Оптимизация параметров синхронизации

Вход SYNC

Как правило, значение параметра SYNC оказывает мало влияния на временное разрешение, поскольку амплитуда сигнала синхронизации стабильна. Тем не менее, если сигнал синхронизации имеет отражения, звон или «послеимпульсы», то возможно возникновение ложного срабатывания.

Настройка длины пути импульсов SYNC и SIGNAL

Положение интервала регистрации импульсов внутри измеряемого периода зависит от длины кабелей, оптического пути и приборных задержек, и не всегда оптимально. Рассмотрим основные пути коррекции.

Увеличение длины SYNC кабеля сдвигает кривую сигнала влево на шкале времени, увеличение длины SIGNAL кабеля и оптического пути измеряемого сигнала – вправо. Сдвиг величиной 1 нс примерно равен 30 см оптического пути или 20 см длины кабеля.

Поскольку длительность периода измерения меньше периода сигнала, временная кривая может быть сдвинута также параметром “TAC Offset”. Однако надо избегать попадания измеряемого сигнала за пределы границ периода работы блока TAC, поскольку это приведет к искажению сигнала, т.к. вне этих границ счет не ведется, а в начале работы блок ведет себя нелинейно.

В режиме обратного TCSPC счета значение имеет положение опорного импульса, останавливающего счет. Его задержка от начала регистрируемого импульса должна составлять сумму временной задержки приемника, ширины регистрируемого интервала, и несколько нс, необходимых для запуска блока ТАС. В ином случае часть импульса окажется вне зоны счета, или в счет попадут импульсы из соседнего периода. Наиболее подходящим способом в такой ситуации является введение задержки импульса SYNC с помощью кабеля.

Паразитная связь сигналов

Часто возникает паразитная связь опорного и сигнального кабелей, а также SIGNAL и SYNC цепями. Не следует пренебрегать экранированием детектора и лазера, т.к. проникновение помехи от лазера – наиболее частый источник помех. Следует пространственно разделять сигнальный и опорный кабели, избегать большой амплитуды импульсов SIGNAL и малой SYNC, и наоборот.

Dead Time

Dead time – это время, в течении которого система «слепа» после регистрации очередного фотона. Эта величина не только ограничивает скорость счета, но также вносит искажения в форму сигнала и ошибки в измерения интенсивности. Следует избегать ситуации, когда в интервал Dead time попадает следующий фотон, поскольку он не будет зарегистрирован, что исказит распределение фотонов по времени.

Потери в счете

Поскольку время прихода фотона имеет вероятностную природу, часть из них теряется в любом случае. Но при настройке системы часто имеет смысл выяснить, теряются они из-за случаев, вызванных Dead Time, или по другим причинам? Для этого существует формула вычисления эффективности счета E:

,

где r₀ – частота входных импульсов, t_d – dead time, r – регистрируемая частота импульсов. Из-за этого при уровне выше 10% от скорости счета приемника эффективность заметно нелинейна. При временных измерениях TCSPC эти потери не искажают результат, но приводят к «насыщению» при измерении интенсивности или спектров. Максимальная полезная скорость счета считается 50% от максимальной.

Pile-Up эффект

Классический Pile-Up эффект заключается в том, что в течение одного периода регистрируется только один фотон, следовательно второй игнорируется. Это приводит к искажению распределения (т.е. формы регистрируемого сигнала). Явление наблюдается на скорости счета выше нескольких процентов от максимальной, и, если на один импульс возбуждения приходят сотни и тысячи фотонов, то длительность искаженного зарегистрированного импульса может оказаться даже меньше временного разрешения детектора. Pile-Up эффект сильнее всего проявляется в измерениях с килогерцовой частотой следования импульсов возбуждения высокой мощности.

Межимпульсный Pile-Up эффект проявляется в экспериментах на высокой частоте. После периода dead time система включается на прием посреди очередного импульса, следовательно, фотоны в первую часть периода импульса не регистрируются. Будучи усредненным по большому числу измерений, результат проявляется как ступенька в распределении, искажая форму сигнала

Способы предотвращения Pile-Up эффекта

1. Измерения на низкой частоте.

Основная проблема – классический Pile-Up эффект. Общий рецепт – снижение интенсивности сигнала. Предпринимались попытки учитывать либо исключать из счета фотон, если в тот же период приходил второй, либо учитывать и второй фотон. В первом случае так исключается много полезных фотонов, т.к. второй импульс часто вызывается отражениями, звоном в цепи и пр. Если сигнал люминесценции короткий, менее нескольких нс, то два фотона все равно не различить, и они пройдут как один. Если длительность люминесценции больше, то можно, в принципе, подсчитывать переходы через порог дискриминатора CFD.

Второй метод стал возможен с переходом на цифровые схемы регистрации TDC (time-to-digital conversion), однако также столкнулся с pile-up. Одним из выходов является многодетекторная регистрация, т.к. в таком случае вероятность многофотонного события в одном детекторе уменьшается. Также можно использовать несколько каналов счета.

2. Измерения на высокой частоте

Присутствуют оба типа эффекта pile-up. Они зависят от соотношения скорости счета к частоте следования импульсов, или, что точнее, частоте стоп-сигнала блока TAC. Потери в счете зависят от отношения dead time и частоты стоп-сигнала. Следовательно, все вышеперечисленное минимизируется поддержанием высокой эффективной частоты стоп-сигнала блока TAC. Следует избегать длинных интервалов старт-стоп, выбирая правильную задержку. Иногда можно пренебречь полным затуханием люминесценции и выбрать меньший период следования импульсов, поскольку скорректировать неполное затухание проще, чем pile-up эффект.