ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 80-84
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 535.89;539.1.075
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ НАНОСЕКУНДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА НА ОСНОВЕ СИНИХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ ИЗ СОЕДИНЕНИЙ GaN И InGaN
© 2004 г. Е. Э. Вятчин, Б. К. Лубсандоржиев
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 05.11.2003 г.
Представлены результаты исследования стабильности параметров наносекундных источников света на основе ярких синих светоизлучающих диодов фирм Nichia и Kingbright, разработанных для калибровочных измерений в глубоководном нейтринном телескопе НТ-200, атмосферном черенковском телескопе у-квантов высоких энергий MAGIC и широкоугольном черенковском детекторе широких атмосферных ливней ТУНКА. Временная стабильность световых источников не хуже 1%, изменение световыхода в температурном диапазоне от -3°С до +45°С составляет соответственно +7% и -9%.
В начале 90-х годов японскому физику Шуджи Накамура (Shuji Nakamura), работавшему в то время в компании Nichia Chemical Ltd, на основе соединений GaN и InGaN удалось создать светоди-оды, исключительно ярко излучающие в синей и зеленой областях спектра [1]. Яркость новых све-тодиодов могла достигать 10 кд, в то время как яркость существовавших до того времени синих светодиодов на основе SiC составляла всего лишь ~10 мкд, а зеленых светодиодов из GaP —50-60 мкд.
В настоящее время разработаны и стали широко доступны синие и зеленые светодиоды из GaN и InGaN с яркостью 1-12 кд. На основе этих же соединений разработаны также ультрафиолетовые светодиоды. Спектры излучения зеленого, синего и ультрафиолетового светодиодов фирмы Nichia Chemical Ltd серий NSPG, NSPB и NSHU соответственно [2] представлены на рис. 1.
Кроме большой яркости, эти светодиоды обладают хорошими временными характеристиками. При пропускании через них импульсов тока наносекундной длительности амплитудой в несколько ампер удается получить исключительно яркие световые импульсы также наносекундной длительности.
В качестве формирователей импульсов запуска светодиодов используются устройства на основе либо лавинных транзисторов [3-7], либо быстрого разряда конденсатора с помощью комплементарной пары быстрых сверхвысокочастотных транзисторов [8]. Наибольшего световыхода и, одновременно с этим, наименьшей длительности светового импульса источника света удается достичь с формирователями на лавинных транзисторах.
В данной работе был использован формирователь импульсов запуска светодиода на основе лавинных транзисторов БММТ415 или 2ТХ415 производства фирмы 2е1ех, его принципиальная электрическая схема показана на рис. 2. Формирователь обеспечивает максимальный световы-ход источника света, число фотонов в импульсе ~109, длительность светового импульса 1-2 нс (полная ширина на половине высоты импульса). При этом амплитуда импульса тока, проходящего через светодиод и инициирующего световой импульс, может достигать ~3 А. Подробное описание такого источника наносекундных световых импульсов приведено в работе [7].
Интенсивность, отн.ед.
X, нм
Рис. 1. Спектры излучения светоизлучающих диодов производства Nichia Chemical Ltd: 1 - NSHU590E; 2 -NSPB500S; 3 - NSPG500S.
+600
Я4П5.1 :
С3100н
к
С2(3-10) П
Li
30 П R
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема формирователя импульсов запуска светодиода. Т и Т2 - лавинные транзисторы БММТ415 или 7ТХ415; Д1 - све-тоизлучающий диод №сЫа К8РБ5008 или Kingbright Ь7113КБС; ¿1 - 10-15 витков медного провода 00.2 мм, диаметр намотки провода 3-4 мм.
Источники света с такими формирователями импульсов были разработаны для временных и амплитудных калибровочных измерений в широкомасштабных сцинтилляционных и черенков-ских детекторах [7]. В настоящее время эти источники активно используются в Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ-200 [9], в широкоугольном черенковском детекторе широких атмосферных ливней ТУНКА [10] и в атмосферном черенковском телескопе у-квантов высоких энергий MAGIC [11].
Долговременная и температурная стабильность параметров источников света на основе светодио-дов Nichia NSPB500S и Kingbright L7113NBC с формирователями импульсов запуска, выполненными на лавинных транзисторах FMMT415 либо ZTX415, измерялась на стенде, функциональная схема которого показана на рис. 3. Всего было исследовано по 15 светодиодов каждого типа с одним и тем же формирователем импульсов запуска. Разброс параметров измеренных образцов светодиодов каждого типа не превысил 1%.
Источник наносекундных световых импульсов содержит формирователь Ф импульсов запуска светодиода и светодиод СД. Световые импульсы источника, проходя через оптоволоконный ка-
Рис. 3. Функциональная схема измерительного стенда для исследования долговременной стабильности источника наносекундных световых импульсов. Т - термостат; Ф - формирователь импульсов запуска светодиода; СД - светоизлучающий диод; Г - генератор импульсов DG535; ОК - оптоволоконный кабель; ОФ - набор оптических фильтров; И - калибровочный источник света; ФЭУ - фотоэлектронный умножитель ET9116B; ПУ - трансимпедансный предусилитель; У - усилитель LeCroy 612AM; ФСП^ и ФСП2 - формирователи со следящим порогом; СС - схема совпадений LeCroy 466; ЛЗ - линия задержки; ЗЦП - зарядово-цифровой преобразователь LeCroy 2249A; ВЦП - времяцифровой преобразователь БПТ-12А2; КК - крейт-контроллер КК-009; ПК - персональный компьютер IBM PC/AT-486.
бель ОК, регистрируются фотоэлектронным умножителем ФЭУ (ЁТ9116В) [12], разработанным фирмой Electron Tubes Ltd для атмосферного че-ренковского телескопа у-квантов высоких энергий MAGIC. Источник световых импульсов помещен в термостат Т, температура внутри которого поддерживается постоянной с точностью ± 0.1°C и может регулироваться с шагом 1-3°С.
Источник света запускается от генератора импульсов Г (DG535). Заряды анодных импульсов ФЭУ, усиленные трансимпедансным предусилите-лем ПУ и усилителем У LeCroy 612AM, измеряются зарядово-цифровым преобразователем ЗЦП LeCroy 2249A. С помощью набора нейтральных оптических фильтров ОФ интенсивность засветки фотокатода ФЭУ устанавливается на уровне ~100 фотоэлектронов (ф.э.).
Для контроля стабильности всего спектрометрического тракта к входному окну ФЭУ прикреплен калибровочный источник света И [13], состоящий из тонкого (толщиной ~0.2 мм) неорганического сцинтиллятора YAlO3:Ce с напыленным на его поверхность тонким слоем радиоактивного источника 241Am. Уровень засветки от калибровочного источника составил ~1000 ф.э., частота импульсов ФЭУ от этого источника ~100 с-1.
Долговременная стабильность источника измерялась при температуре ~20°C. Одновременно со световыходом источника света измерялся зарядовый спектр импульсов ФЭУ от калибровочного источника. За время измерений уровень флуктуаций коэффициента усиления всего спектрометрического тракта не превышал 1%. Результаты измерений световыхода источника света
Световыход, отн. ед 1.1
Световыход, отн. ед 1.1
Усиление, отн. ед, 1.1
Число импульсов
Рис. 4. а, • - зависимость световыхода от числа импульсов для источника наносекундных световых импульсов на основе светодиода: №сЫа М8РБ5008 (а), Kingbright Ь7113МБС (б); в - зависимость коэффициента усиления спектрометрического тракта измерительной системы от числа импульсов источника.
нормировались на результаты измерений, проведенных с калибровочным источником света.
Контроль параметров формирователя импульсов запуска светодиода в течение всего времени измерений показал, что длительность и амплитуда импульсов тока через светодиод во время измерений остаются постоянными. Периодически во время измерений контролировалась также и длительность светового импульса источника, для чего уровень засветки фотокатода ФЭУ с помощью диафрагмы и набора нейтральных оптических фильтров доводился до однофотоэлект-
ронного уровня. Временной отклик ФЭУ измерялся с помощью формирователей со следящим порогом ФСП1 и ФСП2 (БТЭ-А6) [14] и время-цифрового преобразователя ВЦП (БПТ-12А2), ширина канала которого 75 пс, а максимальный диапазон измеряемых временных интервалов 5 мкс [15].
На рис. 4а и 46 представлены экспериментально измеренные зависимости световыхода от числа импульсов для источников на основе светодиодов №сЫа К8РБ5008 и Ю^Ь^М Ь7113КБС соответственно. Измерения проводились при трех значениях амплитуды тока, протекающего через
Длительность импульса г^нм, нс
2.5 г
(а)
2.0
1.5
109
(б)
1010
Число импульсов
-10
10 20 30 40 50 Температура, °С
Рис. 5. Зависимость длительности световых импульсов Гр^нм от числа импульсов источника света (а) и от температуры (б). Гр-^нм - полная ширина на половине высоты светового импульса. Приведены результаты для светодиода №сЫа тРБ5008.
0
светодиоды (0.6, 1.2 и 2.2 А), и для трех значений частоты повторения импульсов (1, 10 и 100 кГц). Для всех случаев получены практически одинаковые результаты. Поэтому для простоты в данной работе представлены только результаты измерений, проведенных в наиболее жестких условиях, т.е. для амплитуды тока 2.2 А и частоты повторения импульсов 100 кГц.
Как видно из рис. 4а и 46, световыход исследуемых источников света практически не изменяется, даже при достижении полного числа импульсов источника 1010. Уровень флуктуаций световыхода источника в данных измерениях не превышает 1%. При этом следует отметить, что вклад вариаций коэффициента усиления самого спектрометрического тракта в общие флуктуации значителен, рис. 4в.
На рис. 5 а показана зависимость длительности светового импульса от числа импульсов источника света. Как видно из рисунка, кинетика свечения не претерпевает существенных изменений, даже после 1010 импульсов источника света. Практически постоянной остается длительность световых импульсов исследуемых источников света и при изменении температуры в диапазоне от -3 до +45°С (рис. 56).
Температурная зависимость световыхода источника изучалась также в диапазоне от -3 до +45°С. Выбор этого температурного диапазона продиктован в основном условиями эксперимента МАв1С и Байкальского нейтринного эксперимента. В чере
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.