УДК 621.396.936.3
СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СВЕРХСЛАБЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
THE SYSTEM FOR THE REGISTRATION OF ULTRA-WEAK
OPTICAL SIGNALS
Кулов Сослан Кубадиевич
д-р техн. наук, профессор, ген. директор
Кабышев Александр Михайлович
канд. техн. наук, доцент, ст. инженер-электроник
Бестфатер Дмитрий Викторович
и. о. главного конструктора
Рыжков Александр Александрович
и. о. нач. лаборатории Е-шйИ: jurodivij@gmail.com
Федотова Галина Васильевна
нач. лаборатории
ООО "Владикавказский технологический центр "Баспик"", г. Владикавказ
Аннотация: Предложен и реализован принцип регистрации сверхслабых сигналов для детектирования оптического излучения на базе малошумящего микроканального детектора, интегрированного в один модуль с системой питания и обработки информации, позволяющий использовать аппаратуру на открытой местности.
Ключевые слова: вакуумированный детектор, микроканальная пластина, зарядочувствительный усилитель, многоканальный анализатор импульсов, ультрафиолетовое излучение, амплитудное распределение импульсов.
ВВЕДЕНИЕ
Для регистрации сверхслабых сигналов используются датчики, работающие в режиме счета отдельных частиц (фотонов, электронов и т. д.). К таким приборам относятся детекторы открытого типа, выполненные на основе микроканальных пластин (МКП). При этом уровень регистрируемого сигнала составляет единицы милливольт, что требует его многократного усиления, прежде чем сигнал поступит на регистрирующую аппаратуру, в качестве которой обычно используется многоканальный амплитудный анализатор импульсов [1]. Так как МКП и детекторы, выполненные на их основе, имеют большое внутреннее сопротивление (сигнал на выходе детектора формируется в виде импульсов тока), то для усиления сигнала в таких устройствах применяют усилители,
Kulov Soslan Kubadievich
D. Sc. (Tech.), Professor, General Director
Kabyshev Alexander Mihajlovich
Ph. D. (Tech.), Associate Professor, Senior Electronics Engineer
Bestvater Dmitry Viktorovich
Acting Chief Designer
Ryzhkov Alexander Alexandrovich
Acting Head of Laboratory Е-mail: jurodivij@gmail.com
Fedotova Galina Vasiljevna
Head of Laboratory
LLC Vladikavkaz Technological Center "Baspik", Vladikavkaz city
Abstract. The principle of super-weak signals registration for optical radiation detection is proposed and implemented by means of a low-noise microchannel detector, which is integrated into a single unit with power system and data processing, which allows to use the unit outdoors.
Keywords: evacuated detector, microchannel plate, charge-sensitive amplifier, multichannel pulse analyzer, ultraviolet radiation, amplitude distribution of pulses.
чувствительные к величине заряда, — зарядочувст-вительные усилители (ЗЧУ). В стационарной аппаратуре проблем с измерениями слабых сигналов, как правило, не возникает, так как есть возможность хорошо экранировать, заземлить и разнести в пространстве друг относительно друга регистрирующую аппаратуру, блоки питания и датчик.
В настоящее время актуальной является проблема разработки мобильных приборов для регистрации сверхслабых сигналов оптического диапазона (рентгеновского, ультрафиолетового, видимого, инфракрасного излучений) с хорошими массогабаритными показателями и низким энергопотреблением, что позволит в качестве первичного источника питания использовать малогабаритные аккумуляторные батареи.
Портативность и компактность устройства, у которого в одном корпусе расположены такие
40
Sensors & Systems • № 5.2015
элементы, как чувствительный датчик, блок питания, усилитель с высоким коэффициентом усиления и многоканальный анализатор импульсов, приводит к влиянию узлов схемы друг на друга. При этом уровень аппаратурных шумов может превышать уровень измеряемого сигнала. Применение экранов для защиты от электромагнитного излучения и электронных фильтров для подавления шумов не решает проблему. Применение экранов ухудшает массогабаритные показатели устройства, а применение фильтров приводит к изменению формы импульсов сигнала, происходит искажение информации.
СХЕМА ДЕТЕКТИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
Проблема может быть решена путем разделения во времени процесса формирования рабочего напряжения детектора и других элементов схемы и процесса регистрации сигнала. Схемотехническое решение, реализующее такой принцип регистрации сигнала, нашло применение в схеме системы детектирования сигналов ультрафиолетового диапазона излучения, структурная схема которого показана на рис. 1.
Система построена на основе вакуумирован-ного микроканального детектора, состоящего из входного окна (обладающего прозрачностью в частотном диапазоне регистрируемого излучения), фотокатода (чувствительного к заданной области спектра), шевронной У-образной или 2-образной сборки и анода. Шевронная У-образная сборка формируется на основе двух микроканальных пластин (МКП), расположенных друг за другом и ориентированных таким образом, чтобы оси их каналов образовывали угол в шестнадцать градусов (или больше), что зависит от угла наклона каналов. В 2-образной сборке аналогичным образом объединены три пластины. Шевронная сборка микроканальных пластин повышает коэффициент усиления детектора и предотвращает обратный поток ионов, отрицательно влияющих на работу фотокатода.
Поступающее на вход детектора излучение ультрафиолетового (УФ) диапазона проходит через прозрачное для УФ-излучения окно и попадает на фотокатод, нанесенный на входную поверхность МКП. Возникающие фотоэлектроны умножаются в сборке МКП в раз. Микроканальные пластины при этом работают в так называемом режиме зарядового насыщения, резко ограничивающего вариацию коэффициента уси-
Регистрируемый
сигнал Д
1 2 31|
Г шгГ
_ Е1+ _Е2 +
УМН
С1
ЗЧУ
К
Е
ВПН
АЦП
МК
-»- К
компьютеру
АБ
И
Рис. 1. Структурная схема детектирующей системы:
Д — детектор; АБ — аккумуляторная батарея; ВПН — высокочастотный преобразователь напряжения; УМН — высоковольтный умножитель напряжения; ЗЧУ — усилитель заряда; К — электронный ключ; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; МК — микроконтроллер; И — цифровой индикатор
ления пластины, что приводит к снижению собственных шумов МКП и дает возможность регистрировать отдельные кванты, поступающие на вход детектора [2].
Для работы детектора требуются два уровня постоянного напряжения Е1 и Е2 (см. рис. 1). Напряжение Е1, равное 2 кВ, подается на шевронную МКП сборку, а Е2, равное 300 В, — на анод детектора. Уровни напряжений Е1 и Е2 формируются с помощью умножителя напряжения УМН и высокочастотного преобразователя напряжения ВПН, который преобразует низковольтное постоянное напряжение аккумуляторной батареи АБ в переменное напряжение высокой частоты.
Преобразователь ВПН представляет собой инвертор напряжения, он состоит из высокочастотного повышающего трансформатора и транзисторных ключей. Управление транзисторными ключами инвертора осуществляется с помощью микроконтроллера МК. Блок ВПН является основным источником электромагнитного излучения (аппаратурных шумов) в схеме.
Переменное напряжение с выхода ВПН поступает на вход УМН, где происходит его выпрямление, умножение и фильтрация высокочастотных пульсаций. В состав УМН входят конденсаторы, на которых фиксируются уровни напряжений Е1 и Е2. Элементы схем АБ, ВПН и УМН образуют блок питания детектора. В схему на рис. 1 также введены элементы Я1 и С1. Резистор Я1 используется для гальванической связи блока питания с анодом детектора. Его сопротивление должно быть
Рис. 2. Осциллограмма сигнала на входе ЗЧУ
Рис. 3. Осциллограмма сигнала на входе АЦП
меньше, чем сопротивление между выводами 2 и 3 детектора, в противном случае значительная часть напряжения Е2 будет прикладываться к Я1. В тоже время, сопротивление резистора Я1 должно быть больше, чем входное сопротивление ЗЧУ, иначе резистор будет шунтировать вход усилителя.
Конденсатор С1 выполняет функцию разделительного конденсатора, т. е. пропускает на вход ЗЧУ только переменную составляющую сигнала (сигнал состоит из переменной составляющей — это полезная часть сигнала и из постоянной составляющей, величина которой определяется значением напряжения Е2 блока питания). Другая и основная функция конденсатора — это накопление заряда, величина которого зависит от значения импульсов сигнала, поступающего с анода детектора (вывод 3). Накопленный заряд поступает в ЗЧУ, где усиливается и преобразуется в импульс напряжения, величина которого определяется по формуле:
и® = С е«С,
(1)
где и — напряжение на выходе ЗЧУ, В; С — заряд с выхода детектора, Кл; Я — сопротивление в цепи обратной связи, Ом; С — емкость в цепи обратной связи, Ф.
Выход усилителя через электронный ключ К подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя АЦП, который служит для преобразова-
ния сигнала в цифровой код. Цифровой код принимается и обрабатывается микроконтроллером для дальнейшей передачи его в компьютер. Если К включен, то он шунтирует выход усилителя, и сигнал на вход АЦП не поступает. Работой ключа, как и работой ВПН, управляет микроконтроллер. Если ключ включен, то работает и высокочастотный преобразователь напряжения в блоке питания, если ключ выключен, то выключен и ВПН, тогда сигнал с выхода ЗЧУ поступает на вход АЦП.
На рис. 2 и 3 приведены осциллограммы сигналов, полученные при работе устройства. На осциллограммах отмечены интервалы времени Т1 и Т2. На интервале времени Т1 выключены ВПН и электронный ключ К, сигнал с выхода детектора усиливается, поступает на вход АЦП и фиксируется в памяти МК. На интервале Т2 работает высокочастотный преобразователь напряжения и ключ К включен, в этом случае прохождение сигнала блокируется. На осциллограмме рис. 2 показана форма сигнала на входе ЗЧУ. Видно, что амплитуда полезного сигнала (интервал Т1) значительно меньше, чем амплитуда аппаратурных шумов, генерируемых высокочастотным преобразователем напряжения (интервал Т2) [3].
На осциллограмме рис. 3 показана форма сигнала на входе АЦП. Видно, что амплитуда импульсов сигнала (интервал времени Т1) превышает амплитуду шумов (интервал Т2). Включение и выключение ВП
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.