Селективный измеритель токов фотоэлектронного умножителя для спектроскопии магнитного кругового дихроизма в отраженном свете

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

В спектроскопии магнитного кругового дихроизма в отраженном свете (reflectance magnetic circular dichroism – RMCD) широко используется метод фазовой модуляции линейно поляризованной световой волны, осуществляемый с помощью фотоупругого модулятора (photoelastic modulator – PEM) [1–3]. Эта методика предполагает измерение двух электрических сигналов фотоприемника – постоянного (или низкочастотного) сигнала и гармонического сигнала на высокой частоте фазовой модуляции (f_PEM ~ 10–100 кГц). Для регистрации слабого модулированного светового потока используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) [3, 4], который является датчиком с токовым выходом. В RMCD-спектроскопии амплитуды постоянного и переменного сигналов сильно различаются по величине: отношение амплитуд гармонической и постоянной составляющих обычно имеет порядок 10^–5–10^–3. Это обстоятельство, наряду с высокой частотой фазовой модуляции, определяет полосу пропускания и динамический диапазон предварительного усилителя фототока ФЭУ, используемого в RMCD-спектрометре.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ФЭУ

Измерение анодного тока ФЭУ с выхода разъема, содержащего высоковольтный делитель напряжения, проводится двумя методами: либо регистрацией напряжения на нагрузочном сопротивлении R_L, либо с использованием преобразователя ток–напряжение [5, 6]. В RMCD-спектроскопии предпочтительно измерение анодного фототока с использованием нагрузки R_L, поскольку схема преобразователя ток–напряжение нестабильна из-за шунтирующей емкости коаксиального кабеля C_coax [5, 6]. Амплитуду нестабильных высокочастотных колебаний можно существенно уменьшить, устанавливая на выходе преобразователя НЧ-фильтр с частотой среза порядка 100–500 кГц, однако полностью их устранить не удается. Это приводит к дополнительному источнику шума и повышению порога чувствительности измерительной системы. Негативное влияние C_coax обычно устраняется встраиванием преобразователя (или нагрузки) в разъем с делителем напряжения. Однако такая конструкция в технике лабораторного эксперимента не всегда оправдана [5]. Дальнейшее рассмотрение относится к схеме регистрации напряжения на нагрузочном сопротивлении R_L.

Измерение компонент полного сигнала выполняется одновременной подачей последнего на входы предусилителей высокой и низкой частот [3, 7, 8]. Недостатком такой параллельной схемы является необходимость использования отдельного предусилителя для каждого канала. Кроме того, в методе с общей нагрузкой R_L для предусилителей требуется тщательное согласование входных импедансов измерительных контуров и его периодический контроль [3]. По этим причинам желательно использовать иную схему, позволяющую выделять эти составляющие полного тока с помощью одного предусилителя.

3. СХЕМА СЕЛЕКТИВНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ

Ниже описывается схема (рис. 1) селективного измерителя постоянной и переменной компонент фототока ФЭУ, I_PH. Входной каскад измерителя выполнен на операционном усилителе (ОУ) AD8675 (М₁), включенном по неинвертирующей схеме измерения напряжения, которое индуцируется протеканием переменного анодного тока ФЭУ через нагрузку, представляющую собой параллельное соединение сопротивления R_L и емкости C_S. Суммарная емкость C_S, шунтирующая нагрузку R_L, складывается из междуэлектродных емкостей ФЭУ, сопряженного с высоковольтным делителем напряжения, емкости выходного коаксиального кабеля и входной емкости микросхемы М₁. С ростом частоты измерений наличие C_S приводит к уменьшению токового сигнала на нагрузке R_L и фазовым сдвигам [3–6]. Для оптимального подбора величины сопротивления R_L при измерениях на частоте фазовой модуляции f_PEM (и удвоенной частоте 2f_PEM) необходимо знать значение шунтирующей емкости. С этой целью были выполнены предварительные измерения.

 

Рис. 1. Принципиальная схема селективного измерителя постоянной и переменной компонент тока ФЭУ при регистрации спектров RMCD: M₁ – AD8675, M₂, M₄ – AD8672, M₃ – OP97; напряжение питания микросхем ±10 В; A – анод ФЭУ; I_PH – анодный фототок с указанием направления протекания; C_S – суммарная шунтирующая емкость; К₁, К₂ – малогабаритные механические переключатели DIP; Вход, Выход 1 и Выход 2 – BNC-ВЧ-разъемы (гнезда); а – схема измерения емкости C_S и линейная регрессия зависимости напряжения V на выходе M₁ от частоты f модулятора SR540 в координатах (V ⁻², f ²); R^* = 1 МОм, C^* = C_S + 220 пФ, штриховая линия – результат регрессии массива данных V(f_i), i = 1, …, N, N = 42, представленных светлыми кружками; б – схема измерения компонент V₌(λ) (сплошная кривая) и V_{2 f} (λ) (точки) полного сигнала с выхода M₁, обусловленного протеканием фототока через нагрузку R^* = 20 кОм. Зависимости V₌(λ) и V_{2 f} (λ) нормированы на максимумы  и  соответственно. Штриховая кривая – зависимость отклонения ∆_dev(λ). Ток накала i_gl = 9 А, напряжение V_PMT ≈ −860 В, ширина входной/выходной щелей монохроматора d_sl = 0.2 мм, частота модуляции f = 228 Гц, амплитуда фазовой задержки δ₀ = 0.383λ. Штрихпунктирная кривая – зависимость ∆_dev(λ), полученная из измеренных спектров V₌(λ) и V_{2 f}(λ) при тех же значениях i_gl, V_PMT, d_sl, f и δ₀ с использованием нагрузки R^* = 10 кОм.

 

Монохроматическое излучение (с длиной волны λ = 530 нм) из выходной щели (шириной d_sl = 0.1 мм) монохроматора SPM-2, для которого первичным источником света являлась галогенная лампа накаливания мощностью 150 Вт и напряжением накала 15 В, фокусировалось на входное окно ФЭУ Hamamatsu R374, сопряженного с разъемом Hamamatsu D-Type Socket Assemblies E990–501. В этом разъеме цепь анода А изолирована и выведена вовне с помощью коаксиального кабеля RG-174/U длиной не менее 40 см, конец которого подсоединен к BNC-ВЧ-разъему (штекер) [9]. С помощью оптического прерывателя SR540 (25 Гц ≤ f ≤ 3.8 кГц, f – частота прерывания светового потока) осуществлялась амплитудная модуляция интенсивности света. Выход анодной цепи подсоединялся к нагрузке в виде R^*C^*-делителя для переменного фототока (R^{* =} = 1 МОм, C^* = C_S + C, С = 220 пФ ¹). Падение напряжения на нагрузке подавалось на вход операционного усилителя (ОУ) М₁, включенного по схеме неинвертирующего повторителя (рис. 1а). Переменное выходное напряжение

$V\left(f\right)=\frac{V_0}{\sqrt{1+{\left(2\pi f\text{}{R}^{*}{C}^{*}\right)}^2}}$ (1)

с повторителя регистрировалось цифровым синхронным усилителем SR830, для которого опорные импульсы вырабатывались контроллером оптического прерывателя SR540. Ток накала лампы i_gl = 8 А и напряжение на ФЭУ V_PMT = −690 В устанавливались, исходя из условия регистрации максимальной амплитуды (около 1 В) демодулированного напряжения V₀ на выходе SR830 при низких частотах амплитудной модуляции света. На рис. 1а представлена линеаризованная зависимость (1), по которой была найдена шунтирующая емкость C_S ≈ 71 пФ.

Диапазон выходных фототоков I_PH ФЭУ Hamamatsu R374 ограничивается максимальной величиной 100 мкА. Максимальное значение измеряемых фототоков иногда уменьшают примерно до 10 мкА, исходя из условия линейного режима работы ФЭУ относительно суммарного потока Φ = Φ₁ + Φ₂ светового излучения: I_PH(Φ) ≈ I_PH(Φ₁) + I_PH(Φ₂) [6, 8]. Измерения в режиме стабилизации постоянной составляющей полного сигнала проводятся при еще меньших значениях I_PH ≈ 2 мкА [10]. При фазовой модуляции полоса пропускания для схемы измерения переменного фототока колеблется в широких пределах: f_С = 100 кГц – 5 МГц [3, 4, 10]. Однако фотоупругий модулятор является узкополосным устройством, работающим на фиксированной частоте f_PEM [11], и демодуляция переменных сигналов осуществляется методом синхронного детектирования с использованием усилителей с полосой пропускания 100 кГц [3]. В связи с этим делать высокочастотный тракт измерителя тока очень широкополосным не имеет смысла.

Для выбора минимального возможного значения частоты среза f_С была использована методика контроля достоверности данных RMCD-спектроскопии [3]. Контроль осуществлялся по упрощенной линейной схеме CH–P–PEM–A–PHD ² (рис. 1б). Здесь CH – оптический прерыватель SR540, модулирующий амплитуду светового потока с частотой f_CH, PEM – фотоупругий модулятор PEM-100 с оптической головкой I/FS50 (f_PEM = 50 кГц), P и A – приз-мы Глана–Тейлора, оси пропускания которых ориентированы соответственно под углами 45° и –45° относительно оптической оси PEM, PHD – ФЭУ Hamamatsu R374 с указанным выше электрическим разъемом. Схема измерения спектральных зависимостей низкочастотной

${\left.V_{=}\left(\lambda \right)\propto {\Phi }_{\lambda }\left(\lambda \right)S_{PMT}\left(\lambda \right)K\left(f\right)\right|}_{f=f_{CH}}$ (2)

и гармонической

${\left.V_{2f}\left(\lambda \right)\propto {\Phi }_{\lambda }\left(\lambda \right)S_{PMT}\left(\lambda \right)K\left(f\right)\right|}_{f=2f_{PEM}}$ (3)

(на удвоенной частоте 2f_PEM) компонент полного периодического сигнала V(λ) с выхода M₁ аналогична представленной в работе [3]. Здесь Φ_λ(λ) – эффективная спектральная плотность светового потока, в которой присутствуют не зависящие от времени t параметры оптической системы, S_PMT(λ) – спектральная чувствительность ФЭУ, K(f) – АЧХ представленного на рис. 1б преобразователя тока I_PH(λ) в напряжение V(λ) на частотах f_CH и 2f_PEM. На этом же рис. 1б приведены нормированные на величины своих максимумов спектральные зависимости компонент V₌(λ) и V_{2 f} (λ) полного сигнала V(λ) с выхода M₁ при выбранной величине нагрузки R^* = 20 кОм, для которой частота среза входного делителя фототока f_C ≈ 112 кГц. Видно, что нормированные амплитуды V₌(λ) (сплошная кривая) и V_{2 f} (λ) (точки) совпадают, а эффективное относительное отклонение ∆_dev (штриховая кривая) отношения этих нормированных сигналов от единицы по абсолютной величине меньше 2% почти во всем диапазоне длин волн λ. Небольшое увеличение отклонения |∆_dev| вблизи коротковолнового края спектра (λ < 420 нм) может быть связано как с фоновым излучением [3], так и с “узостью” полосы пропускания входного токового делителя (f_C ≈ f_PEM). Были также выполнены контрольные измерения для нагрузочного сопротивления R^* = 10 кОм (f_C 224 кГц). В этом случае наблюдается больший коротковолновый рост отклонения |∆_dev| (штрихпунктирная кривая), обусловленный повышением порога чувствительности измерительной схемы. Можно заключить, что K(f_CH) ≈ K(2f_PEM) во всем диапазоне длин волн. В итоге для выбранного номинала нагрузки R_L = 20 кОм получаем коэффициент преобразования входного буферного каскада измерителя по постоянному току порядка 10⁶ В/А, что позволяет регистрировать максимальный фототок порядка 10 мкА, находясь в диапазоне линейного режима работы ФЭУ.

Согласно схеме на рис. 1, сигнал V(t) с выхода ОУ M₁, состоящий из постоянной V₌ и переменной V_~(t) компонент ³, поступает на вход вычитателя M_2.1. Отрицательная обратная связь через инвертирующий интегратор M_2.2 компенсирует составляющую V₌ в полном сигнале. При выборе соответствующего значения постоянной интегрирования τ₀ = R₀C₀ на выходе M_2.1 будет присутствовать только переменная составляющая V₁(t) = −V_~(t), на выходе M_2.2 составляющая V₂(t) = −V_{= /2}, а на выходе M₃ – постоянное напряжение V₌. Действительно, в общем случае для фурье-образов F_ω{…} сигналов V(t), V₁(t) и V₂(t) справедливы соотношения

$\begin{array}{c}{F}_{\omega }\left\{V_1\left(t\right)\right\}=-\frac{i\text{\hspace{0.05em}}\omega \text{}{\tau }_0}{2+i\text{\hspace{0.05em}}\omega \text{}{\tau }_0}{F}_{\omega }\left\{V\left(t\right)\right\}\\ \left(\omega =2\pi f,i=\sqrt{-1}\right),\end{array}$ (4)

$F_{\omega }\left\{V_2\left(t\right)\right\}=\frac{F_{\omega }\left\{V\left(t\right)\right\}}{2+i\text{\hspace{0.05em}}\omega \text{}{\tau }_0}.$ (5)

Из этих соотношений следует, что для ВЧ-сигналов (ωτ₀ >> 1) V₁(t) ≈ −V(t), V₂(t) ≈ 0, а для НЧ-сигналов (ωτ₀ << 1) V₁(t) ≈ 0, V₂(t) ≈V_(t)/2. При фазовой модуляции первая гармоника ВЧ-сигнала V_~(t) изменяется с фиксированной частотой f_PEM. Следовательно, для оценки τ₀ необходимо знать характерный темп изменения V₌(t). При фиксированном значении λ этот сигнал постоянен, однако при развертке по длине волны он меняется во времени. Для минимизации переходных процессов необходимо отслеживать эти изменения на выходе ОУ M_2.2. Характерная длина интервала ∆t, на котором V₌(t) существенно меняется, примерно равна половине времени регистрации спектра, приведенного на рис. 1б. Тогда характерная скорость изменения амплитуды V₌ на этом интервале f₌ = V₌⁻¹(t) ∙ dV₌(t)/dt ~ 1/∆t [12]. Время записи спектра примерно 40 мин, а его полуширина укладывается в интервал ∆t ≈ 23 мин. В результате получаем f_{= ~} 7∙10^–4 с⁻¹ и ${\tau }_0~{\left(\pi \sqrt{f_{=}\cdot f_{PEM}}\right)}^{-1}$ ~5∙10^–2 c. Указанные на схеме (рис. 1) номиналы R₀ и C₀ соответствуют полученной оценке τ₀. Низкочастотный активный RC-фильтр на основе ОУ M₃ определяет постоянную времени выходного каскада для составляющей V₌, примерно равную 1 с. Такая же постоянная времени обычно устанавливается для синхронного усилителя SR830, используемого для измерений соответствующих гармоник переменного сигнала V_~.

Для переменного сигнала V_~ входным каскадом является активный полосовой RC-фильтр на основе ОУ M₄ с перестраиваемым коэффициентом усиления G по переменному току. Расчет АЧХ-фильтра показал, что его центральная частота f₀ близка к f_PEM (f₀ ≈ 49.8 кГц), его коэффициент ослабления на центральной частоте составляет около −0.385 дБ, полоса пропускания равна примерно 9.8–254.4 кГц. Фильтр устраняет низкочастотные шумы, связанные с дрейфом нуля ОУ, релаксацией темнового тока ФЭУ и фоновым излучением (рассеянным в монохроматоре и в затененном помещении). Фильтр также устраняет высокочастотные сетевые наводки, понижая таким образом порог чувствительности измерительной схемы по переменному сигналу.

4. ВЫЯВЛЕНИЕ ПАРАЗИТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ В ПОЛЕЗНОМ СИГНАЛЕ

Постоянная компонента V₌, наряду с полезным сигналом, пропорциональным интенсивности падающего на ФЭУ монохроматического излучения, также содержит паразитные составляющие V_S, связанные с уже упомянутыми темновым током ФЭУ со смещением нуля ОУ и c фоновым излучением. Величина темнового тока ФЭУ Hamamatsu R374 лежит в диапазоне 315 нА (что эквивалентно смещению V_S = = 3–15 мВ на выходе M₃), она зависит от приложенного рабочего напряжения. Используемые в измерителе ОУ M₁–M₃ обладают малым напряжением смещения нуля (менее 100 мкВ). Вклад фонового излучения обычно снижается тщательным затемнением оптической части RMCD-спектрометра и установкой непосредственно перед входным окном ФЭУ узкополосного светофильтра с высоким пропусканием в области низкой интенсивности монохроматического излучения. Суммарное смещение V_S зависит от ширины щели d_sl, тока i_gl и напряжения V_PMT, причем эти параметры при измерениях RMCD-спектров могут меняться в широких пределах [3]. Следовательно, требуется аттестация RMCD-спектрометра на величину и стабильность паразитного смещения с целью его минимизации и внесения соответствующей поправки в измеренные значения V₌.

Измерения паразитной составляющей V_S в зависимости от ширины щели d_sl, тока i_gl и напряжения V_PMT осуществлялись следующим образом. Из оптического тракта удалялся прерыватель CH, цепь анода ФЭУ подсоединялась к разъему Вход измерителя (рис. 1). Постоянная компонента V₌ с разъема Выход 1 подавалась на вход цифрового мультиметра Keithley 2000. Дисперсионная призма монохроматора устанавливалась в положение, соответствующее выходящему излучению с длиной волны λ₀ = 250 нм. В этом случае фокусирующие линзы из оптического стекла выполняли роль широкополосного фильтра, вырезающего из спектра излучения лампы накаливания область λ < 360 нм. Измерения зависимостей V₌(V_PMT) при различных значениях тока лампы i_gl и постоянной ширине щели d_sl, а также зависимостей V₌(d_sl) при постоянных i_gl и V_PMT выполнялись без анализатора⁴. При этом регистрируемая величина V₌ определяет паразитную составляющую V_S, которая присутствует в процессе измерения спектральной зависимости V₌(λ) при выбранных значениях параметров d_sl, i_gl и V_PMT. На основной части рис. 2 представлены результаты соответствующих измерений. При нулевом напряжении на ФЭУ V_S ≈ 0.5 мВ, т. е. суммарное смещение нуля измерителя мало. При закрытом окне ФЭУ с увеличением V_PMT смещение растет, оно достигает максимального значения примерно –6.5 мВ при V_PMT = −1.5 кВ (т. е. предельный темновой ток ФЭУ около 6.5 нА). Приведенные кривые показывают, что преобладающим источником в суммарном смещении V_S является фоновое излучение. На рис. 2а представлена зависимость смещения V_S от ширины щели d_sl. При малых d_sl величина V_S практически постоянна, а при d_sl > 0.4 мм зависимость V_S(d_sl) суперлинейна. Следовательно, при широких щелях (d_sl ~ 1 мм) вклад выходящего из монохроматора рассеянного света в величину V_S сравним с вкладом внешней подсветки. При d_sl ≤ 0.5 мм влияние рассеянного в монохроматоре света на величину V_S незначительно (не превышает 10%), см. рис. 2б. Действительно, установка узкополосного отсекающего светофильтра СС-8 (∆λ = 350–500 нм) непосредственно после выходной щели монохроматора не влияет на величину паразитного смещения: при одинаковых токах i_gl и различных ширинах d_sl зависимости V_S(V_PMT) на рис. 2 (d_sl = 0.1 мм) и на рис. 2б (d_sl = 0.5 мм, штриховые линии с темными точками) практически идентичны. Однако размещение этого светофильтра перед входным окном ФЭУ сужает область значений V_S(V_PMT) вплоть до величин при полностью закрытом окне. Таким образом, когда V_S ~ V₌, метод измерения компоненты V₌ на постоянном токе требует внесения соответствующей поправки. В работе [10] коррекция осуществлялась с помощью предварительной регистрации V_S с последующим ее вычитанием из измеренных величин V₌. Однако такой подход будет корректным, если в процессе регистрации RMCD-спектров паразитное смещение не меняется. На рис. 2в представлены временной дрейф смещения V_S и его шумовая дорожка. Видно, что во временном интервале, сравнимом со временем проведения измерений, изменение V_S относительно его среднего уровня (штриховая линия) мало. Следовательно, такой подход обоснован.

 

Рис. 2. Паразитное смещение V_s(V_PMT) при отсутствии (сплошная кривая) и наличии засветки входного окна ФЭУ (d_sl = 0.1 мм) и различных значениях тока i_gl: 7 А (штриховая кривая со светлыми точками); 8 А (штриховая кривая с темными точками); 9 А (штриховая кривая с треугольными символами); а – зависимость смещения V_S от ширины d_sl при i_gl = 8 А и V_PMT = −714 В (точки); штриховая кривая – результат полиномиальной регрессии массива данных, представленных точками; б – влияние места расположения светофильтра СС-8 на величину V_S: непосредственно за выходной щелью монохроматора (штриховая кривая с темными точками); непосредственно перед входным окном ФЭУ (сплошная кривая); i_gl = 8 А, V_PMT = −714 В, d_sl = 0.5 мм; в – временной дрейф и шумовая дорожка паразитного смещения при i_gl = 8 А, V_PMT = −714 В, d_sl = 0.5 мм. Уровень, отмеченный штриховой линией, соответствует среднему арифметическому значению ${\overline{\mathbf{V}}}_{\mathbf{S}}\mathbf{=}\mathbf{-}\mathbf{8}\mathbf{.}\mathbf{42}\mathbf{\text{\hspace{0.33em}мВ}}$ = −8.42 мВ (среднее арифметическое отклонение от этого уровня δV_s = 0.02 мВ).

 

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЯ

Тестирование токового измерителя с целью выявления возможности его использования в составе RMCD-спектрометра осуществлялось по методике контроля достоверности данных RMCD-спектроскопии [3]. Для этого оптическая часть RMCD-спектрометра была тщательно затемнена. В нее был возвращен анализатор, а разъем Выход 2 измерителя (рис. 1) был присоединен ко входу усилителя SR830, для которого опорные импульсы с частотой следования 100 кГц вырабатывались контроллером PEM100. Перед измерением зависимостей V₌(λ) и V_2f (λ) при выбранных значениях параметров d_sl =0.15 мм, i_gl = 7 А, V_PMT = −716 В и амплитуде фазовой задержки δ₀ = 0.383 определялась суммарная паразитная составляющая V_S путем многократного измерения сигнала V₌ для λ = 250 нм. Усреднение по множеству измеренных значений V₌ дало величину около –1.8 мВ, которая определяет паразитную составляющую V_S.

Затем в области длин волн 400–800 нм измерялись спектральные зависимости сигналов V₌(λ) и V_2f (λ).⁵ По окончании измерений из массива данных V₌(λ_i) формировался скорректированный массив V_с(λ_i) = V₌(λ_i) − V_S. Результаты измерений приведены на рис. 3. Видно, что нормированные на величины своих максимумов амплитуды V_с(λ) (сплошная кривая) и V_2f (λ) (точки) совпадают, а абсолютная величина эффективного относительного отклонения ∆_dev отношения нормированных сигналов от единицы (штриховая кривая с крестиками) не превышает 1% во всем диапазоне длин волн за исключением отмеченных кружками трех крайних символов с λ ≤ 410 нм. Здесь же представлены исходная спектральная зависимость V₌(λ) (штриховая кривая) и соответствующее ей отклонение ∆_dev (штриховая кривая с треугольниками). Для крайней левой точки спектральной кривой V₌(λ) (λ = 400 нм), отвечающей минимальному значению полезного сигнала, отношение V₌ /V_S ≈ 2. Видно, что с ростом величины этого отношения абсолютное значение относительного отклонения резко уменьшается. Данное обстоятельство определяет критерий выбора диапазона сканирования по длинам волн. При заданных значениях параметров d_sl, i_gl, V_PMT и δ₀ в рабочем интервале длин волн постоянная компонента V₌ должна превышать паразитное смещение в несколько раз.

 

Рис. 3. Спектральные зависимости амплитуд сигналов V_C (λ) (сплошная кривая), V₌(λ) (штриховая кривая) и V_2f (λ) (точки), нормированные на свои максимумы  ,  и  соответственно (из-за малости паразитного смещения, V_s ≈ −1.8 мВ, кривые V₌(λ) и V_C (λ) совпали). Представлены также зависимости ${\mathit{\Delta }}_{\mathbf{d}\mathbf{e}\mathbf{v}}\left(\lambda \right)\mathbf{=}\left(V_{2f}\left(\lambda \right)/V_C\left(\lambda \right)\right)\left(V_C^{max}/V_{2f}^{max}\right)\mathbf{-}\mathbf{1}$ (штриховая кривая с крестиками) и (штриховая кривая с треугольниками). Ток накала i_gl = 7 А, напряжение V_PMT = −716 В, ширина d_sl = 0.15 мм, δ₀ = 0.383. На вставке показан начальный участок спектров V_C (λ), V₌(λ) и V_{2 f} (λ).

 

В табл. 1 приведены коэффициенты преобразования по переменному току |Z(f)| для частот f_PEM и 2f_PEM при различных состояниях переключателей K₁ и K₂: разомкнутое (OFF) / замкнутое (ON).

 

Таблица1. Коэффициенты преобразования по переменному току |Z(f)|

Частота, кГц	|Z| в зависимости от состояния переключателей K1/K2, В/А (приблизительные значения)
	OFF/OFF	OFF/ON	ON/OFF	ON/ON
50	1.3 ∙ 106	6.7 ∙ 106	2.6 ∙ 107	1.4 ∙ 108
100	1.3 ∙ 106	6.6 ∙ 106	2.6 ∙ 107	1.3 ∙ 108

 

Коэффициенты определялись следующим образом. С выхода “SINE OUT” внутреннего генератора усилителя SR830 синусоидальный сигнал требуемой частоты с амплитудой V₀ (действующее значение) подавался на вход измерителя через делитель напряжения. Верхним плечом делителя являлось балластное сопротивление R_B = 10 МОм, а нижним плечом – эквивалентная шунтирующая емкость С = 62 пФ. Разъем Выход 2 измерителя (рис. 1) был присоединен к входу усилителя SR830, опорные импульсы для которого вырабатывались внутренним генератором. Для заданной частоты f и фиксированного состояния K₁ и K₂ с учетом входной емкости C_IN ОУ M₁ (C_S ≈C + C_IN) коэффициент преобразования рассчитывался по формуле

$\begin{array}{l}\left|Z_{~}\left(f\right)\right|=\left(R_B+R_L\right)\frac{V_e}{V_0}\sqrt{\frac{1+{\left(2\pi f\text{}{R}_B\left|\right|R_L{C}_S\right)}^2}{1+{\left(2\pi f\text{}{R}_L{C}_S\right)}^2}}\approx \\ \approx R_B\frac{V_e}{V_0},R_B\left|\right|R_L=\frac{R_B{R}_L}{R_B+R_L},\end{array}$ (6)

где V_e – амплитуда (действующее значение) выходного сигнала SR830. При подаче на вход измерителя через этот же делитель постоянного напряжения V_c и измерении на разъеме Выход 1 мультиметром Keithley 2000 отклика V_r был вычислен коэффициент преобразования по постоянному току R_≈R_BV_r /V_c ≈ 1.1 ∙ 10⁶ В/А.

6. RMCD-СПЕКТРОСКОПИЯ ПЛЕНКИ GaMnAs

С использованием селективного измерителя в составе RMCD-спектрометра [3] были выполнены тестовые измерения спектра магнитного кругового дихроизма пленки GaMnAs толщиной 130 нм, выращенной на подложке GaAs(100). Относительно слабый при комнатной температуре магнитооптический отклик этого образца обусловлен присутствием в полупроводниковой матрице ферромагнитных нанокластеров MnAs (температура Кюри около 320 K) [14]. Измерения проводились в автоматическом режиме в диапазоне длин волн 400–800 нм при комнатной температуре. Исследуемый образец размещался в центре грани SmCo-магнита, представляющего собой куб с длиной ребра 35 мм, для которой вектор магнитной индукции B₀ направлен нормально (|B₀| ≈ 5.67 кГс) [3]. Из оптической части спектрометра был удален анализатор. Процедура регистрации паразитной составляющей V_S и спектральных зависимостей постоянных сигналов V₌(λ) и V_C(λ) аналогична описанной выше, а гармоническая компонента V_f(λ) (на частоте фазовой модуляции f_PEM) находилась из экспериментальных данных по следующему алгоритму. В заданном диапазоне сканирования по длинам волн с помощью двухфазного синхронного усилителя SR830 измерялись амплитуда $V_R\left(\lambda \right)=\sqrt{V_X^2\left(\lambda \right)+V_Y^2\left(\lambda \right)}$ полного сигнала и фазовый сдвиг ∆θ(λ), причем перед измерениями осуществлялась автоматическая установка фазы. Здесь V_X и V_Y – синфазная и квадратурная составляющие вектора исследуемого сигнала по отношению к опорному соответственно [15].

На частотах f_PEM и 2f_PEM инерционность ФЭУ пренебрежимо мала во всем диапазоне длин волн. В этом случае спектральная зависимость ∆θ(λ) примерно постоянна, если во всем исследуемом диапазоне длин волн полярность эффекта RMCD не меняется. Значительное изменение зависимости ∆θ(λ) будет наблюдаться вблизи длин волн, где происходит смена полярности эффекта. Тогда гармоническую компоненту V_f(λ) можно определить из экспериментальных зависимостей V_R(λ) и ∆θ(λ) по формуле

$V_f\left(\lambda \right)=V_R\left(\lambda \right)\cos \left[\Delta \theta \left(\lambda \right)-\Delta {\theta }_0\right],$ (7)

где ∆θ₀ ≈ 62° – постоянный сдвиг фаз, вносимый электронной схемой селективного измерителя [15]. Предварительный эксперимент показал, что в области длин волн, где полярность RMCD положительна, ∆θ(λ) ≈ ∆θ₀ и V_f(λ) = V_R(λ).

На рис. 4 представлена зависимость величины сигнала RMCD V_f(λ)/V_C(λ) от длины волны света для тестового образца GaMnAs. Наблюдается качественное согласие RMCD-спектра с опубликованным спектром экваториального эффекта Керра (TKE, transverse Kerr effect) пленки GaMnAs [14] в совпадающих спектральных диапазонах. Сигналы в RMCD- и TKE-спектрах близки по величине, в каждом из спектров наблюдается смена полярности эффекта, а спектральные особенности локализованы при близких длинах волн. Эти данные свидетельствуют о корректности применения алгоритма для нахождения компоненты V_f(λ) из экспериментальных спектральных зависимостей V_R(λ) и ∆θ(λ).

 

Рис. 4. Спектр RMCD(λ) пленки GaMnAs. Точки – зависимость отношения V_f /V_C от длины волны, сплошная кривая – результат полиномиальной регрессии массива данных, представленных точками. Штриховая линия разделяет области различной полярности RMCD. Больший разброс значений сигнала RMCD в коротковолновой области спектра обусловлен низкой интенсивностью монохроматического света. Ток накала i_gl = 8.4 А, напряжение V_PMT = −688 В, ширина d_sl = 0.2 мм, δ₀ = 0.293. Коэффициент преобразования по переменному току |Z_~ (f)| 1.3∙10⁶.

 

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты тестовых испытаний представленного селективного измерителя токов ФЭУ и приведенный пример его использования в RMCD-спектроскопии демонстрируют высокую эффективность измерительной схемы. Величина ∆_dev ~ 1% для скорректированной компоненты V₌ свидетельствует о том, что спектральная зависимость отношения V_f(λ)/ V_C(λ) определяет спектр RMCD [3]. На базе измерителя несложно также реализовать весьма популярный режим V₌ = const [10], который осуществляется соответствующей подстройкой напряжения V_PMT. При этом в условиях, отвечающих соотношению |V₌| >> |V_S|, паразитную составляющую можно не учитывать, однако V₌ ~ V_S в области спектра, отвечающей малой интенсивности падающего монохроматического излучения. В этом случае режим V₌ = const малоэффективен, поскольку изменение напряжения V_PMT изменяет смещение V_S (см. рис. 2). Для коррекции малого сигнала V₌ необходимо фиксировать эти изменения, что сильно усложняет эксперимент.

Отметим, что если фаза гармонической компоненты V_f(λ) нестабильна, то автоматическая установка фазы усилителя SR830 прерывается. Такая ситуация может наблюдаться при измерении токов ФЭУ с помощью преобразователя ток–напряжение [3] из-за нестабильности этой схемы измерений (см. выше). Предлагаемый селективный измеритель лишен этого недостатка, что подтверждается малыми значениями ∆_dev (по сравнению с данными в работе [3]) и регистрацией контрольного спектра RMCD(λ) пленки GaMnAs с малой величиной сигнала и сменой полярности RMCD.

Разработанная схема селективного измерителя компонент полного тока ФЭУ по своим параметрам не уступает известным промышленным реализациям компании Hamamatsu [9]. Описанный измеритель может использоваться в различных методиках поляризационной спектроскопии, использующих метод фазовой модуляции поляризованной световой волны с помощью фотоупругого модулятора [13]. Тестовые измерения показали, что основным источником в суммарном паразитном смещении V_S является “световое загрязнение”, которое следует минимизировать тщательным затемнением оптической части RMCD-спектрометра. В коротковолновой области спектра при малых интенсивностях полезного светового сигнала вклад излучения, рассеянного в монохроматоре, можно существенно уменьшить установкой отсекающего светофильтра непосредственно перед входным окном ФЭУ.

В данной работе тестовые измерения и запись контрольного RMCD-спектра выполнены в спектральном диапазоне 400–800 нм, ограниченном использованной стеклянной оптикой и областью чувствительности ФЭУ. Расширить спектральный диапазон в коротковолновую область позволяет использование соответствующей оптики (например, из кварцевого стекла), а в качестве источника излучения – ксеноновой или дейтериевой лампы [10]. Расширение рабочего диапазона в длинноволновую область требует высокочастотных ИК-приемников излучения.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН.

¹ Для этих значений R^* и C^* с учетом оценочной величины C_S ≈ 50 пФ частота среза делителя фототока f_C ≈ 590 Гц.

² Присутствующие в схеме фокусирующие линзы из оптического стекла (см. [3]) не показаны.

³ При фазовой модуляции составляющие V₌ и V ~ (t) – компоненты разложения в ряд Фурье периодического сигнала V(t) [1, 2].

⁴ Такая схема используется в спектроскопии RMCD [2, 3].

⁵ Измерение гармонической компоненты V_2f проводилось при разомкнутых переключателях К₁ и К₂, рис. 1.

Об авторах

Ю. В. Маркин

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, Фрязинский филиал

Email: markin@fireras.su
Россия, Фрязино, Московская обл.

З. Э. Кунькова

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, Фрязинский филиал

Автор, ответственный за переписку.
Email: markin@fireras.su
Россия, Фрязино, Московская обл.

Список литературы

Дополнительные файлы