Kỹ thuật đếm photon: Kỹ thuật đếm photon được sử dụng trong các đầu thu của hệ đo FCS để ghi nhận cường độ tín hiệu ánh sáng yếu. Các tín hiệu ánh sáng có cường độ rất yếu thực chất là một chuỗi các photon rời rạc tuân theo thống kê Poisson. Qua các đầu thu có hệ số khuếch đại cao đến 106 hay 107 và đáp ứng thời gian cỡ 1 nano-giây, mỗi photon sẽ tạo ra một xung điện có cường độ cực đại cỡ mA, tương ứng với điện áp cực đại cỡ 50 – 100 mV trên trở tải 50 Ω. Tín hiệu ra khỏi đầu thu sẽ là một chuỗi ngẫu nhiên các xung điện có mật độ tương ứng với cường độ của tín hiệu ánh sáng. Như vậy việc đếm số xung điện trong một khoảng thời gian nhất định, hay còn gọi là kỹ thuật đếm photon, là phương pháp đo đạc tín hiệu quang với hiệu suất cao bằng các đầu thu có hệ số khuếch đại lớn. Các đầu thu được sử dụng trong luận án đều ở dạng mô-đun tự xây dựng, trong đó các mạch điều khiển, phần làm lạnh, thiết kế chống nhiễu đều tự chế tạo và tích hợp với sensor thương mại.
Đầu thu nhân quang điện PMT: Các đầu thu nhân quang điện (photomultiplier tube - PMT) là các đầu thu có hệ số khuếch đại cao dựa trên hiệu ứng quang điện. Nhân quang điện bao gồm photocathode và một số lớn các dynode, hay các tầng khuếch đại, đặt trong chân không. Cao áp giữa photocathode và dynode tạo ra một điện trường lớn nhằm gia tốc các điện tử đã được bứt ra khỏi photocathode (điện tử sơ cấp) hay từ dynode (điện tử thứ cấp). Do vậy hệ số khuếch đại của các nhân quang điện đạt được rất cao, lên tới 106 hay 107 lần.
Sensor của hãng Hamamatsu (Nhật bản) được lựa chọn để chế tạo đầu thu PMT hoạt động trong dải phổ rộng từ 230 đến 700 nm (hình 2.7), đồng thời có dòng tối cực đại thấp (dưới 102 counts/s). Sensor và nguồn cao áp được mua riêng lẻ và được tích hợp trong vỏ đồng chống nhiễu với nguồn cấp cho cao áp là nguồn một chiều 15 V. Thiết kế này cho phép chống nhiễu cao tần hiệu quả cho đầu thu.
a)
Hình 2.7. a) Đáp ứng phổ và b) đặc trưng khuếch đại của PMT.
Đầu thu được đặt cố định trên giá đỡ. Nhờ các khớp nối đầu thu có thể được tháo lắp khỏi hệ đo hoặc thay thế dễ dàng, thuận tiện mà vẫn đảm bảo tính ổn định về quang học và cơ học cho hệ đo.
Tín hiệu từ PMT được khuếch đại bằng bộ khuếch đại xung trước khi đưa vào mô-đun đếm photon. Bộ khuếch đại xung có đáp ứng nhanh và có hệ số khuếch đại cao. Các xung điện ứng với đơn photon được giãn thành các xung có độ rộng lớn hơn, cỡ 10 ns, có thể đo trực tiếp trên dao động ký thương mại PicoScope với tốc độ lấy mẫu trung bình tới 100 Msamples/giây. Bộ khuếch đại được thiết kế gồm hai kênh, hệ số khuếch đại được chọn cho mỗi kênh là 10 và sử dụng nguồn một chiều 5 V. Lối vào và lối ra được phối hợp trở kháng 50 . Mạch điện được thiết kế đảm bảo
cho hoạt động tại tần số cao (500 MHz) với một mặt được phủ đồng hoàn toàn chống nhiễu.
Đầu thu photodiode thác lũ APD: được thiết kế và chế tạo trên cơ sở đầu thu thương mại chưa tích hợp nguồn cấp điện, mạch điện tử và phần làm lạnh. Để có thể thu các tín hiệu yếu, đầu thu được đặt trong vỏ nhôm dày chống nhiễu, thiết kế để làm lạnh xuống < -10oC bằng pin peltier với hệ tản nhiệt bằng nước bơm liên tục qua vỏ để giảm dòng tối của đầu thu xuống cỡ 500 - 600 xung/s. Để tránh hiện tượng đóng băng trên đầu thu, dòng khí trơ (nitơ hoặc argon) được thổi liên tục qua đầu thu trong quá trình đo. APD có độ nhạy cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy bước sóng 300 – 700 nm.
Tín hiệu từ PMT hoặc từ APD được quan sát trực tiếp bằng dao động ký để kiểm tra và căn chỉnh hệ đo. Các tín hiệu sau đó được ghi nhận và xử lý bằng mô-đun đếm photon để có đường tương quan FCS.
Trong trường hợp sử dụng đồng thời hai đầu thu để lấy tương quan chéo giữa hai kênh (hình 2.8), tín hiệu được chia đôi thông qua một bộ chia chùm. Nhờ quá trình lấy tương quan chéo giữa hai đầu thu, có thể loại bỏ ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu do có xung phụ (afterpulse) đi kèm ngay sau xung chính của APD, thu được hàm tương quang ứng với thời gian trễ ngắn < 10-5 s.
1. APD 1 2. APD 2
3. Đường dẫn khí trơ
4. Đường dẫn nước làm lạnh
Hình 2.8. Hệ đo sử dụng hai đầu thu APD.
Mô-đun đếm photon là mô-đun thương mại PicoHarp 300 (hãng PicoQuant) phát hiện đơn photon với thời gian phân giải cực ngắn cỡ vài ps. Ngoài ra còn sử dụng mô-đun đếm photon tự thiết kế dựa trên mảng logic lập trình được (FPGA) đếm số photon huỳnh quang trong một khoảng thời gian cỡ μs.