Приборы и техника эксперимента, 2023, № 2, стр. 129-136

Разрешающая способность и точность оптической спектрометрии ограничивается в настоящее время параметрами используемых фотодетекторов, что особенно характерно для одноквантовой кинетической флуорометрии [1, 2]. Так, разрешающая способность приборов времякоррелированного счета фотонов ограничена дисперсией времени прохождения сигналов Dt_j (джиттером) в умножительной системе фотоприемников. В качестве фотодетекторов одноквантовых флуорометров в большинстве случаев используются вакуумные фотоумножители [3, 4], лучшие из которых имеют джиттер 0.15–0.2 нс и заметно превосходят микроканальные, гибридные и твердотельные ФЭУ по обнаружительной способности и отношению сигнал/шум.

Нами были исследованы временные характеристики быстродействующих фотоумножителей ФЭУ-175 (№ 60, дата изготовления 11.2018 г.) и ФЭУ-186 (№ 36, дата изготовления 05.2017 г.) производства АО ЦНИИ “Электрон” (Санкт-Петербург). Данные приборы оснащены соответственно бищелочным и мультищелочным фотокатодами, их рабочий спектральный диапазон составляет 250–650 и 250–800 нм соответственно. Усиление сигналов обеспечивает 14-динодная система умножения, при этом время нарастания импульсной характеристики ФЭУ не превышает 1.5 нс.

Измерения временных характеристик были выполнены при использовании вышеуказанных фотоумножителей в качестве фотодетекторов одноквантового кинетического спектрометра ФЛУОР с рабочим диапазоном от 0.1 нс до 100 мкс, его функциональная схема приведена на рис. 1.

Одноквантовый фотоприемник (ОФП), в составе которого исследовались фотоумножители ФЭУ-175, ФЭУ-186, имел цилиндрический металлический корпус и содержал устройство стыковки с монохроматором, короткофокусную собирающую линзу, фотодетекторный и электронный отсеки. В фотодетекторном отсеке расположен ФЭУ, а в электронном – перестраиваемый делитель напряжения питания фотоумножителя и малошумящий импульсный усилитель. На задней панели установлены высоковольтный, 4-штырьковый низковольтный и два радиочастотных разъема. Для крепления ОФП в оптической системе спектрометра предусмотрена специальная металлическая стойка. Внешний вид ОФП на основе данных ФЭУ приведен на рис. 2.

В ряде модификаций ОФП комплектуется более совершенной платой первичной обработки одноэлектронных сигналов, которая содержит импульсный усилитель и схему временной привязки к постоянной части импульса [5]. Такая компоновка повышает помехоустойчивость как самого фотоприемного устройства, так и кинетического спектрометра в целом. В последних вариантах ОФП входной усилитель выполнен на быстродействующем операционном усилителе AD8000 с токовой обратной связью по схеме преобразователя ток–напряжение с коэффициентом 0.5 мА/В. Это позволило уменьшить влияние паразитных емкостей на входной сигнал и обеспечить хорошую помехозащищенность при простоте и надежности схемы (рис. 3).

Для измерения временных характеристик ФЭУ в качестве источников коротких световых импульсов применялись разработанные в Белорусском государственном университете компактные пикосекундные диодные лазеры, предназначенные для широкого класса оптоэлектронных устройств [6]. В силу важности хроматических зависимостей временных характеристик ФЭУ было использовано излучение пяти лазеров в спектральном диапазоне 405–780 нм с длительностями импульсов на полувысоте: 70 пс (405 нм); 120 пс (460 нм); 130 пс (514 нм); 90 пс (650 нм); 180 пс (780 нм). Эти источники света состоят из блока оптического излучателя и внешнего блока питания и работают в режиме как внутреннего, так и внешнего запуска. Достоинством данных лазеров являются компактность, а также низкие уровни питания (12 В) и потребляемой мощности (3 Вт). Их внешний вид представлен на рис. 4.

Временные характеристики фотоумножителей оценивались при использовании их в качестве фотодетекторов в одноквантовом кинетическом спектрометре ФЛУОР диапазона 0.1 нс–100 мкс. Организацию измерений и электронную обработку сигналов в спектрометре осуществлял компактный электронный блок, реализующий измерения кинетики повторяющихся световых процессов в режиме времякоррелированного счета фотонов [7]. Данный блок может быть использован для измерения кинетики различных видов люминесценции (при ламповом, лазерном, рентгеновском и других типах возбуждения), а также динамики свечения разных световых объектов (гетероструктур и т.п.). Прибор выполнен в малогабаритном блочном корпусе Unicase SL-3 фирмы Metcase (рис. 5).

Электронный блок содержит полный набор функциональных схем, обеспечивающих организацию измерений кинетики световых процессов в режиме времякоррелированного счета фотонов. Он осуществляет обработку сигналов от первичных источников возбуждения (искровых ламп, лазеров, рентгеновских пушек и др.) и от одноквантовых детекторов вторичного свечения – люминесценции и т.п.; селекцию и преобразование статистического потока временных интервалов в цифровой код и передачу информации в компьютер. Данный блок в комплекте с компьютером представляет собой многоканальный временной анализатор типа старт–стоп.

В состав электронного блока входят следующие электронные схемы:

1) схема временной привязки (СВП, см. рис. 1) сигналов старт (от источников возбуждения: искровых ламп, лазеров, рентгеновских пушек и др.), работающая по методу дифференцирования;

2) СВП сигналов стоп от одноквантовых фотоприемников, работающая по методу фиксации постоянной части импульса;

3) схема цифровой задержки сигнала старт в диапазоне 1–100 нс (для компенсации задержки сигнала стоп в одноквантовом фотоприемнике);

4) 11-диапазонный преобразователь время–амплитуда (ВАП) типа старт–стоп с системой отбора парных старт–стоп-событий и рабочими временными интервалами от 50 нс до 100 мкс;

5) 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

6) 20-разрядный жидкокристаллический индикатор для одновременного отображения частоты старт-, стоп- и парных коррелированных событий;

7) USB-канал связи с компьютером (могут устанавливаться Ethernet, Bluetooth, Wi-Fi).

Функционирование блока обеспечивает пакет прикладных программ. Рабочие диапазоны временных измерений электронного блока 50, 100, 200, 500 нс, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 мкс; максимальная частота регистрируемых парных коррелированных сигналов 50 кГц; достижимая дифференциальная нелинейность временной шкалы 1%; разрешение во времени для электрических сигналов 20 пс (для диапазона 50 нс).

С точки зрения разработчиков и пользователей однофотонной времяизмерительной аппаратуры на основе ФЭУ, важнейшими параметрами фотоумножителей являются:

а) обнаружительная способность (в частности, отношение сигнал/ шум);

б) разрешение во времени:

– аналоговое (длительность импульсной характеристики),

– хроноскопическое (точность фиксации временного положения детектируемых сигналов – джиттер Dt_j).

При формально достаточно большой номенклатуре предлагаемых производителями фотоумножителей в реалии в силу целого ряда объективных причин потребителям приходится эксплуатировать доступные приборы, максимально подходящие для конкретных приборных реализаций. В частности, во многих случаях в одноэлектронном режиме используются быстродействующие фотоумножители, для которых данный режим нормативно не детерминирован.

На практике сложился эксплуатационный критерий реализации высокой обнаружительной способности ФЭУ: рабочее напряжение U_фэу должно соответствовать середине счетной характеристики ФЭУ, а порог дискриминации одноэлектронных импульсов U_ои-д – локальному минимуму в распределении амплитуд одноэлектронных импульсов (между обратноэкспоненциальной ветвью шумовой компоненты импульсов и сигнальным одноэлектронным пиком).

Вместе с тем, у ряда быстродействующих фотоумножителей с острой фокусировкой электронных лавин, в частности у ФЭУ-87, распределение сигнальных одноэлектронных импульсов имеет обратноэкспоненциальный вид, как и шумовая компонента. Как итог, распределения амплитуд одноэлектронной и шумовой компонент достаточно сильно накладываются друг на друга, и это усложняет алгоритм выбора порога дискриминации U_ои-д, а следовательно, и всей процедуры оптимизации рабочего режима ФЭУ.

Уровень шумовых импульсов фотоприемника в целом определяет пороговые характеристики детектирования. Главными составляющими шумовых импульсов являются:

– тепловой шум, вызванный тепловыми флуктуациями носителей заряда;

– дробовой шум источника излучения и фона;

– флуктуационный шум, обусловленный статистической природой усиления сигнала;

– шум последующей электронной цепи.

В рамках уже сложившихся на практике реалий по асимметричному распределению потенциалов в катодной камере и на динодных промежутках, а также по подбору оптимальных рабочего напряжения питания U_фэу и порога дискриминации U_ои-д были выполнены измерения следующих характеристик ФЭУ-175, ФЭУ-186:

а) распределения амплитуд одноэлектронных сигналов;

б) счетные распределения;

в) дисперсия времен прохождения сигналов (джиттера Dt_j).

Распределение амплитуд одноэлектронных сигналов N_раои = N(U_ои), т.е. распределение числа зарегистрированных импульсов с амплитудой U_ои, измерялось для случая, когда делитель напряжения питания ФЭУ был оптимизирован на минимальное значение джиттера Dt_j. Измерения проводились методом пошаговой дискриминации амплитуд U_ои. Типичные измеренные интегральные распределения амплитуд одноэлектронных сигналов данных фотоумножителей представлены на рис. 6.

Согласно рис. 6, шумовая и одноэлектронная компоненты сигнала фотоумножителей ФЭУ-175 и ФЭУ-186 накладываются друг на друга, что является следствием острой фокусировки электронных лавин. Одноэлектронный пик при этом практически не наблюдается, что усложняет выбор оптимального порога дискриминации U_ои-д.

Счетное распределение N_ои = N(U_фэу) числа одноэлектронных импульсов N_ои как функция рабочего напряжения фотоумножителя U_фэу измерялось для ФЭУ-175 и ФЭУ-186 при трех фиксированных порогах дискриминации U_ои-д: 25, 50 и 75 мВ. Счетные характеристики были измерены как при стандартном включении фотоумножителей, так и при отключенном фотокатоде – с подачей питания на 1-й динод, что позволяет оценить вклад динодных шумов (рис. 7). Из представленных результатов видно, что у обоих приборов имеется плато счетной характеристики протяженностью примерно 200 В, хотя наклон этого плато достаточно существен.

Вид измеренных распределений амплитуд одноэлектронных сигналов и счетных характеристик (см. рис. 6 и 7) свидетельствует о том, что у обоих экземпляров фотоумножителей одноэлектронная компонента не имеет ярко выраженного пика и не отделена от шумовой компоненты. Это предполагает тщательность выбора как порога дискриминации U_ои-д, так и самого алгоритма фиксации временного положения одноэлектронных сигналов.

Временные и усилительные характеристики ФЭУ определяются процессами в его катодной камере и умножительной системе. Существующая взаимосвязь данных параметров вызвана самим механизмом формирования одноэлектронного сигнала, который представляет собой совокупность актов умножения отдельных электронных лавин. Вместе с тем данная взаимосвязь недостаточно жесткая, что может быть причиной несовпадения временных и счетных режимов работы фотоумножителей. Причинами разброса времен пролета отдельных электронных лавин ФЭУ могут служить 4 фактора:

– различие в начальных скоростях фотоэлектронов, вылетающих из фотокатода;

– разброс начальных скоростей фотоэлектронов по поверхности фотокатода;

– дисперсия времени пролета в умножительной системе;

– процессы выделения сигнала в анодной нагрузке.

В силу статистического процесса умножения электронов в динодной системе фотоумножителей их выходные одноэлектронные сигналы имеют существенный разброс по величине тока (или соответственно напряжения). Для минимизации влияния статистического разброса величины одноэлектронных импульсов на разрешение во времени кинетических спектрометров применяются схемы фиксации их временного положения – так называемые схемы временной привязки. В практике одноквантовой спектрометрии наиболее часто используют схемы временной привязки, работающие по методу фиксации постоянной части импульса. В данных электронных схемах одноэлектронные сигналы дискриминируются по амплитуде, и важнейшим аспектом, наряду с выбором рабочего напряжения фотоумножителя U_фэу, становится оптимизация порога дискриминации одноэлектронных импульсов U_ои-д.

Дисперсии времен прохождения сигнала Dt_j (джиттер) фотоэлектронных умножителей оценивались по длительности отклика на излучение описанных выше пикосекундных диодных лазеров с длительностью на полувысоте 70–180 пс. Собственное разрешение во времени электрических трактов спектрометра оценивалось в 40 пс, а погрешность измерения времени за счет соответствующей статистики отсчетов достигала 1%. За дисперсию Dt_j фотоумножителей в линейном приближении принималась величина

где t_r – длительность на полувысоте измеренного спектрометром отклика на излучение лазера; t_l – полуширина импульса лазера; t_sp – джиттер электронных трактов спектрометра.

По результатам измерений установлено, что оба фотоумножителя, ФЭУ-175 и ФЭУ-186, обладают примерно одинаковыми дисперсионно-временными характеристиками. На рис. 8 представлены зарегистрированные отклики ФЭУ-175 на излучение диодных лазеров с длинами волн 405 и 514 нм. Пересчет по формуле (1) для ФЭУ-175 на длине волны 514 нм дает величину джиттера Dt_r меньше 0.45 ± 0.05 нс.

Безусловный интерес представляют хроматические (спектральные) зависимости джиттера от длины волны детектируемого света. Они возникают вследствие флуктуаций времен пролета электронов Dt_v из-за разброса начальных скоростей фотоэлектронов Dv₀:

где m и e – соответственно масса и заряд электрона; E – напряженность электрического поля в промежутке фотокатод–1-й динод.

Хроматические флуктуации Dt_v являются следствием зависимости начальных скоростей фотоэлектронов Dv₀ от энергии (длины волны) падающего света. Для измерения флуктуаций Dt_v фотоумножителей ФЭУ-175, ФЭУ-186 были использованы диодные лазеры с длинами волн 405, 460, 514, 650 и 780 нм, их длительности составляли соответственно 70, 120, 130, 90 и 180 пс. Измерения показали, что у этих фотодетекторов джиттер для вышеуказанных длин волн изменялся незначительно – от 0.48 до 0.40 нс, что, вероятно, является следствием высокой напряженности Е электрического поля у фотокатода, которое нивелирует флуктуации Dv₀.

Таким образом, фотоумножители ФЭУ-175 и ФЭУ-186 были успешно использованы в качестве фотодетекторов в одноквантовых флуорометрах для измерения кинетики быстрой флуоресценции рентгеновских люминофоров CsPbBr₃ [8] и индотрикарбоцианиновых красителей в биологических растворах [9].

По результатам испытаний можно сделать выводы, что быстродействующие фотоэлектронные умножители ФЭУ-175 и ФЭУ-186 имеют хорошие временные параметры: время нарастания импульсной характеристики 1.5 нс, разброс времени прохождения сигналов ≤0.4 нс – и могут использоваться в качестве фотодетекторов в одноквантовых кинетических спектрометрах с субнаносекундным разрешением и в других быстродействующих оптоэлектронных регистраторах.