2.1.3.1. Đầu thu nhân quang điện (photon multilplier tube - PMT)
Cấu trúc của một PMT có thể mô tả như ở trên Hình 2.13, PMT là một ống hút chân không có cửa sổ quang nhận photon, photocathode đối diện với cửa sổ, các điện cực trung gian có tác dụng nhân electron quang điện (dynode) và dương cực anode.
Ánh sáng tới PMT và tín hiệu sinh ra ở PMT thông qua những quá trình sau [108]:
Ánh sáng xuyên qua cửa sổ vào (faceplate).
Photon tới đập vào cathode kích thích quang điện tử (photoelectron) phát xạ hướng vào phía a nốt của ống nhân quang điện.
Photoelectron sinh ra từ photocathode được gia tốc và định hướng để đập vào điện cực thứ nhất (dynode thứ nhất) làm phát xạ ra các electron (quá trình phát xạ thứ cấp) quá trình nhân electron được tiếp tục lặp lại ở các dynode tiếp theo.
Cuối cùng các electron được tập hợp sau nhiều lần nhân lên tại anode để sinh ra tín hiệu ra.
Quá trình nhân electron của PMT đều đặn trên các dinode, thế trên các dynode sẽ tăng dần đảm bảo chênh lệch thế giữa hai dinode liên tiếp (PMT ở trạng thái hoạt động).
82
Về cơ bản PMT có thể chia làm hai loại: Một loại cửa sổ nhận photon ở phía trên đầu của khối cấu trúc PMT (head–on type) và loại cửa sổ nhận photon nằm phía hông của khối cấu trúc PMT (side-on type) [79]. Vì vậy, điều quan trọng là lựa chọn cấu trúc PMT để phù hợp với điều kiện đo và khối quang học của hệ đo. Nếu đầu thu nhận tín hiệu của PMT có dạng hình chữ nhật thì nó phù hợp với các máy quang phổ hoặc khi chúng ta cần chuẩn trực ánh sáng, còn loại cửa sổ thu nhận là dạng tròn sẽ thích hợp với trường hợp tín hiệu có tính đối xứng về không gian. Các đầu PMT có khoảng lựa chọn rộng với đường kính từ 5 mm đến 120 mm. Tuy nhiên, nếu chúng ta lựa chọn đầu PMT có diện tích lớn để tăng cường độ thì tín hiệu nhiễu và dòng tối cũng tăng theo làm giảm chất lượng tín hiệu. Do đó loại PMT, kích thước đầu thu cùng các đặc trưng riêng của chúng cần được xem xét chính xác phù hợp khi lựa chọn đáp ứng đúng các mục đích của đặc trưng tín hiệu cần khảo sát. Sau đây chúng ta đề cập tới một số đặc trưng cơ bản về khối thu PMT để làm cơ sở khi lựa chọn loại phù hợp với mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar khảo sát khí quyển.
Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency) của đầu thu PMT
Hiệu suất lượng tử của PMT là tham số có ý nghĩa quan trọng bởi nó quyết định hiệu suất thu nhận (detection efficiency) của PMT, bằng tỉ số giữa số e quang điện trên số photon đi tới mặt nhạy sáng của đầu đo. Vì vậy bạn cần lựa chọn PMT có hiệu suất lượng tử cao ứng với bước sóng đặc trưng của khối phát hệ lidar ví như tại bước sóng 532 nm.
Thế đáp ứng và hệ số khuếch đại (gain)
Độ khuếch đại của PMT phụ thuộc vào việc chọn hệ số khuếch đại của đầu thu, tuy nhiên với hệ số khuếch đại tín hiệu cao thì nhiễu cũng sẽ được khuếch đại với hệ số như vậy. Về tổng quát chúng ta nên chọn PMT có độ khuếch đại khi hoạt động lớn hơn x106
, tuy nhiên sẽ còn phụ thuộc vào độ rộng xung tín hiệu trở về ống nhân quang điện – PMT bởi thời gian hồi phục của mỗi PMT là khác nhau.
83
Phân bố độ cao xung của trạng thái đơn Photoelectron (PHD)
Mặc dù không được nêu trong các catalog của PMT nhưng PHD là một thông số quan trọng vì nó liên hệ với hiệu suất xác định mức độ ổn định của PMT. Vì vậy khi chúng ta sử dụng PMT cho mục đích đếm photon (với đối tượng tín hiệu cực yếu) chúng ta phải tính đến thông số này xem nó tốt hay không, đặc tính này được xác định bằng tỉ số giữa cường độ đỉnh và nền.
Số xung tối (Dark count)
Số xung tối là một thông số quan trọng cho việc xác định giới hạn dưới của tín hiệu cho mục đích đo của PMT. Vì vậy PMT có số xung tối càng nhỏ thì khả năng đo tín hiệu yếu chắc chắn sẽ tốt hơn. Với các PMT có cùng một cấu trúc điện cực thì photocathode càng rộng hơn sẽ có số xung tối càng cao đương nhiên độ nhạy cũng sẽ cao hơn đối với vùng bước sóng dài. Vì vậy để tối ưu hiệu suất cho PMT dùng để đo các bước sóng dài hơn 700 nm thì việc làm lạnh để giảm nhiễu tối là cần thiết.
Đáp ứng thời gian – Tốc độ đếm cực đại và độ phân giải thời gian.
Tốc độ đếm cực đại của PMT được xác định bởi khả năng đáp ứng thời gian của PMT, độ phân giải thời gian của mạch xử lý tín hiện và độ rộng xung. Hầu hết các PMT không có vấn đề về thời gian đáp ứng khi tốc độ đếm cực đại lên tới 3x106
(xung/giây).
Hình 2.14: a) Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT series R7400U [79].
a) b)
84
Từ việc tìm hiểu về các đặc trưng của đầu thu PMT và cụ thể cho nhiệm vụ đo tín hiệu của hệ lidar. Chúng tôi tập trung xây dựng khối đầu thu sử dụng ống nhân quang điện thuộc series R7400U để phục vụ việc quan trắc khí quyển ở cả 2 chế độ tương tự và đếm photon đáp ứng mục đích quan trắc trong cả thời gian ban ngày và ban đêm đối với tín hiệu đàn hồi ở bước sóng 532 nm. Trong Hình 2.14 và Hình 2.15 thể hiện thông số đặc trưng độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu và hệ số khuếch đại theo thế nuôi của đầu đo PMT lựa chọn cho hệ lidar đa kênh hoạt động ở chế độ đo tương tự và đếm photon.
Khi hoạt động ở bước sóng tín hiệu đàn hồi 532 nm thì độ nhạy, hệ số khuếch đại của PMT đều đạt giá trị cao theo thông số của nhà sản xuất. Điều đó cho phép hệ thu tín hiệu hoạt động hiệu quả ngay cả khi hệ đo hoạt động ở điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 25o
C. Tuy nhiên đầu thu R7400U sẽ giảm độ nhạy nhanh khi tín hiệu có bước sóng lớn hơn, ví như ở bước sóng tán xạ ngược của tín hiệu Raman. Để lựa chọn đầu thu phù hợp hơn đáp ứng độ nhạy cao trên bước sóng 607 nm và có hệ số khuếch đại cao đảm bảo khả năng ghi nhận tín hiệu Raman rất yếu. Chúng tôi lựa chọn đầu thu PMT series H6780 của hãng Hamamatsu. Trong Hình 2.15 thể hiện các đặc trưng miền phổ đáp ứng, độ nhạy và dòng nhiễu của PMT series H6780 lựa chọn cho kênh tín hiệu Raman. Ta Hình 2.15: a) Độ nhạy của đầu thu theo bước sóng tín hiệu. b) Hệ số khuếch đại theo thế nuôi. c) Hình ảnh module PMT H6780 của hãng Hamamatsu [79].
a) b)
85 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
thấy đối với bước sóng của tán xạ Raman 607 nm là khá phù hợp [105], đầu đo hoạt động ở chế độ hiệu suất gần cực đại.
Để đảm bảo module PMT hoạt động ở chế độ tối ưu chúng tôi tiến hành chế tạo mạch nuôi theo thiết kế và chỉ số của nhà cung cấp dựa trên module cao thế C4900 của Hamamatsu. Module PMT đếm photon (R7400U và H6780-20) của chúng tôi thiết kế vỏ đựng bằng đồng đảm bảo khả năng hạn chế nhiễu điện tốt, trong Hình 2.16 là PMT H6780-20.
2.1.3.2. Đầu thu photodiode thác lũ - APD Nguyên lý hoạt động và đặc trƣng của APD Nguyên lý hoạt động và đặc trƣng của APD
Đầu thu loại APD có những ưu điểm riêng do hoạt động trên hiệu ứng quang điện trong của hiện tượng khuếch đại thác lũ của các hạt tải trong miền lớp tiếp xúc p-n dưới thế đảo được duy trì trên lớp tiếp xúc. APD được sử dụng rất rộng trong nhiều thiết bị đo bức xạ quang yếu như các hệ lidar hay như các thiết bị nghiên cứu sự kết hợp của yếu tố quang học yếu. Với mục đích thu tín hiệu quang yếu có miền đáp ứng phổ từ 200 – 1150 nm, thông thường chúng ta có 3 lựa chọn khác nhau cơ bản như sau: cấu trúc silicon PIN, cấu trúc Hình 2.16: Hình ảnh module PMT H6780 - 20 hoạt động ở chế độ đếm photon trên kênh tín hiệu Raman với thể nuôi 15 V.
Cửa sổ quang của PMT
Thay đổi hệ số khuếch đại Khóa điện Cáp tín hiệu
86
photodiode silicon thác lũ và cấu trúc PMT ống nhân quang điện. Có những ưu điểm riêng nên APD được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị và ứng dụng trong khảo sát không gian bằng bức xạ quang [87, 110].
APD có ưu điểm cả về tốc độ đếm (tín hiệu nhanh) Độ nhạy cao trên miền bước sóng lớn hơn 400 nm.
Hình 2.17 thể hiện hiệu suất lượng tử trong lớp bán dẫn khi hoạt động ở chế độ thác lũ đối với một số bước sóng khác nhau. Để đạt mục đích có được hệ số khuếch đại lớn nhất chúng ta cần tạo miền bán dẫn có độ dày lớn nhất có thể (thông thường là 2/φ) và hệ số phản xạ bề mặt nhỏ nhất. Chỉ số phản xạ sẽ nhỏ nhất khi chúng ta tìm cách phủ một lớp điện môi lên bề mặt của photodiode với chiết suất n1 điều chỉnh theo chiết suất của lớp bán dẫn là n2 theo mối liên hệ:
𝑛1 = (𝑛0𝑛2)1/2 trong đó n0 là chiết suất của không khí bằng 1, độ dày quang học của lớp phủ sẽ là 𝑑 = 𝜆
(4𝑛1) (lớp điện môi dày một phần tư bước sóng) hoặc d có thể bằng lẻ lần độ dày ¼ bước sóng [95].
Hình 2.17: Phân bố của photon trong lớp silicon đối với một số bước sóng tới khác nhau [123].
87
Ví dụ như đối với Si ta có n2 = 3,4 – 3,5 khi đó điều kiện phản xạ đối với Si3N4 có n1 = 1,8 – 2,0. Do đặc điểm công nghệ mà hầu như tất cả lớp phủ bề mặt đều được sử dụng là SiO2 có n1 = 1,5. Khi đó hiệu suất lượng tử cực đại tối ưu hóa cho trường hợp của photodiode bao phủ bởi Si3N4 là 80-90% và với lớp SiO2 là 70-75%.
Trong Hình 2.18 biểu diễn giản đồ phổ độ nhạy đặc trưng của APD từ 200 nm tới 1300 nm và tại bước sóng ~850 nm thì đầu thu đạt độ nhạy cao nhất ~55A/W, độ dày lớp hấp thụ của photodiode là 30 µm và bề mặt được phủ lớp chống phản xạ là SiO2, đây chính là đặc trưng của APD chúng tôi sử dụng trong module đầu thu cho hệ lidar compact với laser 905 nm.
Những yếu tố cần nắm được khi lựa chọn photodiode APD là:
Xác định miền bước sóng đặc trưng của mỗi loại photodiode APD có hệ số khuếch đại tốt nhất.
Kích thước tối thiểu của đầu thu ứng với cấu hình hệ quang để đảm bảo tín hiệu được ghi nhận đầy đủ và hiệu quả nhất khi lựa chọn photodiode APD cả về hiệu quả quang học và hiệu quả kinh tế khi sử dụng PIN hay photodiode APD.
Hình 2.18: a): Đặc trưng độ nhạy của APD theo bước sóng tín hiệu. b): Hiệu suất lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. c): Đặc trưng dòng tối theo thế ngược đặt vào APD [13].
a) b)
88
Xác định băng tần điện tử của hệ, hệ số khuếch đại và băng thông đó phải lớn hơn độ rộng phổ tín hiệu cần đo thì khi đó chúng ta mới có thể làm tăng phẩm chất tín hiệu đo - SNR.
Về thành phần cấu tạo và đáp ứng phổ có thể chia photodiode APD thành 3 loại cơ bản sau: loại photodiode APD Silic có giải phổ đáp ứng là: 300nm tới 1100nm, photodiode APD Germani có giải phổ là: 800 nm tới 1600nm và InGaAs có giải phổ từ 900 nm tới 1700 nm [127].
2.2. Kỹ thuật đo tín hiệu lidar 2.2.1. Kỹ thuật đo tƣơng tự 2.2.1. Kỹ thuật đo tƣơng tự
Khi tín hiệu quang tới PMT với mật độ photon trên một đơn vị thời gian lớn thì các electron quang điện phát ra từ cathode sẽ rất lớn (tỉ số điện tử quang điện trên số photon tới cathode được xác định bằng hiệu suất lượng tử của PMT: QE). Hiệu suất lượng tử được định nghĩa là tỉ số của số photoelectron trung bình phát ra từ photocathode trên số photon trung bình tới photocathode trong một đơn vị thời gian. Trong trường hợp này khoảng thời gian trung bình giữa các xung là hẹp hơn độ rộng của các xung hoặc mạch xử lý tín hiệu không đủ nhanh thì các xung sẽ chồng chập lên nhau và dòng điện tử cuối cùng chúng ta thu được trên anode sẽ là liên tục và khác không, khi đó PMT hoạt động ở chế độ tương tự (analog mode). Tín hiệu thu được ở lối ra là sự chồng chập cả những xung tín hiệu và xung nhiễu.
Mức tín hiệu mạnh
Photon tới Quang điện tử sơ cấp
Tín hiệu dạng xung Tín hiệu dạng tương tự Hình 2.19: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín hiệu mạnh (chế độ đo tương tự) [79].
89 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trên Hình 2.20 là cường độ tín hiệu lidar thu nhận ở chế độ tương tự. Tín hiệu có dạng đường liên tục tương ứng mức cường độ dòng điện sau mạch khuếch đại của module PMT.
2.2.2. Kỹ thuật đếm photon
Nguyên lý đếm photon của
Xung tín hiệu quang và điện trong chế độ đếm photon được trình bày ở Hình 2.21, khi ánh sáng tới có cường độ thấp coi như các photon bay tới cathode
Khoảng cách đo (km)
Trục thời gian (µs)
Hình 2.20: Dạng tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đo tương tự tương ứng kênh 1064 nm và 532 nm. 1064 nm 532 nm Cƣờ n g đ ộ tín h iệu (a.u) Mức tín hiệu yếu
Photon đi tới PMT Quang điện tử sơ cấp
Xung tín hiệu ra Hình 2.21: Xung tín hiệu ra trên PMT tương ứng trong trường hợp cường độ tín hiệu quang yếu (chế độ đếm photon) [79].
90
là riêng biệt. Khi đó xung điện tương ứng là tín hiệu ra ở anode cũng sẽ rời rạc, hệ đếm hoạt động ở chế độ đếm xung riêng biệt – chế độ đếm photon. Số xung tín hiệu ra tỉ lệ trực tiếp với số lượng photon tín hiệu tới. Việc đặt mức ngưỡng thu tín hiệu điện - DL (discrimination level) cho phép loại bỏ nhiễu và sự lệch chuẩn với mức gốc 0 (offset) của cường độ tín hiệu ở chế độ đếm photon. Chế độ đếm photon có những ưu điểm vượt trội hơn chế độ tương tự bởi tỉ số tín hiệu trên nhiễu và độ ổn định cao hơn. Việc xác định các xung này thông qua một quá trình xử lý số nên chế độ đếm photon được xem như một chế độ số.
Trong Hình 2.22 là ảnh tín hiệu lidar hoạt động ở chế độ đếm photon. Trong kỹ thuật đếm photon hoạt động theo bộ phân tích đa kênh thì chúng ta có khái niệm bin time, và mức so sánh trên. Bin time được hiểu là khoảng thời gian mặc định mà các tín hiệu trở về trong khoảng đó được cộng gộp lại và cho ra một điểm cường độ tín hiệu duy nhất, với chương trình Labview xây dựng cho hệ lidar nhiều bước sóng chúng tôi đặt bin time bằng 4 ns như vậy độ phân giải về không gian của chương trình ghi nhận là 1,2 m. Với mỗi lần lấy mẫu, tín hiệu điện xuất hiện trên đầu ra của ống nhân quang điện phân bố theo thời gian sẽ được lưu lại trong bộ nhớ tạm thời. Sau đó tùy thuộc mức ngưỡng cường độ trên do người đo thiết lập, thì các xung có cường độ lớn hơn sẽ được hiểu là xung tín hiệu. Với bin time là 4 ns, khi đó trong khoảng cách một bin time các xung xuất hiện mà lớn hơn ngưỡng sẽ được cộng dồn lại và cho một giá trị cường độ tổng hợp sau đó sẽ gán cho mức cường độ tương ứng với vị trí bin time trên khoảng đo, khi đó chúng ta xác định được một điểm cường độ tín hiệu trên miền khảo sát. Khoảng đo dài ngắn và số điểm lấy nhiều hay ít hoàn toàn phục thuộc vào số điểm lấy mẫu trong mỗi lần đo. Quá trình thu nhận xung photon trở về và ghi nhận tín hiệu được lặp lại sau mỗi xung laser. Vì đó với chế độ đếm photon để