д.ф.-м. н. Лисицын В.М., Валиев Д.Т., к.ф.-м. н. Полисадова Е.Ф.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Влияние временного разрешения оптического спектрометра на результаты измерения кинетики затухания люминесценции

Исследование динамики оптических сигналов, инициированных коротким импульсом возбуждения, например, изменение кинетики затухания люминесценции, поглощения, дают важную информацию о процессах преобразования точечных дефектов, механизме их релаксации после возбуждения, процессах переноса энергии. Поэтому такие исследования чрезвычайно информативны для составления физических моделей, моделей прогнозирования изменения свойств, создания обоснования подходов для синтеза материалов с заданными свойствами. Обычно нужны исследования кинетики изменения оптических сигналов (и характеризуемых ими процессов) в очень широком диапазоне времен. Но в большом диапазоне времен (в несколько порядков) величина сигнала может также меняться на несколько порядков. Для того чтобы обеспечить достоверную регистрацию сигнала приходится изменять чувствительность регистрирующей системы, что неизбежно приводит к ухудшению временного разрешения. В этом случае результат измерения потока быстрых компонентов затухания свечения может отражать изменение со временем интегральной величины их светосуммы, а медленных компонентов – изменение потока со временем [1]. Это приводит к тому, что вид кинетики быстрых компонентов затухания свечения очень сильно искажается. Возникает проблема согласования результатов спектрально-кинетических измерений, полученных в различных диапазонах с разным усилением (разной чувствительностью измерительной системы).

Модель измерительной системы

При измерениях вспышки люминесценции, инициированной импульсом возбуждающей радиации, форма импульса вспышки определяется формой импульса возбуждения и релаксационными процессами, связанными с передачей энергии центрам свечения и собственными электронными переходами в центре свечения. Релаксационные процессы и являются обычно предметом исследования методами импульсной спектрометрии [2]. Форма импульса возбуждения обычно сложна. Сложна и совокупность процессов возбуждения и свечения во время импульса возбуждения. Поэтому динамика свечения во время действия импульса малоинформативна. Информацию о релаксационных процессах можно получать только при временах, превышающих длительность импульса возбуждения, когда импульс возбуждения можно считать мгновенным по сравнению со временем, при котором производится измерение. Следовательно, временное разрешение измерительного тракта должно быть не меньше длительности импульса возбуждения. Исследовать можно только релаксационные процессы, длительность которых больше временного разрешения.

Регистрирующая система для измерений вспышки люминесценции состоит из приемника излучения (ФЭУ, фото-модуль) и регистратора, которым обычно является цифровой осциллограф. Приемник излучения преобразует падающий на его фотокатод излучение в ток на выходе.

Генерируемый импульс тока короткой длительности, характеризующий импульс свечения, через коаксиальный кабель подается на вход осциллографа. Форма сигнала на осциллографе отражает форму вспышки, однако является искаженной приемно-передаточной системой, эквивалентная схема которой представлена на рис.1 Используемые для регистрации вспышек люминесценции приемники излучения - ФЭУ, фото-приемные модули, обеспечивают временное разрешение около 1 нс [3]. Влияние на искажение сигнала оказывают сопротивление и емкость цепи передачи сигнала, входное сопротивление и емкости цифрового осциллографа. Следовательно, аппаратная функция, характеризующая искажение мгновенного сигнала, может быть записана выражением вида:

h(t) = A*(exp(-t/R₁C₁) – exp(t/R₂C₂))

где R₁ и C₁- сопротивление и собственная емкость коаксиального кабеля, R₂ – сопротивление на входе осциллографа, сопротивление нагрузки, R₁, С₁ и C₂ – величины постоянные для заданной схемы, R₂ – подбирается для каждого эксперимента, исходя из требований к временному разрешению и чувствительности регистрирующей системы. В том случае, когда требуется измерение кинетики люминесценции в широком временном диапазоне (изменении диапазонов измерения), делаются измерения в нескольких временных диапазонах, затем кинетические кривые «сшиваются». Поскольку в разных временных диапазонах интенсивность свечения может меняться на много порядков, для увеличения чувствительности системы величину R₂ меняют также на несколько порядков. Изменение R₂ приводит к изменению аппаратной функции и формы отображаемого осциллографом сигнала. Поэтому моделирование влияния аппаратной функции на искажение сигнала при измерениях вспышки люминесценции сводится в основном к определению зависимости формы сигнала от величины входного сопротивления R₂.

Моделирование зависимости формы сигнала от величины входного сопротивления с помощью операции свертки [4], были реализованы программно в графической среде программирования LabVIEW с применением модуля Math Script позволяющий, использовать математический аппарат для расчетов. Кроме того были использованы встроенные функции [5] для выполнения операции свертки такие как 1D Convolution.vi. Основу программного эмулятора прохождения сигнала через линейную динамическую систему, составлял генератор сигналов, выполненный в виде виртуального подприбора, который формировал входной сигнал, с использованием структуры Math Script. На выходном терминале этого подприбора, формировался одномерный массив числовых значений, который поступал на первый терминал функции 1D Convolution.vi, на второй терминал подавалась аппаратная функция, затем полученный результат поступал на графический индикатор.

На рисунке 2 представлены результаты моделирования при различных значениях R₂. Параметры входного сигнала были следующими: фронт нарастания сигнала составлял 1 нс, время спада было выбрано равным 10 нс.

Значения нагрузочных сопротивлений были приняты равными 50 Ом, 500 Ом, 1,5 кОм, 18 кОм. Из представленных результатов расчета следует, что при нагрузке в 50 Ом сигнал искажается незначительно, при дальнейшем увеличении R₂ происходит заметное искажение сигнала (рис.2). Но при этом происходит увеличение амплитуды, т.е. повышается чувствительность при ухудшении временного разрешения регистрирующей системы.

Проведенное моделирование в среде LabVIEW с использованием модуля Math Script с применением интеграла свертки с учетом параметров регистрирующей RC-цепи, отражает реальные изменения регистрируемых сигналов. Предложенный подход может быть использован для прогнозирования поведения входных импульсных сигналов при проведении кинетических измерений с высоким временным разрешением.

Литература:

1. Лисицын В.М, Корепанов В.И. Спектральные измерения с временным разрешением // изд. Томского политехнического университета. – 2008. с.90

2. Алукер Э.Д., Гаврилов В.В., Дейч Р.Г., Чернов С.А., Быстропротекающие процессы в щелочногалоидных кристаллах. Рига: Зинатне. –1987. с.183

3. Edgard Moreno, Porfirio Reyes Time-resolved fluorescence Spectroscopy with LabVIEW// LabVIEW - Modeling, Programming and Simulations. InTech Croatia – 2011. p.177-200

4. H.M. Srivastava and R.G. Buschman Theory and applications of convolution integral equation (mathematics and its application) // Springer (1992) p.264

5. Суранов А.Я. LabVIEW 8.20 справочник по функциям// изд. ДМК Пресс, М. – 2007. с.534