Способ регистрации слабых световых сигналов и устройство для его осуществления

Патент 2190196

Авторы

Классы МПК

G01J1/44 - электрические схемы

Реферат

Изобретение относится к технике регистрации слабых световых сигналов и может быть использовано в астрофизике, биофизике, сцинтилляционной технике, светолокации и т.п. В способе, состоящем в измерении интервала времени между началом и центром тяжести одноэлектронного импульса фотоэмиссионного прибора, поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора (ФЭП) подвергают первичной амплитудной дискриминации с верхним и нижним пороговыми уровнями, а затем временной селекции, обеспечивающей прохождение импульсов с длительностью, превышающей определенную пороговую величину, причем импульсы после временной селекции подвергаются нормировке по длительности. В устройство, содержащее ФЭП и широкополосный усилитель, таймер, счетчик импульсов, решающий блок, введены блок управления и последовательно соединенные амплитудный дискриминатор, временной селектор и формирователь импульсов. Вариант устройства содержит ФЭП с многоканальной электронной умножительной системой, фокусирующе-отклоняющей системой и блоком питания, многоотводную линию задержки, согласующие резисторы, широкополосный усилитель, блок развертки, генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, умножитель, формирователь импульсов, блок стробирования, решающий блок. В это устройство введены последовательно соединенные амплитудный дискриминатор с верхним и нижним пороговыми уровнями, временной селектор и первый формирователь импульсов. Техническим результатом изобретения является повышение точности регистрации интенсивности светового потока на 18% и расширение динамического диапазона измерений. 3 с.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к технике регистрации слабых световых сигналов и может быть использовано в астрофизике, биофизике, ядерной физике, сцинтилляционной технике, светолокации и т.п.

В основу регистрации слабых световых сигналов (до 1970 г.) положен энергетический прием, основанный на регистрации числа фотонов за определенный (фиксированный) интервал времени (Артемьев В.В. Фотоэлектронные счетчики фотонов: Обзор. // Оптико-механическая промышленность. 1974. 1. С.62-68). Действительно, плотность вероятности приема фотоэлектронов во временные моменты t₁<t_{<t_{<... внутри анализируемого интервала (0, ) равна В формуле все члены, за исключением последнего, являются плотностями вероятности интервалов между моментами появления фотоэлектронов, а последний член определяет вероятность отсутствия фотоэлектронов между моментом t_n и концом временного интервала . Выражение может быть преобразовано к виду p(t₁, t₂, ..., t_n|n) = ⁿexp(-). Видно, что достаточной статистикой для интенсивности потока фотоэлектронов при заданном выступает число n фотоэлектронов. Моменты же поступления фотоэлектронов несущественны.}}

Счетный метод регистрации светового излучения обладает рядом важных преимуществ. Во-первых, счет импульсов темнового тока обусловлен главным образом термоэлектронами с фотокатода. При этом значительно снижается погрешность, вносимая динодной системой и составляющими темнового тока из-за утечек электронов с поверхности колбы фотодетектора. Во-вторых, в режиме счета значительно повышается стабильность работы фотодетектора при изменении напряжения питания и устраняются флюктуации выходного сигнала.

Третье преимущество счетного режима регистрации заключается в возможности весьма простым способом оценивать оптимальное время интегрирования, необходимое для получения заданной точности измерения средней интенсивности непрерывного потока фотонов. При этом относительная ошибка измерения связана с числом принимаемых фотоэлектронов n соотношением При наличии темнового тока задача несколько усложняется. Однако и в этом случае она проще, чем при методе измерения по постоянному току. Счет фотонов может производиться в течение сколь угодно длительного времени.

Немаловажным достоинством метода является и то, что информация об интенсивности светового потока выражается в числе зарегистрированных импульсов. Методы преобразования информации в таком виде отличаются большим разнообразием и высокой точностью, стабильностью и большой емкостью памяти.

Известен способ регистрации слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией [Артемьев В.В., Гуськов Л.Н., Михайлов В.Н. Скоростная малогабаритная схема счета фотонов. // Приборы и техника эксперимента. 1967. 4. С. 226-227] . Применение метода счета фотонов, фотоэлектронов или одноэлектронных импульсов (ОИ) эквивалентно так называемому энергетическому приему, который основан на измерении и фиксации элементарных порций энергии, заключенных в сигнале. Действительно, каждый единичный фотоэлектрон генерирует в одноэлектронном фотоприемнике заряд Ge₀, который на аноде с распределенной емкостью С производит импульс напряжения e₀GC. Здесь е₀ = 1,610^-19 Кл - заряд электрона, G - средний коэффициент умножения вторичной электронной умножительной системы (ЭУС). Для типовых значений С=15 пФ и G=10⁶ напряжение составляет 10 мВ, что вполне достаточно для быстродействующей дискриминации, при помощи которой формируется импульс с высотой 5 В для счета или цифроаналогового преобразования (ЦАП). Если емкость успевает разрядиться через нагрузку до следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся ОИ, реализуя счетный режим.

Входным устройством приемной аппаратуры является приемная оптика, которая служит для согласования физических размеров большой апертуры с небольшими размерами фотоприемников. Далее сигнал подвергается светофильтрации для снижения уровня мешающего фонового излучения. Принимаемое оптическое излучение преобразуется в поток одноэлектронных импульсов, который после усиления импульсов подвергается амплитудной дискриминации. По истечении времени наблюдения накопленное число пронормированных по амплитуде ОИ после амплитудной дискриминации выводится для последующей обработки.

Использование вторично-электронного умножителя (ВЭУ) в одноэлектронных фотоприемниках позволяет получить довольно сильный выходной сигнал, значительно превосходящий шумы нагрузки и выходной цепи. Однако, мгновенные значения коэффициента вторичной эмиссии динодов могут значительно отклоняться от своего среднего значения, т.е. каждый фотоэлектрон, прошедший ВЭУ, умножится в различное число раз, что вызовет дополнительные флуктуации тока на выходе фотоприемника.

Типовая кривая амплитудного распределения ОИ (АРОИ) для одноэлектронных фотоприемников, снятая при равномерной засветке фотокатода, характеризуется наличием одноэлектронного пика в распределении (сплошная линия на фиг.2). Другой особенностью АРОИ при равномерной засветке всего фотокатода является наличие экспоненциальной ветви в области малых амплитуд ОИ. Причины появления ОИ с малой амплитудой связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в электронной умножительной системе прибора, а также с пролетом и попаданием электронов на нерабочие или малоэффективные участки динодов.

Для одноэлектронных фотоприемников экспоненциальная ветвь в амплитудном распределении ОИ не связана непосредственно с сигналом из анализируемой точки оптического изображения на фотокатоде, являясь нежелательным фактором. Последнее требует применения амплитудной дискриминации с пороговым уровнем U_Aд, ограничивая подачу ОИ темнового тока с выхода анода фотодетектора на вход последующей схемы обработки.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, амплитудная дискриминация одноэлектронных импульсов, измерение интенсивности световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются: - недостаточная точность регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления шумовых ОИ; - ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Описанный способ регистрации слабых световых сигналов с амплитудной дискриминацией не обеспечивает эффективного подавления ОИ темнового тока. Действительно, выбор уровня амплитудной дискриминации в районе провала кривой АРОИ позволяет уменьшить вклад экспоненциальной составляющей распределения в общем выходном сигнале на 70-80%, тогда как потеря полезного сигнала составляет всего лишь 3-4% [К выбору порога амплитудной дискриминации одноэлектронного диссектора датчика /С.С, Ветохин и др.// Оптическая и электрическая обработка информации. М.: Наука, 1975, с. 41-47].

В ходе патентного поиска за 1960-96 гг. среди охранных документов обнаружено 11 авторских свидетельств СССР, выданных на способ регистрации слабых световых потоков (118058, 142360, 205172, 216054, 270910, 307723, 335742, 389409, 672506, 783598, 1804596), и патент 3119037 США. Задача, на решение которой направлены изобретения, заключается в повышении точности измерения (обнаружительной способности) за счет подавления одноэлектронного шума фотодетекторов, исключения наложения ОИ или разделения наложившихся ОИ.

Рассмотрим способы, позволяющие улучшить отношение сигнал-шум за счет более рационального управления электронным потоком. Положительный эффект достигается при этом за счет фильтрации и удаления из пучка термоэлектронов фотокатода, имеющих энергетический спектр, несколько отличный от такового у фотоэлектронов.

В авт. св. СССР 335742 (МКИ H 01 J 39/20, Бачерников В.В. (СССР), Макаров Ю.А. (СССР). Способ формирования стационарных электронных потоков. Опубл. 1972, БИ 13) электронный поток сначала ускоряется, после чего происходит его торможение. При правильно выбранной картине распределения электростатических полей достигается некоторое повышение отношения сигнал-шум.

Признаки способа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатки данного способа следующие: - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом; - ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Применение способа требует формирования сложного распределения электростатических полей в фотоэмиссионном приборе (ФЭП). Помимо этого способ предполагает известными моменты появления фотонов (фотоэлектронов).

Способ в авт. св. СССР 307723 (МКИ H 01 J 39/20, Шутко А.Н. (СССР). Способ управления фотоэлектронным умножителем. Опубл. 1972, БИ 30) предполагает применение во входной камере ФЭУ магнитного поля, силовые линии которого повторяют линии электрического поля. В результате изменяется угол падения электронов на первый динод. Вследствие различия в первоначальных скоростях фотоэлектронов и термоэлектронов катода коэффициент вторичной эмиссии для последних значительно меньше.

Способ фильтрации фотоэлектронов от термоэлектронов катода в фотоэлектронном умножителе по авт. св. СССР 118058 (Кл. 21д13/19; Левин Г.Э. (СССР). Способ фильтрации фотоэлектронов от термоэлектронов катода в фотоэлектронном умножителе. Опубл. 23.03.59) осуществляется в специальной конструкции ФЭУ.

Как отмечено в монографии (Одноэлектронные фотоприемники. / С.С. Ветохин и др. М. : Атомиздат, 1979, с. 192), данный способ не нашел промышленного применения. Однако с его помощью возможно снижение не только уровня термошумов фотокатода, но и обратной оптической и ионной связи.

Возможно уменьшение темнового тока и с помощью конструкции, описанной в патенте США 3119037 (H 01 J 39/04; Stanley V.A. (USA) Photo-emissive devices. C1.313-94, 21.01.1964) и включающей в себя экранирующий и сетчатый электроды, помещенные во входной камере ФЭП, посредством которых осуществляются управление потоком электронов и фильтрация термоэлектронов.

Определенный интерес для снижения шумов, обусловленных фотокатодом, представляет способ в авт. св. СССР 142360 (МКИ 21д29/40, Левин Г.Э. (СССР); Способ уменьшения термоэлектронных шумов в фотоэлектронных умножителях. Опубл. 1961, БИ 21), заключающийся в том, что световой поток фокусируется на малой площади, а остальная часть фотокатода запирается электрическим полем. В результате термоэлектроны, вылетающие из нерабочих участков катода, не попадают в динодную систему. Такой прием применен при конструировании ряда отечественных ФЭУ (ФЭУ-64, -79, -106). К аналогичному эффекту приводит и способ, реализованный в ФЭУ EMI 9558В, который отличается тем, что запирание производится магнитным полем.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Способы по авт. св. СССР 307723, авт. св. СССР 118058, авт. св. СССР 142360 и патенту 3119037 США обеспечивают эффективную борьбу с шумовыми фотоэлектронами, генерируемыми катодом ФЭП. Однако электроны, генерируемые первым динодом в результате термоэмиссии, автоэмиссии или фотоэмиссии, будут формировать ОИ, которые могут быть зарегистрированы устройством. Это снижает точность регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП и, как следствие, ограничивает динамический диапазон измерений интенсивности светового потока.

Способ, описанный в авт. св. СССР 389409 (МКИ G 01 J 1/00, Выгон В.Г. (СССР), Колосов Ю.А. (СССР). Способ регистрации световых импульсных сигналов. Опубл. 1971, БИ 29), основан на использовании ФЭП с многоканальной электронной умножительной системой (МЭУС). Здесь ставится задача повышения точности регистрации за счет резкого снижения вероятности наложения откликов на прием двух соседних фотонов или ОИ полезного излучения и шумового ОИ. Действительно, из-за размытости отклика фотодетектора на появление фотоэлектрона возможно частичное наложение ОИ, в результате чего возникает ошибка в определении числа принятых фотоэлектронов. Развертка потока фотоэлектронов по входам N-канальной электронной умножительной системы (ЭУС) обеспечивает резкое снижение вероятности одновременного попадания в канал двух фотоэлектронов.

Кроме того, таким способом удается снизить вероятность одновременного формирования в одном канале одноэлектронных импульсов полезного излучения и темнового тока с фотокатода. Благодаря организации амплитудной селекции выходных откликов в каждом канале удается снизить вероятность ошибочной регистрации шумовых ОИ, повысив тем самым точность измерений.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, поток одноэлектронных импульсов с выхода фотоэмиссионного прибора подвергается амплитудной дискриминации, регистратором измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных в решающем блоке за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются: - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом; - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за одновременного поступления на вход усилителя шумовых ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки; - ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Во время обратного хода развертки генерируемые катодом фотоэлектроны вновь разворачиваются по входам МЭУС, но уже в обратной последовательности, начиная с N-го и заканчивая 1-м каналом. При этом поток ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки напротив будет одновременно поступать на вход усилителя. Таким образом, на входе усилителя происходит как бы временное сжатие потока фотоэлектронов в N раз.

При построении регистратора слабых световых сигналов важна оценка уровня внутренних шумов. В ФЭП, применяемых для одноэлектронной регистрации, основным источником внутреннего шума является темновой ток, который обязан: - фотоэлектронам и термоэлектронам, эмиттированным фотокатодом или стенками колбы входной камеры; - термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в электронной умножительной системе.

Пусть частота поступлений (интенсивность) ОИ за счет первой причины равна _т.фк, а второй - _т.эус. Генерация темновых ОИ в ЭУС происходит независимо от состояния во входной камере ФЭП и параметров блока развертки. Поэтому в любой момент времени потоки этих ОИ на выходе любого из каналов МЭУС будут одинаковы и поступать непрерывно вне зависимости от параметров блока развертки. В силу последнего суммарная интенсивность потока темновых ОИ из ЭУС возрастает на входе усилителя в N раз, достигая величины N_т.эус. Что касается темновых электронов из фотокатодной камеры, то последние будут направляться фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС) в тот же канал МЭУС, что и исследуемый поток фотоэлектронов. Следовательно, интенсивность этих ОИ на входе усилителя будет всегда оставаться постоянной и равной _т.фк. Таким образом, суммарная интенсивность потока шумовых ОИ на входе усилителя составит _ш = _т.фк+N_т.эус. Видно, что шумы каждого канала МЭУС аддитивно суммируются в течение времени, равного периоду прохождения через последующий канал обработки информации.

Таким образом, основные выводы охранного документа об исключении попадания потока шумовых ОИ одновременно с выходов МЭУС справедливы лишь для потока темновых электронов из фотокатодной камеры. Суммарная же интенсивность потока темновых ОИ из ЭУС возрастает на входе усилителя в N раз.

В способе, защищенном авт. св. СССР 672506 (МКИ² G 01 J 1/44, Ветохин С. С. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1979, БИ 25), предложено дополнительное разнесение импульсных реакций каналов во времени. Действительно, введение дополнительной задержки _лз>_ад между соседними каналами исключает наложение нормированных импульсов с выходов МЭУС.

При этом недостатками данного способа являются: - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности обеспечения эффективного подавления ОИ, генерируемых первым динодом; - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за одновременного поступления на вход усилителя шумовых ОИ с выходов всех каналов МЭУС во время обратного хода развертки.

Принцип временной селекции при регистрации световых потоков положен в основу способа, защищенного авт. св. СССР 783599 (МКИ³ G 01 J 1/44, Буцкий В. В. , Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Резников И.Р. (СССР) Способ регистрации света. Опубл. 1980, БИ 44). Допустим, что наблюдаемое время до появления k-ro фотоэлектрона пуассоновского процесса равно t=t_k. Плотность вероятности приема k фотоэлектронов во временные моменты t₁, t₂, t₃,...,t_k равна p(t₁, t₂, ..., t_k) = ^kexp(-). При данном числе фотоэлектронов k время t является достаточной статистикой для интенсивности потока электронов. Таким образом, если k заранее фиксировано, то измерение интенсивности полезного излучения может основываться на величине t, рассматриваемой как наблюдаемое значение случайной величины Т, такой, что 2Т имеет ² - распределение с 2k степенями свободы.

Способ регистрации света, защищенный авт. св. СССР 783598, как раз и предполагает измерение времени t_k до появления k-го фотоэлектрона и вычисление среднего интервала времени t_cp=t_k/k. Одновременно измеряется интервал времени t между моментом появления последнего фотоэлектрона t_n и моментом окончания заданного временного интервала измерения . Полагается, что число принятых фотоэлектронов N удовлетворяет условиям N=n при -t_nt_cp и N=n+1 при -t_n>t_cp.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: преобразование светового сигнала в поток фотоэлектронов.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Способ по авт. св. СССР 783598 не предполагает подавления ОИ темнового тока.

В авт. св. СССР 1804596 (МКИ⁵ G 01 J 1/44, Цаплев Ю.Б., Давыдов В.А. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1993, БИ 11) описан способ, предусматривающий селекцию одноэлектронного шума по величине межимпульсного интервала. Действительно, при скорости поступления фотоэлектронов плотность вероятности временных интервалов между моментами появления двух соседних фотоэлектронов t подчинена экспоненциальному закону p(t) = exp(-t) со средним значением M{t}=1/ и дисперсией D{t} = 1/². Естественно, что в присутствии помимо сигнального излучения с интенсивностью фотоэлектронов _c одноэлектронного шума с интенсивностью _ш среднее значение временного межимпульсного интервала снижается.

Признаки способа-аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, поток одноэлектронных импульсов подвергается амплитудной дискриминации, измеряется интенсивность световых сигналов по количеству импульсов, зафиксированных за заданное время измерения.

Недостатками известного способа являются: - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности селекции шумовых ОИ; - ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Измеритель производит замеры временных интервалов между моментами появления фотоэлектронов t и сравнивает их с пороговым уровнем _пор. Решение о приеме одноэлектронного шума принимается при выполнении условия t<_пор. Вероятность ошибочного решения о приеме одноэлектронного шума при регистрации сигнального ОИ определяется формулой где n_c = _c_пор - среднее число сигнальных фотоэлектронов, принимаемое за временной интервал Вероятность ошибки второго рода о регистрации вместо одноэлектронного шума сигнального ОИ где - среднее число сигнальных и шумовых ОИ, принимаемых за время _пор. Если, как и при обычной амплитудной дискриминации (для сопоставления), положить Р_ош.10,03...0,04 и Р_ош.20,2.,.0,3, то легко найти, что для этого требуется выполнение условий Таким образом, данный способ принципиально эффективен при регистрации весьма слабых световых потоков с интенсивностью, более чем в 40 раз уступающей интенсивности одноэлектронного шума. Помимо этого, к недостаткам способа по авт. св. 184596 СССР следует отнести невозможность проведения селекции шумовых ОИ.

Из известных технических решений способа наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ регистрации слабых световых потоков (см. авт. св. СССР 270910 (МПК G 01 J 21g, 18/02, Лапшин В.Г., Рыкалин В.И., Шувалов Р.С. (СССР) Способ регистрации слабых световых потоков. Опубл. 1970, БИ 17 - прототип).

Способ основан на неизменности формы ОИ ФЭП. Для выделения сигнала из шума измеряется интервал времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Из измеренной величины вычитают средний интервал времени между началом и центром тяжести выходного импульса. При этом световой импульс считают зарегистрированным, если указанная разность превосходит некоторую заранее определенную условиями эксперимента величину. Действительно, причины появления шумовых ОИ связаны с термоэмиссией, автоэмиссией или фотоэмиссией в ВЭУ прибора. Как следствие этого, средняя амплитуда шумовых ОИ меньше средней амплитуды ОИ полезного излучения. При практически неизменной форме ОИ последнее определяет существенное различие длительностей импульсов одноэлектронного шума и ОИ полезного излучения по любому уровню амплитудной дискриминации.

В авт. св. СССР 270910 проблема регистрации переводится из области амплитудной дискриминации в область временной селекции. Авторами этого изобретения в 1990 году отмечалось, что их идея не реализована на практике, и эффективность этого способа неизвестна (Подавление одноэлектронного шума фотоэлектронных умножителей в сцинтилляционных счетчиках. /Ю.П. Гуз, В.В. Лапин, А. И. Пересыпкин, В.И. Рыкалин, В.Т. Скрипкина// Приборы и техника эксперимента. 1990. 1. С. 161-163).

Признаки способа-прототипа, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: световой сигнал преобразуется в поток фотоэлектронов, световой сигнал считается зарегистрированным, если указанная разность превосходит некоторую заранее определенную условиями эксперимента величину.

Недостатками известного способа являются: - снижение точности регистрации интенсивности светового потока на входе ФЭП из-за невозможности достичь высокой точности измерения временного интервала между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Недостаточная точность измерения предлагаемого способа отмечена в авт. св. СССР 672507 (МКИ² G 01 J 1/44, Ветохин С.С. (СССР) Способ регистрации слабых световых сигналов. Опубл. 1979, БИ 25): - снижение точности регистрации интенсивности светового потока из-за того, что разность измеренной и ожидаемой длительностей интервалов времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП может оказаться недостаточной для срабатывания счетчика импульсов; - ограниченность динамического диапазона измерений интенсивности светового потока с заданной точностью.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем.

Факт появления фотоэлектрона с катода ФЭП в момент времени to можно характеризовать дельта-функцией (t-t₀). При этом реакцию фотоприемника целесообразно описывать импульсной характеристикой h(t-to), определяющей форму ОИ.

Время пролета t электроном между j-м и (j+1)-м динодами ФЭУ представляет случайную величину. Следовательно, эта величина должна характеризоваться полностью вероятностью p_j(t). Эта функция должна быть убывающей, так как большая часть электронов движется по более коротким траекториям. В статье [Шубников Е. Н. и др. Времена пролета электронов в ФЭУ // Приборы и техника эксперимента. 1972. 1. С. 158-159] для описания плотности вероятности времени t предложено использовать экспоненциальное распределение Время, затрачиваемое электроном, вылетевшим с первого динода, на пролет всей N-каскадной умножительной системы случайно и имеет плотность p(t), определяемую сверткой p(t)=p₁(t)*p₂(t)*...*p_N (t) всех плотностей p_j(t), j= 1,...,N_д.

Функция p(t) и определяет форму ОИ фотоприемника, т.е. h(t)=p(t). В случае идентичности каскадов умножения _дj = _д получаем [Одноэлектронные фотоприемники / С.С. Ветохин и др. М.: Атомиздат, 1979, 192 с]: где амплитуда ОИ Таким образом, форма ОИ фотодетектора, имеющего N_д одинаковых каскадов с экспоненциальной функцией распределения времени полета, определяется гамма-распределением с параметрами N_д и _д. Здесь _д - среднее время, затрачиваемое на пролет электронами расстояния между динодами под действием междинодной разности потенциалов.

Момент появления фотоэлектрона является случайной величиной. Поэтому фиксация "момента появления" ОИ невозможна. Регистрация может быть осуществлена лишь по определенному уровню.

Фиксация центра тяжести ОИ ФЭП в прототипе предполагает измерение момента достижения ОИ амплитудного значения. В то же время из выражения для описания формы ОИ следует, что в диапазоне 3,67_д изменение уровня ОИ не превышает 5% от амплитудного значения. И это при том, что длительность ОИ по уровню 0,5h_m составляет 6,8_д. Таким образом, достичь высокой точности измерения временного момента достижения ОИ амплитудного значения, а следовательно, и высокой точности регистрации световых сигналов не представляется возможным.

Для правильной работы счетчика длительность импульсов счета должна превышать время срабатывания счетчика. В описанном способе заложено, что длительность входных счетных импульсов представляет разность измеренной и ожидаемой длительностей интервалов времени между началом и центром тяжести выходного импульса ФЭП. Следовательно, длительность входных импульсов счетчика может принимать значения, весьма близкие к нулю. Действительно, пусть применен ФЭП с числом динодов N_д=14 и постоянной времени _д = 1 нс (что соответствует полосе пропускания ФЭП в 36 МГц). Ожидаемая длительность ОИ по уровню 0,5h_m составляет 6,8_д = 6,8 нс. Естественно, что в случае прихода ОИ полезного излучения с длительностью в 7 нс разность между измеряемой и ожидаемой длительностями составит всего 200 пс. Столь малая длительность импульса может не вызвать срабатывания счетчика.

Известен регистратор световых сигналов (Михалков К.В., Румянцев К.Е. Синтез оптимальных параметров астродатчика, работающего в режиме счета фотоэлектронов. // Техника средств связи. Серия "Техника телевидения". 1987. Вып. 5. С. 37-43. Рис.2), содержащий последовательно соединенные диссектор с фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС), усилитель-нормирователь, стробируемый каскад, счетчик, дешифратор, устройство сравнения и решающий блок. Выход блока шаговой развертки подключен к управляющему входу диссектора, оптический вход которого является входом регистратора. Первый выход генератора тактовых импульсов соединен с управляющим входом стробируемого каскада. Второй выход генератора тактовых импульсов объединен с первым управляющим входом счетчика. Третий выход генератора тактовых импульсов подключен к первому входу блока шаговой развертки. Первый выход решающего блока подключен к второму управляющему входу счетчика, а второй выход - к управляющему входу генератора тактовых импульсов и второму входу блока шаговой развертки. Третий выход решающего блока является выходом регистратора.

Устройство работает следующим образом.

Входным устройством является телескоп, который служит для согласования физических размеров большой приемной апертуры с небольшими размерами сканирующих фотоп