключения к прилокегая. Основной материал изложен на 110 страницах машинописного текста, содержит 31 лист с рисунками, список литературы из 108 наименований. В приложении приведены документы, свидетельствующие.о практической реализации и целесообразности использования результатов исследования и разработок автора.

Основные положения, выносимые на защиту.

I. Математическое выражение для квантовой эффективности составного фотсприо.!ника, построенное на основе-анализа одноэлект-реншх характеристик УЯ, характеристик "согласующей оптики" и пороговой чувствительности ТПГ (Л5ПЗС).

Z. Штелатическое выражение для шир;жы функции рассеяния ТСФ, построенное на основе анализа ошибок определения координаты од-ноэлектронного события, вносимых УЯ и ТПГ (1$ГОС). ■"" 3. Структур:":;: схсг.о: с-спернг'ен'галыгых установок и методики для исследования квантовой эффективности к пнрюш функции рас-

сеяния ТСФ.

4. Зависимость пространственной разрешающей способности ТСФ с аналоговым накоплением видеосигнала от интенсивности регистрируемого светового потока й чиста накапливаемых ТВ-кадров.

Основное содоржание работы.

Во введении обосновывается актуальность выбранной теш и ее практическое значение, формулируется цель работы, излагается содержание всех глав диссертации, а также приводятся основные защищаемые положения,

В первой главе анализируется современное состояние развития ТСФ, которые строятся на принципах многоканальной одноэлект-ронной регистрация - нээашоимой регистрации одиночных фотонов, попавших на фотокатод ТО аз время наблюдения; регистрации каждого фотоотсчета с равным весам; регистрации пространственной и временной координат Фстособцтий. Определяющим условием выбора компонентов составного Фотоприемника ТСФ является

где Ещт - минимальная энергия Фотоэлектронных сцинтилляций на экране УЯ; J^n." коэффициент передачи энергии сцинтилляции "согласующей" оптикой; Епдр - пороговая чувствительность TUT (ЛФГОС) к малоразмерным однократным изображениям (сцинтилляциям) Анализ основных типов реализованных составных фогоприемников, приведенный в главе, показал, что диапазон комбинаций "30П + объектив + ТПГ достаточно велик и простирается от систем, где' основное усиление'в ТПГ, а меньшее - в ЭОП, до систем, где основное усиление в ЭОП, а меньшее - в ТПГ. Поэтому недостаток применяемого условия (I) - отсутствие количественной связи характеристик компонентов с квантовой эффективностью-затрудняет £Ь1бор компонентов, обеспечивающих повышенную чувствительность ТСФ

)и ставит задачу разработки математического выражения для квантовой эффективности.

Второй важный параметр - функция рассеяния ТСФ - A(z) , являющаяся преобразованием Фурье часто.тно-контрастной характеристики, определяет связь между наблюдаемым I (7.) и истинным CJ(Z) контурами спектральной линии

I(i')=Ju)(z)A(z-z')dz.

- со

Ширина ее, достигающая в Т05 40 ь:шл и менае, позволяет регистрировать "сложный" спектры, состоящие йй неперекрывающихся или частично перекрывающихся спектральных линий разной ширины и интенсивности. В главе рассмотрены особенности спектров излучения а типовых прикладных задачах лазерной спектроскопии. Это могут быть гладкие протяженные' спекгры (спектры флуоресценции нефтей, красителей или одиночные слекгральше полосы), а могут быть сложные (спектры комбинационного рассеяния Или флуоресценции "сложных" вецеств). Измерение спектров, отличающихся таким разнообразием, приводит к необходимости адаптации ширины ФР к измеряемому спектру. Чем более "гладкий" и Монотонный регистрируй емый спектральный образ, тем более широкую ФР можно использовать для его измерения с той ке точность». Увеличение ;ке ширины ФР повышает интенсивность регистрируемых одноэлектроншх событий в пределах элемента спектрального разрежения и уменьшает время измерения сп* -{тральных образов- Подчеркнутая проблема ставит задачу разработки математического выражения для ширины ФР, т.е. получения расчетного соотношения, связывающего се с характеристиками основных компонентой ТОЗ.

Вторая глава.посвящена разработке математических выражений для квантовой эффективности и ширины функции рассеяния.

Квантовая эффективность ТС2 определяется соотношением

где £ - квантовая гффент::зкость фотокатода УЯ; Х~0,7 - эффективность барьерной пленки; Лк=0,65 - коэффициент заполнения микрокакалькой пластины ('«ИЛ) каналами; Ра~0,02 ~ ве~ роятность того, что при первичном соударении электрона со сгенной канала не возникает вторичной эмиссии; £ - коэффициент считывания сцинтилляций с экрана УЯ.

В общем виде можно записать

£г

икп

где \*/(Еса.) ~ распределение энергий фотоэлектронных сцинтилляций (РЕ-5ЭС); К - чувствительность фотокатода ТПГ к из-

лучению экрана УЯ; - премя восстановления канала МКП;

М - загрузка УЯ;- — - частога повторения иьшульсоа питания ШП; - напряжение на МКПг //мкп • - число МКП,установленных а УЯ; £2' и ^ - максимальная и минимальная интенсивность регистрируемых сцинтилляций. Связь каждого из введенных параметров с коэффициенте« £ сложная. Из экспериментальных исследований известен вид РЭФЭС, известно также влияние на РЭФЭС рассматриваемых параметров. При выбранном числе МКП, загрузке УЯ и ТАГ меньше критической, напряжении на МКП (блоке МКП), соответствующем наличие одноэ-лектронного пика в РЭФЭС (при допустимом уровне чумовых отсчетов), выражение (2) примет вид

: е,

Так как статистика усиления одноэлектроннкх событий в канале МКП подчинена закону Пуассона, а средняя величина ыикрокана-льного усиления 10^ и более, то РЭФЭС мокко описать нормальным законом распределения-. Учитывая, что остаточные газы в баллоне УЯ ограничивают величину микроканального усиления, что смепает однозлектронный пик в область малых энергий (Рис. I), в качес-' тве аналитической модели был принят усеченный нормальный закон распределения, отмеченный на рисунке прерывистой линией. Коэффициент считывания сцинтилляций при принятой гипотезе имеет- ■ вид

Е

п *_£_Гс-п ? ¿г

Ь1 '

где

- табулированный интеграл вероятностей; б^ц и Еси,0 - среднее квадратическое отклонение и наиболее вероятное значение энергий сцинтилляций; Ен, Е^ - соответственно кик-

няя и верхняя границы усечения.

075

0.5

op

/Г\\ Jl\\ " 1 V

| 1 \\ | 1 \

1 ' 1 1 \\

\ \ \ \ V ES4—

в

16 icu.JO'qoQm/cu,

Рис. I. Экспериментально измеренное РЭФЭС микроканального УЯ.

)

Записывая полуденное выражение через интеграл Лапласа -

> представляя среднее квадратичес-кое отклонение соотнесением

й -СЧ ~ 2,5б

и введя обозначение

п *ЛЕсц/Есцс >

где & Ecu, - ширина нормального распределения по полувысоте пика, Еогс- минимальная интенсивность сцинтилляций, регистрируемая с "высокой" вероятностью, Епср - пороговая чувствительность ТИГ к фотоэлектронным сцинтилляциям, выражение для квантовой эффективности получи* в виде

ЬЯ

(4)

J,<

£са,а

Из соотнесения (4) следует методика оценки О. - имеющееся РЗКС аппроксимируют усеченные нормальным законом распределения (см. рис.1), из графика находят значенияДЕСц, ЕСЧо, ^н по известной пороговой чувствительности ТИГ'к фотоэлектронным сцинтилляциям, величине коэффициента К и характерис-зщей" оптики определяют, в соответствии с выра-атс . Ка основе получения: значений вычисляют & ¿¡риьу функции рассеяния, часто кмеодпо колоколообразный вид, представил как сум:/.арную ошибку определения истинной координаты однеэлектронного события

тика:.! кениеч (3),

сг » (5)

где ,ДЙМКП , Д&сг - ошибки вносимые, соответственно,

электростатической катодной линзой УЯ, микроканальной пластиной и устройством считывания сцинтилляций.

Первая составляющая опибкк определяется диаметром кружка рассеяния электростатической линзы

где Кэ - коэффициент электронно-оптического увеличения УЯ, У0- начальная энергия электрона, покинувшего фотокатод; С - напряженность электрического поля у фотокатода. Предположив, что интенсивность оцноэлектронных событий в пределах диаметра кружка рассеяния, £>=±36" , распределена по нормально^ закону, величина этой ошибки по полувысоте пика

А&экп0>5~ 0,47_ / ■ • (6)

Ошибку, вносимую 1£'П, определим диаметром ее канала ■

Дисперсию оценки координаты максимального значения интенсивности считываемой сцинтилляции оценим как никнкж границу несмещенной оценки параметра сигнала согласно неравенству Рз.о-Крамера

7

где- о

о

$оо~ истинная координата максимального значения интенсивности считываемой сцинтилляции; Л^- спектральная плотность

- и -

мощности белого шума; - протяженность сцинтилляции;

1^(8) - аналитическое выражение сцинтилляции. Для случая ^(в) , имеющего форму нормального закона распределения случайной величины

•»г/Хф",

где ё&сц - диаметр сцинтилляции.

Предположив, что ошибка считывания сцинтилляции также ргеп-ределена по нормально:// закону, предеяьно-дос?иж;:мое значение ширины ФР по полувисотэ пика примет вид

где Ка - масштаб переноса изображения "согласующей" оптикой. Для наиболее употребимых значений Е = 50а/ин,

составляет величину 16,0 икм.

При считывании сцинтилляций с экрана УЯ с помощью ТГГГ или Л5ПЗС, сшибка нахождения координат центра сцинтилляций определяется способом обработки видеосигнала и нестабильностью растра. 3 рассматриваемом случае оцентровки пачек нормализованных импульсов, соответствующих считываемым сцинтилляциям, координаты центров сцинтилляций находятся с ошибкой, зависящей от расстояния между соседними импульсами пачки. В предположении нормального закона распределения этой ошибки, величину ее по полувысоте пика можно записать в виде

' (7)

где с1,рк - размер фоточувствительной поверхности фотокатода ТГГГ в направлении кадровой развертки (для ЛФШС размер ее фо- ■ точувствительной поверхности);

А/р - число строк растра (чсличестзо фоточувствителыых элементов Л5ПЗС).

Опибтса вызванная нестабильностью растра ТПГ определяется

4 2P ^(OfiRydEaY*Wx* tW* , <Ш

где ^xj^y ~ координаты центра считываемой сцинтилляции;

- относительные нестабильности напряжений питания развертки и анода соответственно; 8, - сторона растра; Jf* - угол поворота растра, определяемый нестабильностью ис-трчников питания фокусирующей катушки и фокусирующего электрода. При использовании-ЛФПЗС можно принять

Подставив соотношения (6, 7, 8) в выражение (5) получим соотношение для ширины ФР по полувысоте ее пика,для случая оцен-тровки нормализованных пачек импульсов,

Без оцентровки пачек импульсов ширина ФР возрастает почти в три раза, а при использовании каждого второго или третьего импульса пачки,соответственно, в шесть или девять раз. Плавное изменение ширины в.необходимых пределах очевидно дает обработка сигнала в микроЗЕМ ICS.

При принятом предположении о форме ФР частотно-контрастная характеристика 1СФ может быть представлена соотношением

где 0 имеет размерность штр/ш.

В третьей главе описаны установки, методики к результаты экспериментальных исследований ТСФ и их основных компонентов, Приведены расчетные значения основных характеристик как для ТС2, разработанных автором, так и для описанных в литературных источниках. Дан анализ путей повышения чувствительности

тез.

Исследование одноэлектронных характеристик микроканальных УЯ проводилось на установке приведенной на рис. 2а. Интенсив-кость сцинтилляций на экране УЯ регистрировалась ФдУ, выходной сигнал которого подавался на анализатор импульсов. Было

- 13 - -

р О "С/ мкп 6. в ип

Рис. 2 а.

ал-307б &

10 4

НС

4 г—*

Рис 25

Рис. г *

11с

<

м

Т С ф 117

15 4 /б

Риг.2г.

Структурные схемы экспериментальных установок.

I - гелий-неоновый лазер ЛГН-105, 2 - ФЭУ, 3 - генератор вы.......„ ^ хронизации, 5 - анализа

^иттитя.ттт.. 7 _ пту—яп

— , — ВЫ-

СОКОВОЛЬТНЫХ импульсов, 4 - блок синхронизации, 5 - анализатор импульсов АИ-1024, 6 - полосовой ~ ""

графопостроитель, 17 - блок обработки ----------- -

лазер ИЛТИ-408Б, 16 _________

видеосигнала, Р - рассеизатель/0 - объектив Гелиос-44-2, НС-неитральный светофильтр, 6. - диафрагма, П - светоделитель-ная пластина.

3

установлено, что РЭФЭС, как правило, имеет одноэлсктронный пик, разброс энергий сцинтилляций в пределах которого — 10^ раз (си. Рис.1), интенсивность цуыозьгх сцинтилляций 10^ т 10^ сцинт/сы^сек. Для экспериментального УЯ с деу?ля севронно-уло-кокними МКП разброс энергий сцинтилляций соизмерим, однако интенсивность пудовых сцинтилляций больив б (10 100) раз, а средний диаметр сцинтилляции — а (3 4 5) раз.

Исследование откликов суперсксккока ЛИ-702-3 на малоразмерное однократное изображение - сцинтилляцию (Яси, с*- (О Ом км), проводилось на установке Рис. 26, где сцинтилляции иммитирова-лись импульсным излучением свегодиода. Еиявлено, что пороговая чувствительность суперзидикока Епар ■^{)2401<?<згп./сцинт. Для диапазона интенсивностей, регистрируащх сцинтилляций (10^ -у 10®) фот/сцинт., отмечено более чем трехкратное увеличение считываемого диаметра. Определено, что для стирания потенциального рельефа, вызванного сцинтилляцией, необходимо не менее четырех полукадров стандартного ТВ-сигнала. Экспериментальная оценка квантовой эффективности составного фотоприемника, созданного на основе разработанных математических выражений изученных характеристик микреканальных УЯ я су-первидикона ЛИ-702-3, а также выбранного в качестве "согласующей" оптики тандема объективов "Гелиос-44-2, прсводилзсь на установке приведенной на рис. 2в. При этом сравнивалась средняя энергия частично-расфокусированного импульсного лазерного излучения на фотокатоде УЯ со средних! числом однаэлектронных событий, регистрируемых за длительность импульса питания !.'ХЛ, системой ввода и обработки изображения (СБОЮ. Было установлено, что для я 900 ш - 0. » (0,13 + 0,01)5.

Для оценки сирины $Р в экспериментальной установке, Рис.£г, на фотокатоде УЯ строилось изображение линии шириной = 35 мкм ( Л = 530 нм) параллельно строка« ТВ растра. Интенсивность изображения соответствовала регистраци.и 2 * 3 однеэ-ек-тронньгх событии за 10 импульсов питания 1!КП. Эксперимент показал, что сирина ®Р по полувисоте пика при оцентровке фотоэлектронных сцинтилляций составляет 42 мкм, а без ее с использованием каждого третьего импульса пачки — 227 мкм.

В таблице I приведет сравкэтелькке Бел:п:пш квантов ей с г-Фективностп и сирин ФР,. экспериментально измеренные и рассчитанные б соответствии с выражениями (4, 9), как для разра-

Разработка ИОА РАН

Разработка ИС

эра 01 РАН

и 8

ЭОЛ с 1.501 + +Гелиос-44-2+ + ЛИ-702-3

ЭОП с МКП + +Гелиос 40+ + ЛИ-705

►з

о

►а

а

о о

►з р

12 -в<

со -о

о>

ел

о

расчет

эксперимент

РЗ

ГП

о

3

п

I!

К,

•а

о

г

СО СО

03

§

а а к ^

03 Ч О " ЙОЙО

к йя к - о о

аос Ч 03 ачо сг'с а о а Р рея сг г I о

о го

1 +

о

расчет

эксперимент

сл

ся

расчет

эксперимент

¡1

<5> со

£ сз

к

"1 -о4

л

II

сь

«5 А,

1

л

<4 1

£ 2

II

к>

-А»

и

"й

II

1

5.

2

II

Ф-

т

ж

Т>

Г1

л

15> 1>>

II

О о,

-о

о

о, ~ 3 •б >.

■К

II

л

II

II

N3

л -

£ £

II

-ъ-§

£

г; а ш у 'х ■1 о о

гз а Т £3

Й &

СО

я

I

К X

о и

:-: чз я и р к

я ч

о го

з: «

|-з и о о сз ч

V»

ботанного автором ТСФ, тек и для известного ТСФ, созданного в институте спектроскопии РАН. Данные таблицы I подтверждают работоспособность предложенных соотношений.

Зависимость, приведенная

А(г)

0,75

0,5

0,25

/

/ \

Í f \ \Л

Х-' /

-90 -60 -50 О 30 г-г0)мкм

Рис. 3. Функция рассеяния ТСФ с оцентровкой одноэлектрон-ных событий. I - экспериментальная кривая, 2 - рассчетная кривая. Z0 - геометрический центр фотокатода.

на Рис. 3 демонстрирует хороиеа совпадение экспериментально измеренной

и рассчитанной в соответствии с выражением полученным 2урье-преоб-рсзованиеы соотношения (Ю).

При исследовании ТСФ с аналоговым накоплением видеосигнала ,Рис.4, на его фотокатоде строилось изображение миры, освещаемой импульсным лазерным излучением («^t = 900 нм, ?ГМ = = 200 не, = 12,5 Гц), совпадающим по времени с импульсом питания Ш1 (£, = 200 не). Интенсив-

ность изображения определялась наборои светофкль-тров, устанавливаемых перед фотокатодом УЯ. Устройство памяти, УП-4,позволяло накапливать необходимое число ТВ^кадров. Было установлено наличие пороговой освещенности фотокатода УЯ — Ю^фот.элект./сы^сек, а также зависимости количества линий разрезаемого ТСФ от энергии лазерного излучения на Фотокатоде и числа накапливаемых ТВ-кадров, Рис. 5.

Анализ полученных результатов позволил выявить пути повышения чувствительности ТСФ:

1. Применения УЯ, нмевщих явно выраженный одкоэлектронкый пик в РЭФХ при ыишгыуме интенсивности кумовых отсчетов.

2. Использование высокоапсртуркых, высокочувствительных ЛФПЗС в комплекте с эффективной "согласующей" оптикой (всл~-конно-оптическими планшайбами), способных регистрировать интенсивность сцинтилляций долины РЗ$ЭС ( — 10^ + 10^ фот/сци.ч)

///ии.

т т 60

у*

250

'т

¿500

Ю-ш ю-<* Ю^Е^Д,

Рис. 4. Структурная схема экспериментальной установки для исследования ТСФ с аналоговым накоплением видеосигнала. I - поворотное зеркало, 2 - инфекционный лазер. 1ПИ--103, 3 - блок синхронизации, 4 -зидеоконтрольное устройство, М -тест-объект.

пар/лин. разрешай®« с контрастом 1<а=0,1 от энергии ка фотокатоде. Царева на графике обозначено число накапливаемых ТВ-кадрсз

•3. Применение цифровой обработки и цифрового накопления зиде-осигнзла, соответствующего одноэлетстрснным событиям. Увеличение точности оцентровки фотоэлектронных сцинтилляций. Введение структур.адаптации сирины £Р измеряемому спектру.

В четвертой главе приводятся примеры использования созданных-ТСЗ з судовой спектрофлуорометрической установке, лабораторном лазерном спектрометре КР и медицинской лазерной спектрофлуорометрической установке.

. Судовая спектрофлуорокетрическая установка, оснащенная ТС5 на базе составного фотоприемника - "микроканальшй УЯ + Гели-ос 44-2 + ЛИ-702-3" и мякроЭВМ "Электроника-60", применялась для изучения качества морской воды с борта судна по спектрам ее Флуоресценции и комбинационного рассеяния. Установка была смонтирована на научно-исследовательском судне "Арнольд Вейыер" АН Эстонии. Осо-бенности натурных измерений с борта судна - детех-

тирован/а слабых сигнальных потоков на фоне засветки и одновременная регистрация широкого участка спектра. Применение ТСФ позволило уменьшить погрешности измерений вызванные: возмущениями, вносимыми в водную среду движущимся судном; изменением энергии лазерного излучения от импульса к импульсу; волнением водной Поверхности. В процессе измерений впервые были обнаружены существенные различия в спектрах обратного рассеяния вод Балтийского моря, Северного моря и Атлантического океана.

Лабораторный лазерный спектрометр КР, оснащенный разработанным составным фотоприеаником и анализатором импульсов АИ-1024, в качестве блока обработки видеосигнала, применялся для изучения газового состава воздуха методом комбинационного рассеяния В ходе эксперимента уверенно регистрировались лиши комбинационного рассеяния Og, COg и HgO, возбуждаемые излучением лазера ИЛТИ-408. Применение ТСФ позволило сократить время измерения ( — 15 раз) по сравнению с одноианальным счетчиком и вводить коррекцию в регистрируемый спектр, искаженный нарастающим фоном флуоресценции."

В медицинской лазерной спектрофлуорометрической установке частично расфокусированным пучком лазерного излучения ( С = = 10 не, Л = 337 нм) освещалась область исследуемой биоткани (150 * 300 ыкм в диаметре). Из всего спектра возникающей флуоресценции регистрировался один спектральный интервал. Далее на фотодатоде ТСФ строилось микрографическое изображение, отображающее распределение интенсивности этого интервала по освещенной области. Установка использовалась для исследования характеристик собственной флуоресценции клеток слизистой оболочки желудка в норме и патологии. Применяемый ТСФ был создан на основе составного фотоприемника и устройства памяти УП-4. Длительность -строб-импульса - 200 не. Система работала как в режиме регистрации отдельных фотонов, так и в режиме аналогового сигнала. Было показано, что суммарный спектр флуоресценции слизистой оболочки яелудка в основном определяется излучением молекул тирозина, триптофана, флави-нопротеинов и т.д. Выявлены различия интенсивности флуоресценции и спектральных характеристик здоровой слизистой и пораженной опухолью.

Основные параметры ТСФ, созданных для вышеизложенных применений, представлены в"таблице 2.

Таблица 2.

Параметра разработанных телевизионных счетчиков фотонов.

№ Технико-экономические показатели ТСФ судовой спектро-. флуорометрической. установки ТСФ лазерного спектрометра КР тез медицинской лазерной спектрофлуороыетри-ческои установки

I. Состав фотоприемника УЯ с МКЛ + УЯ с ШСП+ УЯ с МКЛ+

+Гелиос 44-2+ +Гелиос 44-2+ +Гелиос 44-2+

+ЛИ-702-3 +ЛИ-702-3 +ЛИ-702-3

2. Регистрируекшй спектраль- 400 + 800 400 * 900

ный диапазон, нм ' 650 4- 690

3. Интенсивность шумовых отсчетов, см сек"' . Ю3 -*Ю4 Ю3 + Ю4 Ю3 т Ю4

4. Длительн.строб-импульс.,ис 500 200 200

5. Частота повторения строб- 12,5 12,5 50

импульсов, Гц

б. Квантовая эффективность 5,0( Л =550нм) 5,0( и =550н1л) 0,13( =900ны)

5,01 Д =550нш

7. Ширина функции рассеяния,мкм 42 297 -

8. Число линий, разрешаемых 20 * 180

с контрастом, 0,1 . - -

9. Выигрыш 'во времени по сравне-

нию с одноканальным счетчиком ' 40 15

фотонов —

10. Интервал спектрального усред- 2,4 .

нения, им —

II." Потребляемая мощность, Вт . 350 300 350

■ --В -щшоазяст, описана 'селеэпзионная система регистрации слабых-кзобразений объектов, подсвечиваемых импульсным лазерным изцучвниеа. В снзтеш, 'за- свет -возшжностк установления временной аадерзкн иезду щнученши световым кипульсоы и строб-импульсом, имелась возмогдость наблюдать объекты через оптически плотшо среда и определясь до них расстояние. Б частности, регистрировались срезы дыновых выбросов из устья трубы с пространственным интервалом SO метров. Тахяе описано компактное устройство, разработанное для импульсного питания ККП усилителя яркости. Оно форшрует на МКП икпульсы питания, регулируемые в диапазоне 500 -i IOOO В, имеющие длительность 200 не и.следующие.о частотой до 10 кГц.

Основные результаты диссертационной работы. "I. Рассмотрено состояние проблемы построения высокочувствительных TCS на- основе составных фотоприемшшев к приведен аналитический обзор регистрируемых спектров флуоресценции к комбинационного рассеяния, возбуждаемых импульсным лазерным. излучением.

2. Разработаны математические вырааеши для квантовой вф-фективности и ширины i'?, позволяющие выработать рекомендации по проектировании перспективных стробируемых TOS.

3. Получено выражение для предельно-досиЕИМого значения ширины £Р, построенное на анализе суммарной оиибкк определения . иатинных координат одноэлектроняых событий, вносимой ыикрока-нальным УЯ к ТПГ.

■ 4. Разработаны методики и структурные схемы установок для оценки квантовой эффективности и сирины ФР, характеристик основных компонентов составного фотоприемника TOS. • 5. Проведено экспериментальное исследование опытных образцов разработанных устройств, реализующих предложенные математические выражения квантовой эффективности и сирины SP.

■ 6. На основе теоретического, анализа разработаны новые структуры TCi', существенно повышающие его чувствительность. •■--7. Материалы-диссертации мопутбить использованы во многих других областях науки к техники приооростроения и имеит большое практическое значение,ч^о-подтверадается..актами внедрения.

Основные "результаты--диссертации опубликованы ъ работах. -

I. Климкин В.И., Чнкуров В .А. Некоторые характеристики уси-

литеяя яркости изображения с ШП. применительно :с задача регистрации предельно-слабых спсглроз КР-сиг«апов // IX ВсееоЕзкый симпозиум по лазерному и акустическому зондирсзашгэ атмосферы: Тез.докл. - Томск, I9S7. - Ч.-2.-С.344-313.

2. Клжшш В.М., Чихурсв В.А. Исследование однсэлсэтрониых характеристик усилителя яркости. // ХП Всесоюзная научно-техническая конференция "Высокоскоростная фотография, фотонина и метрология бкетропротехакдих процессов"; Тез.докл. И., ВЕИИСШ 1987.- с.46.

3. Долгий С.И., Дудсльзан А.Э., Зуез В.Е., Ипполитов И.И., Климкин В. II., Николаев В.Н., Чикуроз В.А., Хмельницкий Г.С. Яндарные исследования год акватории Балтийского морл. //Океанология.- 1937. - аып.5.- Т.ХХУП.- с. 857-860.

4. Замятин Н.Э., Климкин B.II., Чикуроз В.А. Одкоэлектрон-ные характеристики электронно-оптического преобразователя с импульсным питагг.!ем минроканальной пластш-з. // Оптика атмосферы.- 1983,- ГЛ.- 53 - C.I04-I03.

5. дудользатс А.Э., Ипполитов И.И., Клзаякш 3.Ü., Кудрявцев G.K., Соаоаиков В.Г., Зедоризев В.Н., Чнкуроз В.А., Щеглов В. В. Флуоресцентный яидар для исследования природ;ж сред. fi Приборы л системы управления.- 1988. - ТЛ - С. 30-31.

3. Замятин Н.В., Климкин B.U., Зедстова Г.В., Чикуроз В.А. Одноэлектронкые характеристики усилителя яркости с »тульским питанием секции мифокакальшго усиления // Опт:гаа атаосферн.-1529.- Т.2 - Гб - С, 665-667. '

7. Макаров A.A., Чияуров H.A. Характеристики суперзндиконг ЛП-702-3 как элемента гшогоканального счетчика фстокоэ.// Оптика атмосферы. - 1989.- Т.2 - >ГЭ - C.9S7-S99.

3. Еорясоз В.Д., Клизяшн В.Н., Кругикоз В.А., !.1а::ароз A.A., Зэцотсза Г.В., Чикурстз В.А. Высокочувствительная, стрсблруе-кзя телевизионная система регистрации изобрагегаЗ.// Оптика атмосферы.- IS90.- Т.З - ЛО - С. П02-П07. .

9. Прокопьез В.Е., Кпгдии В.Н., Чихуроз В.А., Уду™ В.З. Лазерная спектрофлуорометричес.чал система з диагностике злокачественных опухолей желудка. // П1 Всесоюзный шучко-технп-чееэт.й семинар "Пркиененкэ лазероз з гауяе и технике": Тез. докл.- Иркутск, 1990,- С.123-124.

10. Борисов Б.Д. ,■ Крутиков В.А., Ютаяин В.М., "s::apoa A.A. Федотова Г.В., Чикуроз В.А. Телевизионный многоканальный счет-чиж фотонов.//Оптика атмосферы.- 1990.- Т.З.- "5 - C.57I-672.

П. Эусз C.B., Карпов C.H., Кладгик В.Ы., Макаров A.A., Чикуров В.А. Стробирушяй телевизионный регистратор. //Прибора к техника эксперимента.- 1991,- £5 - С.207-203.

12. Поляков Н.П., Чшуров В.А. Формирователь высоковольтных импульсоз для питания микрок&кальной пластики усилителя яркости. // Приборы к техника эксперимента.- 1991.- Р2 - С. II5-II7.

13. Воробьева Л.П., Климккн B.W., Чикуров В.А. О квантовой эффективности телевизионного счетчика фотонов. // Оптика атмосферы и океана.- IS92.- Т.5 - M - С. 439-444.

14. Чикуров В.А. О пространственном разрешении телевизионного счетчика фотонов. // Оптика атмосферы и океана.- 1992 -Т.5 - Ш - C.II8ü-Iie9.

15. Гавриловский Е.И., Макаров A.A., Чикуров В.А. Многоканальный счетчик фотонов для регистрации сверхслабых потоков. A.C. № 1670Э93.

16. Чикуров В.А. Электронно-оптический затвор. Положительное решение )? 4874672/21-102058 от 15.10.90 г.

Личный вклад. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Болызинство работ выполнено в соавторстве с Климки-ным В.Ы., причем диссертанту принадлежит основная роль в разработке математических выражений ["13, 14], в создании экспериментальных установок и методик для измерения характеристик ТОа' и их основных компонентов [I, 2, 4, 6, 7, 8]; разработке ТС4' и их оснастки [8, 9, 10, II, 12] ; использовании ТСФ при проведении физических измерений [3,5].

I Р-

ушсй-оы. 0}

Форма г G0.\54 i/10. OGl-cm 1,4 печ. л.

Зак^э Тираж SO SK3.

МЛЛОО гПо.ч:тг^1ист*

634055, Томгк—S5, ср. Ахадеьстчэсхкя, 2/6