DE2733061A1 - Verfahren und einrichtung zum messen schwacher lichtintensitaeten mittels eines photo-sekundaerelektronenvervielfachers - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum messen schwacher lichtintensitaeten mittels eines photo-sekundaerelektronenvervielfachersInfo
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Description
-A-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Es 1st bekannt, Lichtintensitäten mit Hilfe beispielsweise einer
Hochvakuumphotozelle oder eines Photo-Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) zu messen. Diese Vorrichtungen lassen jedoch beide
in der einen oder anderen Hinsicht zu wünschen übrig: Photozellen sind für genaue Messungen schwacher Lichtintensitäten nicht
empfindlich genug, während der SEV zwar eine ausreichende Empfindlichkeit hat, aber über längere Zeiträume nicht genügend
stabil ist. Die Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität eines SEV beruhen zum Teil auf dem Problem eine hochstabile
Hochspannung für die Speisung der Dynoden des SEV zu erzeugen und teilweise auf der für einen SEV typischen Neigung, seinen
Verstärkungsgrad im Laufe der Zeit zu ändern. Messungen der Lichtintensität, die auf einer Integration der von der Anode des
SEV abgenommenen Impulse basieren, sind daher ungenau.
Bei manchen Anwendungen müssen Änderungen der Intensität von Licht von einer Lichtschwelle niedriger Intensität Über Zeitspannen
von mehreren Stunden gemessen werden und die Messungen müssen dann mit hoher Stabilität durchgeführt werden, wenn Resultate,
die im Verlaufe einer längeren Zeitspanne gewonnen wurden, miteinander verglichen werden sollen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Einrichtung anzugeben, mit denen solche Messungen mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden können als es mit
einer einfachen Photozelle oder einem SEV möglich ist.
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schwacher Lichtintensitäten mittels eines Photo-Sekundärelektronenvervielfachers
(SEV) gemäß der Erfindung die Stabilität der Messungen über beträchtliche Zeitspannen dadurch aufrechterhalten,
daß die Ausgangsimpulse vom SEV, die einzelnen, vom SEV empfangenen Photonen entsprechen, durch Formen auf eine vorgegebene
Breite und Amplitude gebracht, bevor sie integriert oder gezählt werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das der Anzahl
der vom SEV innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls erfaßten Photonen proportional und im wesentlichen unabhängig
von Verstärkungsschwankungen des SEV ist.
Dadurch, daß beim Messen der Lichtintensität die Impulse vor dem Zählen oder Integrieren geformt werden, vermeidet die Erfindung
in der Praxis die auf die Instabilität des SEV zurückzuführenden Probleme. Im Idealfall hat das Ausgangssignal der
Einrichtung eine Stabilität und einen Rausch- oder Störungspegel, der durch die Statistik der Photonenemission bestimmt
ist und bei Häufigkeiten von 10 Photonen/Sekunde und einer Integrationszeitkonstante von 1 Sekunde nur etwa 0,1% des
mittleren Signalwertes sein wird.
Durch die Erfindung wird ferner eine über beträchtliche Zeiträume
stabile Einrichtung zum Messen niedriger Lichtintensitäten angegeben, welche einen Photo-Sekundärelektronenvervielfacher
oder Photomultiplier (SEV) eine mit diesem verbundene Detektoranordnung, welche dem Ansprechen des SEV auf einzelne
Photonen entsprechende Ausgangsimpulse liefert, eine mit der
Detektoranordnung verbundene Impulsformungsschaltung, die für jeden SEV-Ausgangsimpuls Ausgangsimpulse vorgegebener Breite
und Dauer liefert, die im wesentlichen unabhängig von Verstärkungsschwankungen des SEV sind, und eine Integrier- oder Pulszählanordnung
enthält, welche mit der Impulsformungsschaltung verbunden ist und ein Ausgangssignal liefert, welches der Anzahl
der vom SEV innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalles
erfaßten Photonen, d.h. der Intensität des auf den SEV fallenden Lichtes proportional ist und durch Verstärkungsschwankungen
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-6-des SEV praktisch nicht beeinflußt wird.
Die Impulsformungsschaltung enthält vorzugsweise eine monostabile
Schaltung, die für jeden Ausgangsimpuls des SEV einen Ausgangsimpuls
konstanter Breite liefert, und einen Amplitudenbegrenzer, der mit dem Ausgang der monostabilen Schaltung verbunden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die
Detektoranordnung einen Schwellenwertdetektor mit einem vorgegebenen
Amplitudenschwellwert, der niedriger ist als die minimale Amplitude der Ausgangsimpulse des SEV, so daß Störungen
oder Rauschen niedriger Amplitude vom Eingang der Impulsformungsschaltung unterdrückt werden.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung eignet sich z.B. für die Messung der Fluoreszenz des Ausflusses oder der Fraktionen von
chromatographischen Säulen entweder unmittelbar oder nach chemischen Reaktionen, die Trennung dauert dabei mehrere Stunden und
es müssen kleine Änderungen erheblicher FluoreszenzIntensitäten
gemessen werden. Die oben beschriebene Einrichtung kann für die Messung der Fluoreszenzstrahlung einer Flüssigkeit verwendet
werden und hierfür mit einer Lichtquelle versehen werden, von der man Licht in die Flüssigkeit fallen lassen kann.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
in einem Fluorimeter geeignete Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung und
Fig. 2 schematische Darstellungen von Ausgangssignalen, wie sie an den mit A, B, C und D bezeichneten Stellen der Einrichtung
gemäß Fig. 1 auftreten.
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dargesteilt, das zum Messen der Fluoreszenzstrahlung dient,
welche von einer durch eine Zelle 2 strömenden flüssigen Probe emittiert wird. Die Fluoreszenz wird durch Licht von einer Jodquarz
lampe 3 angeregt, welches mittels eines Quarzlichtleiters 4 in die Zelle geleitet wird. Der Lichtleiter 4 enthält zwei
Teile, zwischen denen ein Filter 5 angeordnet ist.
Die von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung, die im sichtbaren
Spektralbereich liegen kann, wird mittels eines Glaslichtleiters 6, der in einem Winkel von im wesentlichen 90° zum
Lichtleiter 4 verläuft, durch ein zweites Filter 7 einem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher
(SEV) 8 zugeführt.
Das Ausgangssignal des SEV 8, das in Fig. 2Ά dargestellt ist,
besteht aus Impulsen unterschiedlicher Amplitude und Frequenz entsprechend den einzelnen Photonen, die beim SEV eintreffen.
Diese Impulse werden durch einen Hochfrequenzverstärker 9 verstärkt, dessen Ausgangssignale in Fig. 2B dargestellt sind und
dann einem Schwellenwertdetektor 10 zugeführt, der Störimpulse niedriger, unterhalb eines durch eine gestrichelte Linie dargestellten
Schwellenwertes 14 liegender Amplitude unterdrückt.
Die Ausgangeimpulse vom Schwellenwertdetektor werden einer schnellen monostabilen Schaltung 11 zugeführt, welche für jeden
ihr zugeführten Impuls einen Ausgangsimpuls mit einer Breite von größenordnungsmäßig 50 ns liefert. Diese Ausgangsimpulse,
die in Fig. 2C dargestellt sind, werden dann einem Amplitudenbegrenzer 12 zugeführt, der die Impulse auf eine konstante Amplitude
begrenzt. Die in Fig. 2D dargestellten begrenzten Impulse, die nun praktisch gleich sind, werden schließlich einem integrierenden
Verstärker 13 zugeführt, der die während eines bestimmten
Zeitintervalles mit Raten bis zu 10 Impulsen/Sekunde
eintreffenden Impulse integriert.
Das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers ist für
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Impulsraten bis zu 10 Impulsen/Sekunde im wesentlichen proportional
der Anzahl der die Photokathode des SEV 8 während des bestimmten Zeitintervalles treffenden Photonen und ist im
wesentlichen unabhängig von der Elektronenvervielfachung des SEV. Oberhalb der erwähnten Rate nimmt die Linearität ab, da
die Impulsformungsschaltungen von Verstärkern, die mit konventionellen
Logikschaltungen oder Schaltnetzen arbeiten, in den Sättigungsbereich gelangen. Verstärker mit "schnelleren" Schaltungen,
also mit höherer Frequenzgrenze, ermöglichen jedoch auch bei höheren Photonenhäufigkeiten noch gute Ergebnisse zu
erzielen.
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Claims (6)
1)) Verfahren sum Messen schwacher Lichtintensitäten mittels
eines Photo-Sekundärelektronenvervielfachers (SEV), der einzelnen einfallenden Photonen entsprechende Ausgangsimpulse liefert/
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse durch Formung auf eine vorgegebene Breite und Amplitude
gebracht werden, bevor sie zum Erzeugen eines Ausgangssignales, das der Anzahl der vom SEV während einer vorgegebenen Zeitspanne
erfaoten Photonen im wesentlichen proportional und im wesentlichen
unabhängig von Verstärkungsgradschwankungen des SEV ist,
integriert oder gezählt werden.
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2) Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Photo-Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) und
einer an diesen angeschlossenen Detektorschaltung zum Erzeugen von einzelnen einfallenden Photonen entsprechenden Ausgangsimpulsen,
dadurch gekennzeichnet, daß mit der Detektorschaltung (10) eine Impulsformungsschaltung
(11,12) verbunden ist, die für jeden Ausgangsimpuls des SEV
einen geformten Impuls vorgegebener Breite und Amplitude erzeugt, welche im wesentlichen unabhängig von Verstärkungsgradschwankungen
des SEV sind, und daß mit der Impulsformungsschaltung eine Integrier- oder Impulszählvorrichtung (13) verbunden ist,
welche ein der Anzahl der vom SEV während eines vorgegebenen Zeitintervalles erfaßten Photonen und damit der Intensität des
auf den SEV fallenden Lichtes proportionales Ausgangssignal liefert, das im wesentlichen unabhängig von Schwankungen des Verstärkungsgrades
des SEV (8) ist.
3) Einrichtung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet
, daß die Impulsformungsschaltung eine mit der Detektorschaltung (10) verbundene monostabile Schaltung (11),
welche für jeden Ausgangsimpuls des SEV einen Impuls konstanter Breite liefert, und einen Amplitudenbegrenzer (12), der mit dem
Ausgang der monostabilen Schaltung (11) verbunden ist, enthält.
4) Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurchgekennzeichnet , daß die Detektorschaltung einen
Schwellenwertdetektor (10) mit einem vorgegebenen Amplitudenschwellwert (14) enthält, der kleiner ist als die minimale
Amplitude der Ausgangsimpulse des SEV, so daß Störungen kleiner Amplitude vom Eingang der Impulsformungsschaltung (11,12) ferngehalten
werden.
5) Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der SEV (8) auf Fluoreszenzstrahlung
von einer Flüssigkeit anspricht und daß eine Lichtquelle (3) vorgesehen ist, von der Licht in die Flüssigkeit fällt.
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6) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß Lichtleiter (4,6) vorgesehen sind, um
das Licht von der Lichtquelle (3) in die Flüssigkeit und die Fluoreszenzstrahlung von der Flüssigkeit zum SEV (8) zu leiten.
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