РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 6, с. 743-751
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.383.292
ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ В ФОТОЭЛЕКТРОННЫХ УМНОЖИТЕЛЯХ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ ЛИДАРНЫХ СИГНАЛОВ В ТОКОВОМ РЕЖИМЕ © 2004 г. Г. П. Коханенко, И. Э. Пеннер, В. С. Шаманаев
Поступила в редакцию 19.06.2002 г.
Исследованы временная форма и интенсивность индуцированного сигналом шума, возникающего при мощной импульсной засветке фотокатода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Рассмотрены особенности регистрации слабых световых сигналов на фоне этого шума. Показано, что в этих условиях ФЭУ не является линейной системой и его чувствительность к полезному световому сигналу сложным образом изменяется на протяжении сотен наносекунд после засветки.
введение
При лазерном зондировании оптически плотных рассеивающих сред (например, при зондировании морской воды с борта самолета) используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с высоким временным разрешением (время нарастания сигнала порядка 2...3 нс). Из-за быстрой изменчивости изучаемого объекта необходима регистрация каждого отдельного лидарного импульса, что возможно только в токовом режиме работы ФЭУ. Энергии применяемых лазеров обычно достаточно для уверенной регистрации сигнала с расстояния в несколько сотен метров. Однако полезному световому сигналу предшествует более мощная засветка, вызванная частичным отражением от поверхности воды либо рассеянием на поверхностных неоднородностях (пена, загрязнения). По длительности эта засветка равна длительности лазерного импульса (5.10 нс), а по мощности не только больше полезного сигнала, но и значительно превосходит диапазон линейной работы ФЭУ.
В случае освещения ФЭУ слабым световым потоком Р(0 приемную систему можно рассматривать как линейную, при этом анодный сигнал и(0 может быть выражен в виде свертки [/(0 = = Р(г) * Н(г), где Н(г) - импульсная переходная функция (ИПФ) системы, которая может быть экспериментально измерена. Это позволяет использовать достаточно простые и хорошо разработанные методы восстановления сигналов [1, 2] для учета временного разрешения приемной системы и восстановления оптических параметров воды при лазерном зондировании [3]. В случае освещения фотокатода мощным световым сигналом изменяется форма анодного отклика ФЭУ и появляются шумовые всплески анодного тока через 40.300 нс после прихода импульса. Именно этот временной интервал является наиболее информативным при зондировании гидрозольных слоев. Шумовые импульсы по ошибке могут быть
приписаны отражению света от подводных объектов или объясняться явлением фокусировки луча поверхностными волнами. Однако стабильное положение этих импульсов на временной шкале для каждого экземпляра ФЭУ и особенности их поведения при изменении напряжения питания и мощности засветки указывают на их шумовую природу и внутреннее для ФЭУ происхождение. Самое неприятное заключается в том, что коэффициент усиления ФЭУ для полезного сигнала, приходящего после мощной ослепляющей засветки, может изменяться и зависеть от времени. При этом ФЭУ уже нельзя рассматривать как линейную систему и использовать уравнение свертки при обработке лидарных сигналов.
В данной статье рассматриваются особенности реакции ФЭУ, работающего в токовом режиме, на ослепляющую импульсную засветку, временное распределение шумов последействия в интервале до 1000 нс и нелинейные эффекты, наблюдающиеся при регистрация полезных сигналов на фоне этих шумов.
1. шумы последействия (послеимпульсы) в фотоэлектронных умножителях и линейность фэу
Увеличение числа шумовых импульсов в ФЭУ, вызванное интенсивной световой засветкой, обнаружено достаточно давно (упоминается в работе [4], посвященной анализу темновых токов ФЭУ). Газоразрядные процессы, являющиеся основной причиной возникновения добавочных шумовых импульсов, подробно описаны в монографии [5], там же приведен обзор большого числа работ, относящихся к наблюдению подобных шумов.
Шумовые импульсы различной природы имеют различную задержку относительно исходной световой засветки [5-8], но основная их часть попадает в интересующий нас временной интервал.
Так, свечение (люминесценция) динодов вызывает экспоненциально спадающий шум с характерным временем задержки ~60 нс [9]. Ионы, образующиеся во входной камере и в результате десорбции с динодов, приводят к появлению шумовых импульсов в районе 200.. .1000 нс с характерными пиками, соответствующими различным газам [6, 10]. Экзо-электронная эмиссия с динодов имеет характерное время задержки от сотен наносекунд до микросекунд [11]. В этой же работе [11] упоминается о возможности послеэмиссии с фотокатода с такими же временами задержки. Широко используемый в литературе для таких шумов термин "по-слеимпульсы" (англ. арегри^е8) хорошо соответствует особенностям работы ФЭУ в режиме счета фотонов, при котором регистрируется суммарное число импульсов (сигнальные + шумовые) в определенном интервале времени, а само появление шумовых импульсов носит случайный (стохастический) характер. Появление послеимпульсов не носит порогового характера, но наблюдается при любых, самых малых энергиях световых засветок, вплоть до одиночных фотонов. При малых засветках, характерных для режима счета фотонов, можно считать достоверным линейный характер работы ФЭУ как приемной системы.
Напомним основные свойства линейных систем [1]. Можно формально записать, что входной и выходной сигналы связаны операторным уравнением
и(г) = Л(г) * Р( г) = |Л(г - т)Р(т)йт.
(3)
и (г) = НР (г),
(1)
а оператор Н - линейный оператор. Основное свойство суперпозиции линейного оператора предполагает, что отклик системы на сумму двух (или нескольких) одновременно приходящих световых сигналов Р равен сумме откликов на каждый отдельный сигнал:
и (г) = Н
£ Р( г) = £[ нр (г)].
(2)
Обычно при определении свойства линейности в руководствах по эксплуатации ФЭУ [12, 13] обращается внимание на второе свойство суперпозиции - пропорциональность выходного сигнала световому потоку Н[кР(г)] = кН[Р(г)], где к -константа. В случае освещения фотокатода в момент времени т единичным световым импульсом Р(г) = 8(г - т) анодный сигнал будет и (г) = Н5(г - т) = = Л(г, т), а функция Л(г, т) (отклик ФЭУ на 5-им-пульс) является весовой функцией системы (в другой терминологии - импульсной переходной функцией, ИПФ). Если функция Л(г, т) не зависит от момента т прихода сигнала: Л(г, т) = Л(г - т) (а так обычно и бывает для регистрирующих систем со стабильными параметрами), анодный сигнал может быть выражен в виде свертки
Во всех работах, связанных с обработкой сигналов с учетом послеимпульсов, предполагается (и подтверждается измерениями) пропорциональность между вероятностью появления послеимпульсов и мощностью светового импульса [6, 14-17]. (Исключением является работа [18], где обнаружена нелинейность этой зависимости, но указывается, что характер зависимости может быть различным для послеимпульсов различной природы.) Поэтому в предположении о линейности ФЭУ (выполнении условия (2)) выходной сигнал при обработке представляется [6, 16] в виде суммы исходного сигнала (фотоэлектроны) и шумового (послеимпульсы), причем усиление (амплитудное распределение) для сигнальных импульсов не зависит от момента времени, т.е. используется соотношение свертки (3).
Рассмотрим теперь токовый режим работы ФЭУ. Пусть в момент т = 0 на ФЭУ приходит импульс засветки, который вызывает появление послеимпульсов в различные моменты времени с вероятностью Л(г). При постепенном увеличении мощности световой засветки и переходе в токовый режим вероятность появления шумовых импульсов определяет форму отклика анодного тока Л(г, т = 0) на импульсную засветку. Может ли эта функция считаться весовой функцией системы, входящей в (3)? В случае лидарных сигналов в токовом режиме с наносекундным разрешением это нужно исследовать особо. Сам термин "после-импульсы" плохо подходит для токового режима, поскольку в этом случае явление наблюдается в виде непрерывного распределения анодного тока и(г), регистрируемого после окончания импульса засветки, с характерными для каждого типа ФЭУ локальными максимумами в различные моменты времени. Кроме того, явление носит, как увидим ниже, нелинейный характер. Поэтому в данной работе мы будем использовать термин "шумы последействия", имея в виду под последействием (англ. afгerpulsing) всю совокупность процессов, возникающих в ФЭУ после мощной световой засветки.
Как правило, мощные засветки, подобные вызванным отражением лазерного пучка от подстилающей поверхности или выходных иллюминаторов самолета, вызывают столь большой шум, что регистрация в режиме счета фотонов после этого становится невозможной. Для таких засветок характерно, что их амплитуда значительно превосходит диапазон линейной работы ФЭУ. Возникающие при этом в выходных каскадах ФЭУ объемные заряды имеют конечное время рассасывания, что приводит к искажению формы анодного сигнала. Может ли это привести к измене-
0
Сравнительные характеристики исследованных фотоумножителей
Характеристика ФЭУ-144 R5800 EMI9954
Тип фотокатода S20 RbCs RbCs
Диаметр фотокатода, мм 16 21 51
Число динодов 11 10 12
Анодная чувствительность на 0.53 мкм, А/Вт 1 х 105 2.5 х 105 5 х 105
Время пролета, нс 40 22 41
Временное разрешение (передний фронт/ширина), нс <3/7 1.7/? 2/3
нию линейной зависимости мощности индуцированного сигналом шума (шума последействия) от энергии световой засветки? Ответ на этот вопрос не очевиден, поскольку основной вклад в шум последействия вносят процессы во входной камере и первых динодных промежутках, где насыщение не наблюдается, а мощность самого шума находится в пределах линейного диапазона ФЭУ.
В литературе имеются данные, свидетельствующие о возможности изменения чувствительности (коэффициента усиления) ФЭУ после однократной импульсной засветки фотокатода. При засветке более 107 фотон/с может произойти изменение параметров ФЭУ, как темнового тока, так и чувствительности, которая восстанавливается за промежуток времени от минут до нескольких часов [5, 12]. После импульсных засветок мощн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.