Спосіб визначення часу затухання люмінесценції

Спосіб визначення часу затухання люмінесценції, який включає модуляцію інтенсивності збуджуючого випромінювання прямокутними імпульсами тривалістю А Т В та синхронну модуляцію прямокутними імпульсами чутливості приймача випромінювання, який відрізняється тим, що встановлюють тривалість прямокутних імпульсів, які визначають інтервал відкритого стану приймача випромінювання, рівною Т — А Т В , де Т - період повторювання збуджуючих імпульсів і вимірюють сигнал S-і, встановлюють інтервал відкритого стану приймача випромінювання A t < ( Т — А Т в ) / ( 2 т ) , і вимірюють сигнал S2, ступенево збільшуючи інтервал часу відкритого стану приймача на величину At, вимірюють ВІДПОВІДНІ сигнали приймача S3, S4, , S2m, а часи затухання т, знаходять за формулою Іпх. At m, D - визначник матриці Pi P2 Pm-j Pl+m-j P. 1-і Р2+111-1 •" Pm+1 P = Pm Pm+1 •" P2111-2-J P2111-I-J •" P2111-I Pi = S l s p 2 = S 1 - S 2 , p 3 = S 1 - S 3 , Dm+1 ,P2m=S1-S2m, - визначник матриці Pi P 2 _ P2 Рз Pm-j Pl+m P. •• Pl+m-j P2+111 •• Pm+1 • • Pm Pm+1 •• P2111-2-J P2111 •• P2111-I • • яка утворюється з матриці Р заміною стовпчика з номером 1+m-j Pl+m-j 2+m-j P2111-I-J на стовпчик Pl+m 3 х, - корені рівняння m-го ступеня, x m 1 m --Yxm-JD_,, =0, '2m m - КІЛЬКІСТЬ експонент, які характеризують закон затухання люмінесценції об'єкта, що досліджується, Винахід відноситься до техніки вимірювання часу затухання люмінесценції і може бути вико ристаний в оптиці для дослідження енергетичної та просторової структури активних центрів лазе О ю 51074 рних середовищ, дослідження спектроскопічних параметрів пасивних лазерних модуляторів, в мікроелектроніці для дослідження енергетичної структури напівпровідникових матеріалів, в медичній техніці для дослідження спектроскопічних параметрів люмінофорів в реєстраторах рентгенівського випромінювання Відомий амплітудно-фазовий (АФ) метод вимірювань кінетики люмінесценції В АФ-методі в більшості випадків використовується синусоїдальна модуляція інтенсивності збуджуючого випромінювання та синхронна модуляція приймача люмінесцентного випромінювання Процес вимірювання на заданій частоті модуляції дозволяє визначити лише одну точку Фурьє-образу закону затухання люмінесценції [1] Недоліком відомого способу є недостатня продуктивність та точність вимірювань Щоб повністю визначити Фурьє-образ закону затухання люмінесценції, необхідно виконати велику КІЛЬКІСТЬ вимірювань сигналів від приймача випромінювання на різних частотах модуляції в широкому частотному діапазоні Ця вимога призводить до зростання витрат часу на вимірювання Фурьєобразу закону затухання люмінесценції Крім того, для забезпечення модуляції збуджуючого випромінювання та чутливості приймача люмінесцентного випромінювання в широкому частотному діапазоні використовують набір генераторів, які перекривають частоти від декількох кГц до десятків МГц і, що є найбільш складним, необхідно застосовувати набір прецизійних фазообертачів для такого діапазону частот Відомий спосіб-прототип вимірювання часу затухання люмінесценції за методом накопичення, що включає синхронну модуляцію інтенсивності збуджуючого випромінювання прямокутними імпульсами тривалістю ДТв та синхронну модуляцію прямокутними імпульсами чутливості приймача випромінювання [2] Недоліком відомого способу є значна КІЛЬКІСТЬ необхідних вимірів, значна похибка вимірювання і обмежений діапазон слабких світлових потоків люмінесцентного випромінювання, які можуть бути надійно виміряні Це обумовлено тим, що тривалість відкритого стану приймача випромінювання Ato повинна бути значно менша за т люмінесценції Інтервал часу Т між двома сусідніми імпульсами значно більший за тривалість імпульсу збуджуючого випромінювання ДТв і складає величину порядку 10т Синхронно із збуджуючими світловими імпульсами відбувається модуляція чутливості приймача випромінювання Інтервал відкритого стану приймача випромінювання тривалістю Ato = to2 - toi повинен задовольняти умові Ato « х Момент початку відкритого стану приймача випромінювання toi може бути затриманий на деякий відрізок часу ДТ відносно заднього фронту Твг збуджуючого імпульсу Таким чином реєструють середню інтенсивність люмінесценції, відповідну затримці ДТ в інтервалі часу Ato, інтегруючи серію з N імпульсів люмінесценції, які йдуть один за одним Величина N визначається часом інтегрування вхідного ланцюга приймального пристрою За характером залежності середньої інтенсивності люмінесцен 4 ції від часу затримки ДТ визначають час затухання х люмінесценції Систематична похибка вимірювань величини х даним способом визначається тривалістю Ato відкритого стану приймача випромінювання в порівнянні з величиною х Чим менша величина Ato в порівнянні з х, тим менша систематична похибка вимірювань даним способом, але одночасно тим меншою стає чутливість до люмінесцентного випромінювання, що супроводжується зростанням випадкових помилок Технічною задачею, на вирішення якої спрямовано винахід, є створення способу визначення часу затухання люмінесценції, який включає модуляцію інтенсивності збуджуючого випромінювання прямокутними імпульсами та синхронну модуляцію чутливості приймача випромінювання прямокутними імпульсами, з частотою повторювання в залежності від досліджуваного матеріалу, шляхом ступеневого збільшення інтервалу часу відкритого стану приймача випромінювання з ВІДПОВІДНИМ вимірюванням сигналу приймача за певним алгоритмом і розрахунку часу затухання за формулою, що дозволяє значно зменшити КІЛЬКІСТЬ необхідних вимірів, зменшити похибку вимірювання і розширити діапазон слабких світлових потоків люмінесцентного випромінювання, які можуть бути надійно виміряні Технічний результат досягається тим, що в способі визначення часу затухання люмінесценції, який включає модуляцію інтенсивності збуджуючого випромінювання прямокутними імпульсами тривалістю ДТв та синхронну модуляцію прямокутними імпульсами чутливості приймача випромінювання, згідно винаходу, що заявляється, встановлюють тривалість прямокутних імпульсів, які визначають інтервал відкритого стану приймача випромінювання, рівною Т-ДТв де Т період повторювання збуджуючих імпульсів і вимірюють сигнал S-і, встановлюють інтервал відкритого стану приймача випромінювання At (ТДТв)/(2т), будуть мати місце перешкоди від дії наступного імпульсу збуджуючого випромінювання Завдяки застосуванню модуляції чутливості приймача випромінювання імпульсами тривалості більшої ніж uto досягається підвищення чутливості до слабких потоків люмінесцентного випромінювання Спосіб забезпечує більш високу чутливість завдяки тому, що інтервали часу, протягом яких реалізується відкритий стан приймача випромінювання, мають порядок часу затухання люмінесценції Оскільки наступні інтервали відкритого стану приймача ступенево збільшуються, то це супроводжується ступеневим збільшенням кож ного наступного вимірюваного сигналу В результаті це дозволяє значно зменшити похибку вимірювання і розширити діапазон слабких світлових потоків люмінесцентного випромінювання, які можуть бути надійно виміряні Спосіб дозволяє збільшити чутливість до слабких світлових сигналів приблизно на два порядки при заданій систематичній похибці вимірювань ~ 3% На фіг зображена блок-схема установки для реалізації запропонованого способу Блок схема установки містить 1 - джерело збуджуючого випромінювання, 2 - приймач люмне-сцентного випромінювання, 3 - генератор, від якго електричні імпульси подаються на джерело збуджуючого випромінювання 1, та на приймач випро-мінювання 2, реєструючий пристрій - 4, яким реєструють сигнали з приймача випромінювання 2 Спосіб реалізується наступним чином Від джерела збуджуючого випромінювання 1 Пподібні імпульси (СВІТЛОВІ, рентгенівські, імпульси електронів), які мають тривалість заднього фронту значно менше часу затухання люмінесценції і період повторювання значно більше часу затухання люмінесценції спрямовують на об'єкт дослідження Люмінесцентне випромінювання об'єкта дослідження спрямовують на приймач 2 За допомогою генератора 3 синхронно з Пподібними імпульсами збуджуючого випромінювання джерела 1 модулюють П-подібними імпульсами чутливість приймача люмінесцентного випромінювання 2 Встановлюють тривалість прямокутних імпульсів, які визначають інтервал часу відкритого стану приймача випромінювання, рівною Т-ДТв і вимірюють сигнал Si реєструючим пристроєм 4 Величина сигналу буде залежати від тривалості імпульсів збуджуючого випромінювання, від тривалості імпульсів, які забезпечують відкритий стан приймача та від періоду повторювання цих імпульсів Потім встановлюють інтервал відкритого стану приймача випромінювання At < (Т-ДТв)/(2т), і вимірюють сигнал 82 реєструючим пристроєм 4, ступенево збільшуючи інтервал часу відкритого стану приймача на величину At, вимірюють ВІДПОВІДНІ сигнали приймача S3, S4, , S2m реєструючим пристроєм 4 За виміряними величинами сигналів приймача складають зведене рівняння m-го ступеня x m m + z Dm m m _ D l x m _i' + Dm _i' Tm _2+ D D Do + —*. D ^ D =0 D - визначник матриці P1 P2 Pm-j Pi+m-j Pm P2 РЗ Pi+m-j P2+m-j Pm+1 Pm Pm+1 P2m-2-j P2m-1-j Pi=S1lp2=S1-S2p3=S1-S3l S S = 1 ~ 2m. Dm+i, - визначник матриці P2m-1 ,p2m = 51074 P1 P2 Pm-j Pi+m P2 РЗ Pi-fm-j P2-tm Pm Pm+1 P2m-2-j P2m P m Pm+1 P2m-1 яка утворюється з матриці Р заміною стовпчика з номером 1+m-j Pi+m-j P2+m-j P2m-1-j на стовпчик Р2+ 8 вання модулювали чутливість приймача випромінювання - фотопомножувача Встановлювали за допомогою генератора скважність сигналу, який модулює чутливість фотопомножувача Приймальним пристроєм - підсилювачем постійного струму - реєстрували сигнал з фотопомножувача Змінювали скважність сигналу, який модулює чутливість фотопомножувача, і повторно реєстрували реєструючим пристроєм сигнал з фотопомножувача Зміну скважності з ВІДПОВІДНИМ вимірюванням сигналу здійснювали 4 рази Час затухання люмінесценції розраховували за формулою Одержали наступні значення Si - S4 для інтервалів часу [0, 10х2], [0, At], [0, 2At], [0,3At] ВІДПОВІДНО Si[0, 10x2] = 9 00, S 2 [ 0 , At] = 5 1 1 , S 3 [ 0 , 2At] = 6 6 8 , S 4 [ 0 , 3At] = 7 4 8 , Р2г Часи затухання (набір {п, Х2, ,Хщ}) алгебраїчної суми m компонент в затуханні люмінесценції знаходять за формулою де х, - корені рівняння m-ro ступеня, 1m J X -D m+1-j = 0, Н m - КІЛЬКІСТЬ експонент, які характеризують закон затухання люмінесценції объекта, що досліджується, j = 1, 2, , m Завдяки тому, що інтервали часу, протягом яких реалізується відкритий стан приймача випромінювання, пов'язані з х співвідношенням At « х, спосіб забезпечує більш високу чутливість Таким чином, чутливість запропонованого способу до слабких світлових потоків вища в At/Ato разів, де Ato - час відкритого стану приймача в способі прототипу Розрахунки показують, що при заданій ВІДНОСНІЙ похибці вимірювань величини х запропонований спосіб в порівнянні з прототипом забезпечує збільшення чутливості вимірювань приблизно на два порядки Наприклад, Ato х/100, то так як At « х, a At « х, то підвищення чутливості дорівнює відношенню At/Ato і становить приблизно 100 Це дозволяє розширити діапазон слабких світлових потоків люмінесцентного випромінювання, які можуть бути надійно виміряні і забезпечує надійне вимірювання в 100 разів меншої інтенсивності люмінесценції Приклад Проводили визначення часу затухання люмінесценції розчину із комплексами вісмуту, який має у затуханні люмінесценції дві компоненти - %•] та Х2, і ВІДПОВІДНО до цього закон затухання люмінесценції представляє собою суму двох експонент Ji = Joiexp(-t/xi) та J2 = Jo2exp(-t/x2) із такими чисельними значеннями величин Joi = 0 8 (відн од ), J02 - 0 2(відн од ), хі = 5мкс, Х2 = 25мкс Період повторювання імпульсів збуджуючого випромінювання дорівнював 260мкс, інтервал At = Юмкс За допомогою генератора синхронно з Пподібними імпульсами збуджуючого випроміню За виміряними величинами Si, S2, S3, S4 визначили коефіцієнти рівняння для визначення величин хі та Х2 Р1 = Si = 9 00 Si - s 2 = 3 89 Рз = Si -s 3 = 2 32 Р4 = Si - s 4 = 1 52 [D2 D P1P4 -Р2Р3 _ П Я 1 П P1P3 -P2 P 3 - P2P4 - 0 0 9 ° P1P3 Складаємо рівняння D 2_ _ x х2—L = 0. D D Di D x 2 - 0 8 1 0 x + 0092 = 0, ( ДО ( де x-] = exp - — L a x 2 = exp Розв'язуючи це квадратне рівняння відносно х, знаходимо величини ти = 5 ОЗмкс, Х2 = 25 25мкс Проведемо порівняння з прототипом Для визначення часу затухання люмінесценції цим способом необхідно провести більше 10 вимірів сигналів з приймача випромінювання, інтервал відкритого часу фотопомножувача становить Ato = 0 5мкс В порівняні із способом, що заявляється, це призводить до зменшення величини сигналів в 20 разів (At/Ato - 20) Звідси випливає, що спосіб, який пропонується, дозволяє збільшити чутливість до слабких світлових потоків приблизно на два порядки при заданій систематичній похибці вимірювань приблизно 3% Таким чином, запропонований спосіб дозволяє шляхом зміни за певним алгоритмом скважності прямокутних імпульсів, які модулюють чутливість приймального пристрою, значно зменшити КІЛЬКІСТЬ необхідних вимірів, зменшити похибку вимірювання і розширити діапазон слабких світлових потоків люмінесцентного випромінювання, які можуть бути надійно виміряні Література 1 Белый М У , Мусиенко Н Г , Охрименко Б А , 9 51074 10 Шарапа А И Измерение времени затухания лю2 Суббота-Мельник ПА Тауметр минесценции по амплитудно-частотному способу № 3 С 106-107 //ПТЭ, 1973, №4 С 184-187 //ПТЭ, 1963, 4 Реєструючий пристрій 1 Джерело Фіг. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71