Luận án Sử dụng kỹ thuật lidar nghiên cứu đặc trưng vật lý của son khí trong tầng khí quyển

nhằm mục đích quan trắc lớp son khí bề mặt và Mây Ti tầng cao dưới 10 km. Hệ lidar nhỏ này được phát triển trên cơ sở cải tiến kỹ thuật là:  Sử dụng laser diode công suất cao phát bước sóng 905 nm an toàn với mắt người.  Đầu thu sử dụng photodiode thác lũ hoạt động ở chế độ Geiger trong điều kiện hạ nhiệt độ thấp.  Sử dụng module ADC nhanh, phần mềm kết nối máy tính viết trên ngôn ngữ Labview cho phép ghi nhận tự động thông qua cổng USB. Những tính năng nổi bật của hệ lidar nhỏ đó là: Hệ lidar nhỏ gọn, dễ điều chỉnh và di chuyển tiện lợi trong quá trình vận hành. Cho phép thay đổi hướng quan trắc một cách dễ dàng. 1. Tần số lặp lại xung cao (kHz) cho phép tăng độ phân giải theo thời gian đo thực. 2. Giảm giá thành xây dựng và vận hành thiết bị vì nhóm nghiên cứu đã làm chủ hoàn toàn kỹ thuật chế tạo phần lớn các bộ phận của hệ đo. Thời gian sống và giá thành laser diode ở bước sóng 905 nm là rất thấp. Hệ lidar này còn khá thuận tiện, hữu ích trong công tác giảng dạy và phát triển kỹ thuật sử dụng lidar phục vụ nghiên cứu các mục đích môi trường, khí quyển trường gần ở Việt Nam. 69 Trong Hình 2.2 là hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao với mục đích khảo sát các đối tượng son khí trường gần như lớp son khí tầng thấp sát bề mặt trái đất. Hệ sử dụng laser diode với nguồn nuôi tự chế tạo với mức chi phí thấp cho phép quan trắc trong thời gian dài. Đầu thu xử dụng là photodiode thác lũ - APD hoạt động trong chế độ Geiger ở điều kiện làm lạnh tới - 20oC có khả năng phân giải từng photon. Để hạ nhiệt độ của đầu thu photodiode thác lũ chúng tôi sử dụng bộ làm lạnh bằng pin nhiệt điện hai lớp với tổng công suất điện tới 70 W kết hợp với kỹ thuật hút ẩm tạo môi trường không có hơi nước trong buồng kín chứa đầu đo APD. Chế tạo và chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng công suất cao bằng hệ 2 thấu kính trụ gắn trên dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều chỉnh tới 10 µm và áp dụng thành công đầu thu photodiode thác lũ hoạt động ở điều kiện hạ nhiệt độ có độ nhạy cao là hai cải tiến có giá trị của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm (của hãng Osram) được xây dựng tại Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [14, 60, 128]. Khối phát APD Máy tính Bộ nguồn Module đếm photon Kính thiên văn d = 200mm Hình 2.2: Hình ảnh hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm bao gồm: Laser diode 905 nm, kính thiên văn, đầu thu APD, module đếm photon, máy tính lưu dữ liệu, các nguồn nuôi cao và hạ thế. 70 Các thông số đặc trưng cụ thể đối với những thành phần cấu tạo hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm chúng tôi xin trình bày theo cấu trúc khối phát và khối thu của hệ trong phần tiếp sau đây. Hệ lidar này có hai khác biệt là: sử dụng laser diode công suất cao nhỏ gọn và đầu thu APD cải tiến hoạt động ở chế độ Geiger đã được phát triển thành công ứng dụng lần đầu tiên để thu nhận tín hiệu yếu trên hệ lidar phát triển tại Việt Nam. Hệ đo có được những ưu điểm kể trên và đã được vận hành hiệu quả trong thời gian dài đo đạc trong năm 2012 tới nay ở mọi điều kiện thời tiết khác nhau. Trên thế giới đối với những hệ lidar sử dụng laser diode compact hiện có khá ít các nhóm phát triển, đặc biệt trong vùng bước sóng 905 nm an toàn cho mắt, bởi vậy hệ đo cũng được xem là mới trên thế giới trong lĩnh vực lidar sử dụng nguồn bức xạ nhỏ gọn. Tín hiệu lidar ở chế độ đếm photon từ hệ được thiết lập thời gian thực hiện một phép đo là 10 phút tương đương ~600.000 xung, tần số lặp lại của laser là ~1 kHz. Nhược điểm của hệ lidar là công suất laser thấp tuy nhiên với tần số lặp lại cao cho phép chúng ta có thể tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu lên khá đơn Hình 2.3: Hình ảnh khối phát của hệ lidar sử dụng laser diode 905 nm. Bộ nguồn và đầu laser SPL_PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram Thấu kính trụ 1 Thấu kính trụ 2 Bộ vi dịch chuyển 3chiều Trigger quang Bản tách chùm Gương hướng chùm tia 71 giản bằng cách thực hiện thời gian đo không cần quá dài. Khi năng lượng xung laser nhỏ, vùng bước sóng bức xạ của laser nằm trong miền không nhìn thấy cho phép hệ quan trắc theo tất cả các phương khác nhau mà vẫn đạt tiêu chuẩn về điều kiện an toàn đối với mắt người. Đó là một ưu điểm rất lớn của hệ lidar mini này trong ứng dụng quan trắc các đặc trưng khí quyển vùng độ thị. Trong Hình 2.3 là module bộ nguồn và đầu laser diode phát bước sóng 905 nm, hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực chùm laser diode loại mảng, hai gương giúp điều chỉnh hướng chùm tia và module trigger quang của hệ [55]. 2.1.2.1. Khối phát Laser diode 905 nm bản chất là laser diode loại mảng. Tức là mỗi module laser là tổ hợp của một dãy các laser diode ghép song song nhờ đó mà công suất laser sẽ được tăng lên tỉ lệ tuyến tính theo số lượng các đầu laser tích hợp trong mảng. Tia laser phát ra có dạng khối nêm mở rộng theo cả hai phương. Độ mở theo hai phương là khác nhau. Theo phương dọc theo trục của mảng laser tốc độ mở 90 chậm hơn theo phương vuông góc là 25o. Vì vậy mode ngang của chùm laser phát ra ở trường gần của laser mảng loại này có dạng hình chữ nhật và kích thước vết tăng đều theo khoảng cách. Hình ảnh về vết và module laser diode 905 nm của hãng Osram được thể hiện trong Hình 2.4. Các thông số đặc trưng về quang điện của module laser 905 nm được thống kê trong Bảng 2.3. Hình 2.4: Hình ảnh laser diode SPL PL90_3 phát bước sóng 905 nm của hãng Osram và dạng bề mặt bức xạ laser [14, 61]. 72 Bảng 2.3. Các tham số của chùm laser diode loại mảng SPL PL90_3 của Osram sử dụng cho hệ lidar khảo sát trường gần [14]. Các tham số Kí hiệu G.T. dƣới G.T. trung bình G.T. trên Đ/v Bước sóng λđỉnh 895 905 915 nm Tần số - 1 - KHz Độ rộng phổ (FWHW) Δλ - 7 - nm Năng lượng đỉnh phát Pop 65 75 85 W Dòng ngưỡng Ith 0,5 0,75 1,0 A Thế điều khiển Vop 8 9 11 V Thời gian tăng, giảm I (10% - 90%) tr, tf - 1 - ns Kích thước vùng phát xạ w x h - 200 x 10 - µm Góc mở chùm tia FWHM θ ss x θvg - 9x25 - deg Hệ số nhiệt của λ ∂λ/∂T - 0,28 - Nm/K Hệ số nhiệt công suất ∂Pop/Pop. ∂T - -0,4 - %/K Trở nhiệt Rth JA - 160 - K/W Để xây dựng thành công module nguồn nuôi cho laser loại này chúng tôi chế tạo mạch nuôi của laser theo thông số thiết kế mạch nguyên lý của hãng sản xuất như trong Hình 2.5. Để chuẩn trực chùm tia laser diode loại mảng, chúng tôi xây dựng hệ quang gồm 2 thấu kính trụ đặt đồng trục theo hai phương vuông góc với nhau. Mỗi thấu kính có tiêu cự và kích thước phù hợp với góc mở và kích thước chùm Hình 2.5: Sơ đồ mạch nuôi chip laser diode của hãng Osram [14]. 73 tia laser. Trong đó thấu kính f1 = 10 mm loại LJ1878 L1 và thấu kính f2 = 50 mm loại LJ1821 L1 của hãng Thorlabs. Mỗi thấu kính có tác dụng thay đổi chùm tia từ phân kì thành chùm tia song song theo hai phương ứng với các góc mở khác nhau. Thấu kính trụ nhỏ ngay trước laser có tác dụng chuẩn trực góc mở của chùm tia theo phương phân kì lớn (phương có góc mở 25o), thấu kính L2 có tác dụng loại bỏ góc mở của chùm tia theo phương phân kì nhỏ (phương có góc mở 9o). Hai thấu kính trụ được cố định bằng chi tiết cơ khí có chân đế gắn chắc trên mặt bàn quang học, có thể điều chỉnh góc nghiêng của mặt phẳng quang của thấu kính bằng vít nhựa và điều chỉnh khoảng cách giữa các thấu kính với nhau và với đầu phát laser bằng dịch chuyển 3 chiều với độ chính xác 1/100 mm. Hình ảnh của hệ quang chuẩn trực chùm laser 905 nm thể hiện trên Hình 2.3. Để lái chùm tia laser sau khi đã chuẩn trực chúng tôi sử dụng 2 gương bạc SA01 đường kính 2,5 cm (của Hãng Thorlabs), bố trí 2 gương này khá đơn giản chỉ cần đặt quay 2 mặt phản xạ vào nhau và cùng đặt lệch góc khoảng 45o so với phương ban đầu của chùm laser đi ra ở Hình 2.3. Với bố trí hệ quang chuẩn trực chùm tia laser như mô tả trong Hình 2.3. Tính chất chùm tia laser tạo ra được chúng tôi tiến hành khảo sát đặc trưng phân bố cường độ, góc mở theo dạng mode ngang. Trong Hình 2.6 cho chúng ta thấy phân bố cường độ và kích thước của vết chùm laser 905 nm có dạng hình chữ nhật khi vừa ra khỏi 2 thấu kính trụ như Hình 2.6 a. Tuy dạng vết là không thật sự hình chữ nhật và phân bố cường độ cũng không đối xứng đều trong không gian vết của chùm laser. Tuy nhiên trong quá trình chỉnh hệ quang tốt nhất chúng tôi đạt được kết quả về kích thước vết laser duy trì dạng hình chữ nhật và có độ rộng tại vị trí cách hệ 2 m là: 6 x 9 mm và vị trí cách hệ 4 m là: 10 x 15 mm. Từ kích thước vết của chùm laser tại hai vị trí sau hệ 2 thấu kính trụ chuẩn trực và tại hai vị trí khác nhau như trên chúng ta tính được góc mở chùm tia theo phương thẳng đứng là: 0,5 mrad và góc mở theo phương ngang là 1,5 mrad. Do vậy để đảm bảo hàm chồng chập cho hệ lidar thì góc mở của khối thu phải lớn 74 hơn 1,5 mrad, trong hệ đo chúng tôi thiết lập góc mở không gian của telescope là 2 mrad. c. Sơ đồ nguyên lý hệ quang chuẩn trực chùm laser diode dạng mảng Hình 2.6: Hình ảnh phân bố cường độ và kích thước chùm laser 905 nm theo phương ngang và phương thẳng đứng: a) Trường gần, b) Cách 4 m, c) Sơ đồ nguyên lý chuẩn trực chùm laser. Thấu kính bóp chùm theo phương ngang Thấu kính bóp chùm theo phương đứng Dạng vết laser có dạng hình chữ nhật Vết laser diode SPL PL90_3 dạng mảng a) Trường gần b) Cách 4m Phƣơng ngang (mm) P h ƣ ơ n g đ ứ n g ( m m ) 4 8 1 2 Phƣơng ngang (mm) P h ƣ ơ n g đ ứ n g ( m m ) 0 1 0 2 0 75 Theo sơ đồ lý thuyết mô tả ở Hình 2.6 c thì dạng vết của laser diode ở trường gần phải có hình chữ nhật và cường độ không đổi trên tiết diện chữ nhật đó. Tuy nhiên thực tế do thiết kế hệ chuẩn trực 2 thấu kính trụ và đầu phát laser mà chùm tia chưa chuẩn trực được theo kiều kiện lý tưởng. Mặc dù vậy để đat mục đích đo xa laser thì chúng ta quan tâm nhiều tới cường độ và điều kiện góc mở cực đại của chùm tia theo hướng bất kì phải nhỏ hơn góc mở trường nhìn của telescope. Đối với laser diode SPL PL90_3 chúng tôi thiết kế và chế tạo mạch nuôi theo tham số của nhà sản xuất đảm bảo laser hoạt động ở chế độ công suất đỉnh phát đạt gần giá trị cực đại ~80 W. Đảm bảo công suất chùm laser tốt nhất và hoạt động an toàn trong thời gian dài. Như trong Hình 2.7 chúng ta thấy đường đặc trưng công suất laser theo thế nuôi thể hiện laser phát ở mức 80W có thể hoạt động trong miền tuyến tính của đường đặc trưng công suất của laser. Với mục đích khảo sát chi tiết hơn nữa đặc điểm của nguồn phát laser diode công suất cao. Tôi tiến hành đo đặc đặc trưng cường độ của xung laser và tần số phát của laser. Xung laser diode có dạng Gauss với độ rộng nửa cực đại khi điều chỉnh tối ưu về mặt công suất khoảng 70 ns, như trong Hình 2.8. Độ rộng của xung laser sẽ quyết định tới đặc trưng phân giải không gian của hệ đo, trong trường hợp độ rộng xung ~70 ns thì khoảng cách đo hệ lidar này có thể phân biệt được vào cỡ 10 m. Tuy nhiên trong trường hợp đo xa với các đối Hình 2.7: Công suất phát trung bình của laser diode phụ thuộc thế nuôi. 0 5 10 15 20 25 30 0 20 40 60 80 Thế nuôi (V) C ô n g s u ấ t đ ỉn h ( W ) 76 tượng trong khoảng cách ~10 km thì độ phân giải cỡ chục m tức là đạt mức sai số ~1/1000, là hoàn toàn chấp nhận được. Hình 2.8 và 2.9 thể hiện dạng xung và số xung lặp lại của laser diode phát tại bước sóng 905 nm ghi nhận từ dao động ký điện tử nhanh sau khi điều chỉnh Hình 2.9: Tần số lặp lại xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát tối ưu. Hình 2.8: Độ rộng xung laser khi hoạt động ở chế độ công suất phát cực đại. 100 ns/div 77 tham số mạch điện tử nhằm tối ưu năng lượng xung cực đại. Từ hình 2.8 chúng ta thấy độ rộng xung ~75 ns tức độ phân giải không gian của hệ đo ~ 11 m. Mặc dù vậy vấn đề chúng ta cần quan tâm là điều chỉnh ngưỡng phát và dòng nuôi phù hợp để năng lượng mỗi xung laser là cực đại và tần số lặp lại là cao nhất có thể. Khi thiết kế nguồn nuôi cho laser chúng tôi lựa chọn linh kiện và thực tế điều chỉnh để lựa chọn trạng thái hoạt động tối ưu cho laser ở công suất đỉnh trung bình cực đại khi tần số lặp lại của laser khoảng 1,25 kHz. Tần số lặp lại của laser được thể hiện trong Hình 2.9 [126]. 2.1.2.2. Khối thu Những thành phần cơ bản cần kể tới của khối thu là ăng ten quang học, đầu đếm photon APD, chương trình ghi nhận số hoạt động trên nền phần cứng là bộ đếm photon tốc độ cao. Những thông sô kỹ thuật của khối thu được liệt kê trong Bảng 2.4. Bảng 2.4. Các tham số của cấu trúc khối thu trong hệ lidar sử dụng laser diode [13, 65]. CÁC THÔNG SỐ KHỐI THU Loại kính thiên văn Cassegrain LX200 EMC Hãng sản xuất Meade - USA Tiêu cự 2000 mm Loại: Schmidt – Cassegrain Catadioptric Độ mở f/10 Đường kính 203.2 mm ĐẶC TRƢNG ĐẦU THU QUANG ĐIỆN VÀ CHƢƠNG TRÌNH GHI NHẬN XỬ LÝ TÍN HIỆU Đầu thu APD Hamamatsu Si APD S9251 series Hoạt động chế độ Geiger đếm photon, được hạ nhiệt độ tới -20oC. Module đếm photon tốc độ cao Picosope 6000 series 2 kênh tốc độ lấy mẫu 1GS/s, nhiễu thấp, giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB. Chương trình thu nhận tín hiệu Labview Ghi nhận tín hiệu và lưu dữ dưới dạng file .txt, hoạt động ở chế độ đếm photon. Chương trình xử lý tín hiệu: Matlab PC: Chip 2,5 GHz; RAM 2GB Xử lý tín hiệu tìm một số đặc trưng của lớp bề mặt. 78 Theo thông số của nhà sản xuất tại bước sóng khảo sát 905 nm hiệu suất lượng tử của đầu thu đạt 70% với độ nhạy đạt 50 A/W, gần sát giới hạn tối ưu của nhà sản xuất đối với thiết bị. Với các thông số trên đây chúng ta có quyền tin tưởng hiệu quả ghi nhận tín hiệu yếu của đầu thu khi được làm lạnh hoạt động ở chế độ Geiger sẽ rất tốt.  Thông số kỹ thuật của photodiode thác lũ sử dụng trong hệ lidar Dưới đây là các thông số kỹ thuật đặc trưng của APD chúng tôi lựa chọn sử dụng cho hệ lidar khảo sát lớp khí quyển tầng thấp sử dụng laser công suất thấp. Các thông số được tóm tắt trong Bảng 2.5 được nhà sản xuất cung cấp. Ở đây chúng ta quan tâm tới các thông số quan trọng như: giới hạn nhiệt độ hoạt động cực tiểu: -20oC, tiết diện miền hoạt chất 1,77 mm2, thế dập tắt, dòng tối, tần số dập tắt và dung kháng đặc trưng. Các đặc trưng quang điện này liên quan trực tiếp tới thiết kế hệ thu nhận tín hiệu quang và mạch điện tử ADC cho phép hệ hoạt động tốt trong điều kiện tín hiệu đo vào thời gian ban đêm [40, 92]. Bảng 2.5. Thông số đặc trưng của APD sử dụng trong hệ lidar [13]. APD S9251 – 15 hệ số khuếch đại tại bƣớc sóng 𝝀 = 𝟗𝟎𝟎 𝒏𝒎 , ở 25o là: M = 100 lần Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số Đặc trƣng Trị số Kích thước 1,5 mm Miền phổ 440:1100 Hiệu suất lượng tử 72% Dòng tối 0,8 - 8 nA Diện tích 1,77 mm2 Cực đại 860 nm Thế dập tắt 250 – 350 (V) Tần số dập tắt 350 MHz Miền nhiệt hoạt động -20 – +85 (0 o C) Miền nhiệt bảo quản -55 ÷ +125 (0 o C) Dung kháng 3,6 pF Nhiễu nội 0,3  Photo diode thác lũ hoạt động ở chế độ đếm photon Một trong những yêu cầu bắt buộc của hệ đếm photon độ nhạy cao phân giải từng photon thì photodiode thác lũ cần được làm lạnh. Với mục tiêu làm lạnh tới nhiệt độ -20oC, chúng tôi đã thiết kế một module chứa đầu thu APD với bộ làm lạnh bằng pin nhiệt điện 2 lớp với tổng công suất tiêu thụ điện lên tới 79 70W, kết hợp với bộ tản nhiệt thứ cấp dùng quạt. Toàn hệ đầu đo và bộ làm lạnh được khép kín cách ly với môi trường ngoài. Mục đích của việc cách ly vì khi nhiệt độ hạt thấp sẽ xảy ra hiện tượng đóng tuyết trên mặt APD nếu còn hơi ẩm trong không gian chứa APD. Để giải quyết vấn đề này chúng tôi áp dụng giải pháp dùng xốp lấp đầy không gian phía trong buồng của APD kết hợp hạt silica hút ẩm làm giảm tối đa lượng hơi ẩm tồn tại trong phần khí còn lại. Khi đóng kín mudule APD chúng tôi sử dụng keo và ốc xiết chặt ngăn cản sự trao đổi khí giữa phần trong và môi trường ngoài của module đầu thu [59]. Hình 2.10: Hình ảnh của đầu thu photodiode thác lũ Si APD S9251 -15 của hãng Hamamatsu sử dụng trong hệ lidar và sơ đồ mạch đ ếm dập tắt thụ động hoạt động ở chế độ Geiger [13]. Cao thế: -138 V 220 kΩ 50 kΩ Tín hiệu đếm photon 50 138 V Hình 2.11: Module đầu thu APD được làm lạnh tới -20oC, hút ẩm, khép kín và giảm nhiễu được chế tạo phục vụ riêng mục đích đo tín hiệu yếu của hệ lidar. 4 cổng cáp 50 Ω Bộ làm lạnh cho APD Quạt tản nhiệt Mạch đếm xung của APD ở chế độ Geiger Không gian được hút ẩm 80 Hình ảnh module đầu thu photodiode thác lũ và khối làm lạnh được thể hiện trong Hình 2.11. Trên đó chúng tôi sử dụng 4 cổng kết nối cáp RG58C/U 50 Ω với mục đích giảm tối đa nhiễu điện có thể gây ra cho đầu thu. Trong đó có 4 cổng gồm: cổng tín hiệu, cổng nuôi cao thế và hai cổng nuôi thế cho pin nhiệt điện có gắn kèm mạch LC dập tắt các nhiễu điện. Trong giao diện của chương trình đếm photon viết trên ngôn ngữ labview như trong Hình 2.12. Để thiết lập các thông số đo phù hợp với khối phát là laser diode 905 nm thông thường chúng tôi lựa chọn các thông số đo cụ thể như trong Hình. Ở đó chúng ta chú ý tới các thông số như: tốc độ lấy mẫu (500 MS/s), số mẫu lấy (42.000 Samples) sẽ quyết định tới khoảng cách đo, ngưỡng thế (5mV) lựa chọn phù hợp để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên, số waveform (20.000) tương đương với thời gian đo ~20 s, mức trigger (100 mV), thang đo (100 mV), số file dự định đo tương ứng thời gian đo, đường dẫn cho phép lưu file dữ liệu. Và sau đó chúng ta cho chương trình chạy ở chế độ live và chuyển sang cửa sổ counting để quan sát dữ liệu đo ghi nhận theo thời gian thực. Hình 2.12: Giao diện của chương trình đếm photon viết bằng ngôn ngữ Labview thực hiện đo tín hiệu trên hệ lidar đo ở bước sóng 905 nm. 81 2.1.3. Đầu thu quang điện cho hệ lidar 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). Hình 2.13: Cấu trúc và nguyên lý khuếch đại của ống nhân quang điện [79]. 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) c) 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 25oC. 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) c) 85 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 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