Амплиев А.Е., Румянцев К.Е.
Южный федеральный университет, Россия
Требования к параметрам функциональных узлов
счетчика фотонов
Для обеспечения высокой чувствительности фотоприемный канал должен работать в режиме счета фотонов. Типовая структура счетчика фотонов (рис. 1) должна включать однофотонный фотоэмиссионный прибор (ОФЭП), импульсный усилитель (ИУ), амплитудный дискриминатор (АД) и электронный (двоичный) счетчик. Блок управления задает моменты начала и окончания регистрации потока фотонов, включающий в себя временной интервал чувствительности фотокатода к приходу фотонов [1].
Рис. 1
При переходе в режим
счета фотонов по команде с блока управления обеспечивается подача питания на
ОФЭП, делая его чувствительным к приему фотонов. Принимаемое оптическое
излучение преобразуется фотокатодом ОФЭП в поток фотоэлектронов (первичных
электронов). Использование электронной умножительной системы в ОФЭП позволяет
получить однофотонный импульс (ОФИ) на каждый сгенерированный фотоэлектрон
(ФЭ). После усиления ОФИ и нормировки по амплитуде в АД сформированный поток
импульсов направляется на счетный вход электронного двоичного счетчика. По
истечении времени измерения 
с помощью импульса с блока управления количество накопленных
импульсов в цифровом виде выводится для последующей обработки, а содержимое
электронного двоичного счетчика обнуляется.
Обычно при анализе работающего в режиме счета фотонов фотоприемного канала в отношении функциональных узлов счетчика фотонов принимается ряд допущений:
· ОФЭП имеет бесконечно широкую полосу пропускания и фиксированный коэффициент умножения;
· импульсный усилитель не искажает форму ОФИ;
· АД мгновенно срабатывает в момент достижения ОФИ уровня (порога) дискриминации. Порог амплитудной дискриминации стабилен;
· электронный двоичный счетчик различает два сколь угодно близко расположенных импульса, сформированных на выходе АД;
· блок стробирования обеспечивает чувствительность фотокатода ОФЭП к приходу фотонов только во время действия стробирующего импульса;
· блок питания мгновенно устанавливает требуемое напряжение на динодах ОФЭП.
В то же время реальные параметры ОФЭП и последующих узлов обработки счетчика фотонов оказывают значительное влияние на точность измерения потока фотонов. Однако вопросам влияния параметров функциональных узлов счетчика фотонов на точность счета фотоэлектронов в литературе не уделено достаточного внимания. Обычно просто отмечается, что вероятность наложения ОИ ничтожно мала или что полоса пропускания гарантирует раздельную регистрацию фотоэлектронов.
Целью данной работы является уточнение соотношений для
расчета условной вероятности регистрации k
импульсов электронного двоичного счетчика при регистрации n ФЭ 
и достоверности
результатов регистрации n импульсов электронного двоичного
счетчика при регистрации среднего числа 
ФЭ 
однофотонной
регистрации при условии построения счетчика фотонов по типовой схеме
(рис. 1), применения ОФЭП с конечной полосой пропускания, а также
использования электронного двоичного счетчика, регистрирующего импульсы с
выхода АД только при превышении временным зазором между импульсами 
критической величины 
.
Для учета конечной полосы пропускания ОФЭП используется кусочно-ломанная (трапецеидальная) аппроксимация формы ОФИ, предложенная в [4].
Рис. 2 иллюстрирует условия, при которых возможен правильный счет наложившихся откликов и рассмотрены характерные случаи откликов на появление двух фотоэлектронов при неидеальных параметрах функциональных узлов электронного двоичного счетчика.
Рис. 2
На рис. 2 величина Δt определяет смещение второго ОФИ относительно момента появления первого ОФИ (точка 0).
Первый случай (рис. 2, а) Δt = 9,2τД характерен для временной области 16τД ‑7,8τДUАД.н ≤ Δt < 10,2τД. Здесь два отклика перекрываются с образованием провала со значением U0 в момент t0, соответствующий моменту начала переднего фронта аппроксимации второго ОФИ (t0 = 7τД + Δt).
Второй случай Δt = 13τД на рис. 2, б характерен для области 10,2τД ≤ Δt < 16τД. Здесь перекрытие откликов образует провал с изломом заднего фронта в момент t = 23τД окончания заднего фронта аппроксимации первого ОФИ.
Третий случай Δt = 25τД характерен для области Δt > 16τД (рис. 2, в). Перекрытие откликов здесь отсутствует. Значение провала U0 = 0 неизменно.
В процессе исследований получены соотношения для расчёта условных вероятностей правильного счёта и достоверности результатов однофотонной регистрации при построении счётчика фотонов по типовой структуре, применения ОФЭП с конечной полосой пропускания, а также использования двоичного счётчика, регистрирующего импульсы с выхода АД только при превышении временного зазора между импульсами определённой критической величины. В случае применения идеального двоичного счётчика для регистрации трех фотоэлектронов потребуется расширение полосы пропускание ОФЭП в 3 раза, до четырех – в 6 раз, до пяти – в 10 раз по сравнению со случаем приёма двух фотоэлектронов при условии постоянства условной вероятности правильной регистрации принятых фотоэлектронов. В аналогичных условиях при идеальном ОФЭП для регистрации трех фотоэлектронов потребуется выбрать электронный двоичный счётчик, который способен регистрировать импульсы с временным зазором в 1,5 раза, а четырёх – в 2 раза меньше по сравнению со случаем приёма двух фотоэлектронов. Предложены упрощённые формулы для расчёта условных вероятностей правильного счёта и достоверности результатов однофотонной регистрации при распределении числа принятых фотоэлектронов по закону Пуассона, а также определены границы их использования. Разработана методика оценки достоверности результатов однофотонной регистрации, позволяющая сформулировать требования к параметрам функциональных узлов счётчика фотонов.
Литература:
1. Румянцев
К.Е. Прием и обработка сигналов: Учебное пособие. М.: Издательский центр
"Академия", 2006. 528 с.
2. Ковалев
В.В., Субботина Ф.М, Шубников Е.Н. Времена пролета электронов в ФЭУ // Приборы
и техника эксперимента. 1972. №1. С. 158–159.
3. Румянцев
К.Е. Одноэлектронные регистраторы световых сигналов. Таганрог: ТРТИ, 1991. 52
c.
4. Румянцев
К.Е. Достоверность результатов одноэлектронной регистрации световых потоков //
Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1986. T 29, №12. С. 62-65.
5. Румянцев К.Е., Суковатый А.Н.
Методы селекции шумовых одноэлектронных импульсов: обзор // Радиотехника. 2004. №6. С. 56–61.