實(shí)驗(yàn)四單光子計(jì)數(shù)剖析

1、實(shí)驗(yàn)四單光子計(jì)數(shù)光子計(jì)數(shù)也就是光電子計(jì)數(shù)，是微弱光(低于1014W )信號(hào)探測中的一種新技術(shù)。它可以探測微弱到以單光子到達(dá)時(shí)的能量。目前已被廣泛應(yīng)用于喇曼散射探測、醫(yī)學(xué)、 生物學(xué)、物理學(xué)等許多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象的研究。微弱光檢測的方法有：鎖頻放大技術(shù)、鎖相放大技術(shù)和單光子計(jì)數(shù)方法。最早發(fā)展的鎖頻原理是使放大器中心頻率fo與待測信號(hào)頻率相同， 從而對(duì)噪聲進(jìn)行抑制。但這種方法存在中心頻率不穩(wěn)、帶寬不能太窄、對(duì)待測信號(hào)缺之跟蹤能力等缺點(diǎn)。后來發(fā)展了 鎖相放大技術(shù)，它利用待測信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)檢測原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的窄帶化處 理，能有效的抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測和跟蹤。但是，當(dāng)噪聲與信號(hào)有同樣頻譜時(shí)

2、就無能為力，另外它還受模擬積分電路漂移的影響，因此在弱光測量中受到一定的限制。單光子計(jì)數(shù)方法是利用弱光照射下光電倍增管輸出電流信號(hào)自然離散化的特征，采用了脈沖高度甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)。與模擬檢測技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1 測量結(jié)果受光電倍增管的漂移、系統(tǒng)增益的變化及其它不穩(wěn)定因素影響較小。2 .基本上消除了光電倍增管高壓直流漏電流和各倍增級(jí)的熱發(fā)射噪聲的影響，提高了 測量結(jié)果的信噪比?？赏_(dá)到由光發(fā)射的統(tǒng)計(jì)漲落性質(zhì)所限制的信噪比值。3 .有比較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍。4 .光子計(jì)數(shù)輸出是數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。因此采用光子計(jì)數(shù)技術(shù)，可以把淹沒在背景噪聲中的微弱光信息提取出來。目前一般

3、光子計(jì)數(shù)器的探測靈敏度優(yōu)于io17w，這是其它探測方法所不能比擬的?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.介紹這種微弱光的檢測技術(shù)；了解GSZFS-2B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成原理。2 .了解光子計(jì)數(shù)的基本原理、基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)和弱光檢測中的一些主要問題。3 .了解微弱光的概率分布規(guī)律?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.光子光是由光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零、有一定能量的粒子，與一定的頻率'相對(duì)應(yīng)。一個(gè)光子的能量E0可由下式?jīng)Q定：E0 二 h = he/，(1)8 34式中e=3 x 10m/s，是真空中的光速； h = 6.6 x 10 J s，是普朗克常數(shù)。例如 ， 實(shí)驗(yàn)中所用的光源波長為 = 5000?的近單色光，則 E0

4、=3.96 x 1019 J。光流強(qiáng)度常 用光功率P表示，單位為 W。單色光的光功率可用下式表示：P=REp(2)式中R為光子流量（單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的光子數(shù)目），所以，只要能測得光子的流量R，就能得到光流強(qiáng)度。如果每秒接收到R = 104個(gè)光子數(shù)，對(duì)應(yīng)的光功率為4-1915P=R Ep = 10 x 3.96 x 10= 3.96 x 10 W。2 測量弱光時(shí)光電倍增管輸出信號(hào)的特征在可見光的探測中，通常利用光子的量子特性，選用光電倍增管作探測器件。光電 倍增管從紫外到近紅外都有很高的靈敏度和增益。當(dāng)用于非弱光測量時(shí)，通常是測量陽極對(duì)地的陽極電流（圖1 （a），或測量陽極電阻 &

5、上的電壓（圖1 （b），測得的信號(hào) 電壓（或電流）為連續(xù)信號(hào)；然而在弱光條件下，陽極回路上形成的是一個(gè)個(gè)離散的尖 脈沖。為此，我們必須研究在弱光條件下光電倍增管的輸出信號(hào)特征。D1-CZI-D1im-lD2-a-D3Dnt_上）R1高壓（即量子效率）使光陰圖1光電倍增管負(fù)高壓供電及陽極電路圖弱光信號(hào)照射到光陰極上時(shí)，每個(gè)入射的光子以一定的概率 極發(fā)射一個(gè)光電子。這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增，在陽極回路中形成一個(gè)電流脈沖,即在負(fù)載電阻Rl上建立一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)脈沖稱為“單光電子脈沖”見圖2。脈沖的寬度tw取決于光電倍增管的時(shí)間特性和陽極回路的時(shí)間常數(shù)rl c0，其中C0為陽極回路的分布電容和放大

6、器的輸入電容之和。性能良好的光電倍增管有較小的渡越時(shí)間分 散，即從光陰極發(fā)射的電子經(jīng)倍增極倍增后的電子到達(dá)陽極的時(shí)間差較小。若設(shè)法使時(shí) 間常數(shù)較小則單光電子脈沖寬度 tw減小到10 30 ns。如果入射光很弱，入射的光子流 是一個(gè)一個(gè)離散地入射到光陰極上，則在陽極回路上得到一系列分立的脈沖信號(hào)。(a)(b)4曲"h【M j 丄訕右川 lki m III i Ji hllilikbl|h Mllh（c）Q）圖3不同光強(qiáng)下光電倍增管輸岀信號(hào)波形圖3是用TDS3032B示波器觀察到的光電倍增管弱光輸出信號(hào)經(jīng)過放大器后的波形。當(dāng)一 11入射光功率R -10 W時(shí)，光電子信號(hào)是一直流電平并疊加

7、有閃爍噪聲（a）；當(dāng)R沁10 12W時(shí)，直流電平減小，脈沖重疊減小，但仍存在基線起伏（b）；當(dāng)光強(qiáng)繼續(xù)下降一 13一14到R 10 W時(shí)，基線開始穩(wěn)定，重疊脈沖極少（c）；當(dāng)R 10 W時(shí)，脈沖無重疊，一 14基線趨于零（d）。由圖可知，當(dāng)光強(qiáng)下降為 10 W量級(jí)時(shí)，在1ms的時(shí)間內(nèi)只有極少 幾個(gè)脈沖，也就是說，雖然光信號(hào)是持續(xù)照射的，但光電倍增管輸出的光電信號(hào)卻是分 立的尖脈沖。這些脈沖的平均計(jì)數(shù)率與光子的流量成正比。林甄另I電平膝沖墻度v8S 8V i- WK SH 脇沖計(jì)數(shù)率ak圖4光電倍增管輸岀脈沖幅度分布的微分曲線圖4為光電倍增管陽極回路輸出脈沖計(jì)數(shù)率 R隨脈沖幅度大小的分布。曲線表

8、示脈沖幅度在V - （ V+A V ）之間的脈沖計(jì)數(shù)率 R與脈沖幅度V的關(guān)系，它與曲線（ R/ A V ）- V有相同的形式。因此在 AV取值很小時(shí)，這種幅度分布曲線稱為脈沖幅 度分布的微分曲線。形成這種分布的原因有以下幾點(diǎn)：除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱發(fā)射電子在陽極回路形成的熱發(fā)射噪聲脈 沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因此它們在陽極上形成的脈沖大部分幅度較低。光陰極的熱發(fā)射電子形成的陽極輸出脈沖。各倍增極的倍增系數(shù)有一定的統(tǒng)計(jì)分布（大體上遵從泊松分布）。因此，噪聲脈沖及光電子脈沖的幅度也有一個(gè)分布，在圖4中，脈沖幅度較小的主要是熱發(fā)射噪聲信號(hào)，而光陰極發(fā)射的電子（包括熱發(fā)射電子和光電

9、子）形成的脈沖， 它的幅度大部分集中在橫坐標(biāo)的中部，出現(xiàn)“單光電子峰”。如果用脈沖幅度甄別器把 幅度高于Vh的脈沖鑒別輸出，就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。3 光子計(jì)數(shù)器的組成光子計(jì)數(shù)器的原理方框圖如圖 5所示。軍表模擬輸出圖5 典型的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)光電倍增管 光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。對(duì)光子計(jì)數(shù)器中所用的光電倍增管的主要要求有：光譜響應(yīng)適合于所用的工作波 段；暗電流要?。ㄋ鼪Q定管子的探測靈敏度）；響應(yīng)速度快、后續(xù)脈沖效應(yīng)小及光陰極穩(wěn)定性高。為了提高弱光測量的信噪比，在管子選定之后，還要采取一些措施： 光電倍增管的電磁噪聲屏蔽電磁噪聲對(duì)光子計(jì)數(shù)是非常嚴(yán)重的干擾，因此，作光子計(jì)數(shù)用

10、的光電倍增管都要加以屏蔽，最好是在金屬外套內(nèi)襯以坡莫合金。 光電倍增管的供電通常的光電技術(shù)中，光電倍增管采用負(fù)高壓供電，如見圖1所示，即光陰極對(duì)地接負(fù)高壓，外套接地。陽極輸出端可直接接到放大器的輸入端。這種供電方式，光陰極及各倍增極（特別是第一、第二倍增極）與外套之間有電位差存在， 漏電流能使玻璃管壁產(chǎn)生熒光，陰極也可能發(fā)生場致輻射，造成虛假計(jì)數(shù)，這對(duì)光子計(jì) 數(shù)來講是相當(dāng)大的噪聲。為了防止這種噪聲的發(fā)生，必須在管壁與外套之間放置一金屬 屏蔽層，金屬屏蔽層通過一個(gè)電阻接到光陰極上，使光陰極與屏蔽層等電位；另一種方 法是改為正高壓供電，即陽極接正高壓，陰極和外套接地，但輸出端需要加一個(gè)隔直流、 耐

11、高壓、低噪聲的電容，如圖 6。K圖6光電倍增管的正高壓供電及陽極電路 熱噪聲的去除為了獲得較高的穩(wěn)定性，降低暗計(jì)數(shù)率，常采用致冷技術(shù)降低光電倍增管的工作溫度。當(dāng)然，最好選用具有小面積光陰極的光電倍增管，如果采用大面 積陰極的光電倍增管，則需采用磁散焦技術(shù)。放大器 放大器的功能是把光電倍增管陽極回路輸出的光電子脈沖和其它的噪 聲脈沖線性放大，因而放大器的設(shè)計(jì)要有利于光電子脈沖的形成和傳輸。對(duì)放大器的主要要求有：有一定的增益；上升時(shí)間tx< 3ns,即放大器的通頻帶寬達(dá) 100MHz有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍及噪聲系數(shù)要低。放大器的增益可按如下數(shù)據(jù)估算：光電倍增管陽極回路輸出的單光電子脈沖的高度_

12、 196為V （圖2）,單個(gè)光電子的電量 e=1.602 X 10C，光電倍增管的增益 G =10，光電 倍增管輸出的光電子脈沖寬度tw= 10 20 ns量級(jí)。按10ns脈沖計(jì)算，陽極電流脈沖幅度la 1.6 X 10 5A=16A設(shè)陽極負(fù)載電阻 Rl = 50 Q，分布電容 C=20pF則輸出脈沖電壓波形不會(huì)畸變，其峰 值為：4Va = Ia Rl 8.0 X 10 V =0.8 mV當(dāng)然，實(shí)際上由于各倍增極的倍增系數(shù)遵從泊松分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，輸出脈沖的高度也遵 從泊松分布如圖7,上述計(jì)算值只是一個(gè)光子引起的平均脈沖峰值的期望值。一般的脈 沖高度甄別器的甄別電平在幾十毫伏到幾伏內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所

13、以要求放大器的增益大于 100倍即可。放大器與光電倍增管的連線應(yīng)盡量短，以減小分布電容，有利于光電脈沖的形成與 傳輸。棄除光電倍增管的熱發(fā)射噪聲脈沖。 在甄別器內(nèi)設(shè)有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的參考電壓一一甄別電平Vh。如圖8所示，當(dāng)輸出脈沖高度高于甄別電平 Vh時(shí)，甄別器就輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖；當(dāng)輸入脈沖高度低于 V時(shí)，甄別器無輸出。如果把甄別電平選在與圖 4中谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖高度 V上, 這就棄除了大量的噪聲脈沖， 因?qū)怆娮用}沖影響較小， 從而大大提高了信噪比。 vh稱 為最佳甄別（閾值）電平。對(duì)甄別器的要求：甄別電平穩(wěn)定，以減小長時(shí)間計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)誤差；靈敏度（可甄別 的最小脈沖幅度）較高，這樣可降低放大器的

14、增益要求；要有盡可能小的時(shí)間滯后，以 使數(shù)據(jù)收集時(shí)間較短；死時(shí)間小、建立時(shí)間短、脈沖對(duì)分辨率w 10 ns,以保證一個(gè)個(gè)脈沖信號(hào)能被分辨開來，不致因重疊造成漏計(jì)。脈沖高度vh脈沖高度111|illIIIIl 、需要注意的是：當(dāng)用單電平的脈沖高度甄別器鑒別輸出時(shí)，對(duì)應(yīng)某一電平值 V，得到的是脈沖幅度大于或等于 V的脈沖總計(jì)數(shù)率，因而只能得到積分曲線（見圖 9）,其 斜率最小值對(duì)應(yīng)的V就是最佳甄別（閾值）電平 Vh，在高于最佳甄別電平 Vh的曲線斜率最大處的電平V對(duì)應(yīng)單光電子峰。圖9光電倍增管脈沖高度分布一一積分曲線計(jì)數(shù)器（定標(biāo)器）計(jì)數(shù)器的主要功能是在規(guī)定的測量時(shí)間間隔內(nèi)，把甄別器輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖累

15、計(jì)和顯示。為滿足高速計(jì)數(shù)率及盡量減小測量誤差的需要，要求計(jì)數(shù)器 的計(jì)數(shù)速率達(dá)到100MHz但由于光子計(jì)數(shù)器常用于弱光測量，其信號(hào)計(jì)數(shù)率極低， 故選用計(jì)數(shù)速率低于10MHz的定標(biāo)器也可以滿足要求。4 光子計(jì)數(shù)器的誤差及信噪比測量弱光信號(hào)最關(guān)心的是探測信噪比（能測到的信號(hào)與測量中各種噪聲的比）。因此，必須分析光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中各種噪聲的來源。泊松統(tǒng)計(jì)噪聲用光電倍增管探測熱光源發(fā)射的光子，相鄰的光子打到光陰極上的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，對(duì)于大量粒子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果服從泊松分布。即在探測到上一個(gè)光子 后的時(shí)間間隔t內(nèi)，探測到n個(gè)光子的概率 pn為P(n,t)(Rt)ne Rt Nne n!n!(3)式中是光電倍增管的

16、量子計(jì)數(shù)效率，R是光子平均流量（光子數(shù)/ S）, N=*R ，是在時(shí)間間隔t內(nèi)光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數(shù)。由于這種統(tǒng)計(jì)特性，測量到的信號(hào)計(jì)數(shù)中就有一定的不確定度，通常用均方根偏差 匚來表示：；-.（n - N）2 。計(jì)算得出：；_ N=Rt。這種不確定度是一種噪聲，稱統(tǒng)計(jì)噪聲。所以，統(tǒng)計(jì)噪聲SNR =_N=.N = Rt使得測量信號(hào)中固有的信噪比 SNR為可見，測量結(jié)果的信噪比 SNR正比于測量時(shí)間間隔t的平方根。暗計(jì)數(shù) 實(shí)際上，光電倍增管的光陰極和各倍增極還有熱電子發(fā)射，即在沒有入 射光時(shí)，還有暗計(jì)數(shù)（亦稱背景計(jì)數(shù)）。雖然可以用降低管子的工作溫度、選用小面積光陰極以及選擇最佳的甄別

17、電平等使暗計(jì)數(shù)率Rd降到最小，但相對(duì)于極微弱的光信號(hào),仍是一個(gè)不可忽視的噪聲來源。假如以Rd表示光電倍增管無光照時(shí)測得的暗計(jì)數(shù)率，則在測量光信號(hào)時(shí)，按上述結(jié)果，信號(hào)中的噪聲成分將增加到（Rt - Rdt）12，信噪比SNR降為SNR 二Rt(Rt Rdtf2Rt'2(R Rd/2（5）這里假設(shè)倍增極的噪聲和放大器的噪聲已經(jīng)被甄別器棄除了。對(duì)于具有高增益的第一倍增極的光電倍增管，這種近似是可取的。累積信噪比 當(dāng)用扣除背景計(jì)數(shù)或同步數(shù)字檢測工作方式時(shí)，在兩個(gè)相同的時(shí)間間隔t內(nèi)，分別測量背景計(jì)數(shù)（包括暗計(jì)數(shù)和雜散光計(jì)數(shù)）Nd和信號(hào)與背景的總計(jì)數(shù) Nt。設(shè)信號(hào)計(jì)數(shù)為Np ,則rNp = Nt

18、_Nd = RtNd = Rdt按照誤差理論，測量結(jié)果的信號(hào)計(jì)數(shù)Np中的總噪聲應(yīng)為(Nt 肌門=(Rt 2Rdt)12測量結(jié)果的信噪比:SNRNp(Nt Nd)'2(Nt -Nd)二Rt'2(Nt Nd) 2( R 2Rd) 2當(dāng)信號(hào)計(jì)數(shù)Np遠(yuǎn)小于背景計(jì)數(shù) Nd時(shí)，測量結(jié)果的信噪比可能小于 1此時(shí)測量結(jié)果無意義，當(dāng)SNR = 1時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)功率 F0min即為儀器的探測靈敏度。由以上的噪聲分析可見，光子計(jì)數(shù)器測量結(jié)果的信噪比SNR與測量時(shí)間間隔的平方根t'2成正比。因此在弱光測量中，為了獲得一定的信噪比，可增加測量時(shí)間間隔t，這也是光子計(jì)數(shù)能獲得很高的檢測靈敏度的

19、原因。脈沖堆積效應(yīng)光電倍增管具有一定的分辨時(shí)間tR，如圖10所示。to+j Oits圖10光電倍增管的脈沖堆積效應(yīng)當(dāng)在分辨時(shí)間tR內(nèi)相繼有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光子入射到光陰極時(shí)（假定量子效率為1），由于它們的時(shí)間間隔小于 tR，光電倍增管只能輸出一個(gè)脈沖，因此，光電子脈沖的輸出計(jì)數(shù)率比單位時(shí)間入射到光陰極上的光子數(shù)要少；另一方面，電子學(xué)系統(tǒng)（主要是甄別 器）有一定的死時(shí)間td，在td內(nèi)輸入脈沖時(shí)，甄別器輸出計(jì)數(shù)率也要受到損失。以上現(xiàn) 象統(tǒng)稱為脈沖堆積效應(yīng)。脈沖堆積效應(yīng)造成的輸出脈沖計(jì)數(shù)率誤差，可以用下面的方法 進(jìn)行估算。對(duì)光電倍增管，由式 3可知，在tR時(shí)間內(nèi)不出現(xiàn)光子的概率為：(7)P©

20、;tR)=exp(-RtR)式中R為入射光子使光陰極單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)，R =nR。在tR內(nèi)出現(xiàn)光子的概率為1- exp（-RtR）。若由于脈沖堆積,使單位時(shí)間內(nèi)輸出的光電子脈沖數(shù)為Rp，所以R - Rp = R R - exp(-Rt r)(8)Rp = Rexp(-RtR)由圖11可見，Rp隨入射光子流量 R （即R）增大而增大。當(dāng) RtR=1時(shí)，Rp出現(xiàn)最大值，以后Rp隨R增加而下降，一直可以下降到零。這就是說，當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定數(shù)值時(shí)，光電倍增管的輸出信號(hào)中的脈沖成分趨 于零。此時(shí)就可以利用直流測量的方法來檢測光信號(hào)。圖11光電倍增管和甄別器的輸岀計(jì)數(shù)率與輸入計(jì)數(shù)率關(guān)系對(duì)于甄別

21、器（對(duì)定標(biāo)器也適用），如果不考慮光電倍增管的脈沖堆積效應(yīng)，在測量時(shí)間t內(nèi)輸出脈沖信號(hào)的總計(jì)數(shù) N = Rp t，總的“死”時(shí)間 =“叫=Rp t £。因此,總的“活”時(shí)間=t- Rp t td。所以接收到的總的脈沖計(jì)數(shù)Np = Rp t 二 R(t - Rp t td)甄別器的死時(shí)間td造成的脈沖堆積，使輸出脈沖計(jì)數(shù)率下降為Rp1 Rd(9)11看出，當(dāng)R td >式中R為假定死時(shí)間為零時(shí)，甄別器應(yīng)該輸出的脈沖計(jì)數(shù)率。由圖1時(shí)，Rp趨向飽和狀態(tài)，即 Rp不再隨R增加而有明顯變化。由式8和式9可以分別計(jì)算出上述兩種脈沖堆積效應(yīng)造成的輸出計(jì)數(shù)率的相對(duì)誤差 為：光電倍增管分辨時(shí)間tR

22、造成的誤差(10)_PMT = eXP( RtR)甄別器死時(shí)間td造成的誤差產(chǎn)DISRtd1 Rtd(11)當(dāng)計(jì)數(shù)率較小時(shí)，有則RtR <<1，-PMT 常 Rt RRtd <<1(12)DIS ：" Rt d當(dāng)計(jì)數(shù)率較小并使用快速光電倍增管時(shí)，脈沖堆積效應(yīng)引起的誤差器，即:二 DIS二 Rtd（13）E主要取決于甄別（14）一般認(rèn)為，計(jì)數(shù)誤差小于1 %的工作狀態(tài)就叫做單光子計(jì)數(shù)狀態(tài)，處在這種狀態(tài)下的系統(tǒng)就稱為單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)。對(duì)于由高速的甄別器和計(jì)數(shù)器組成的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，極限光子流量近似為 109/s （光功率w 1 nW ）。由于脈沖堆積效應(yīng)， 光子計(jì)數(shù)器不

23、能測量含有多個(gè)光子的超短脈沖光的 強(qiáng)度【工作原理及裝置】1 原理倍增管單光子計(jì)數(shù)器方法利用弱光下光電輸出電流信號(hào)自然離散的特征，采用脈沖高度甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)將淹沒在背景噪聲中的弱光信號(hào)提取出來。當(dāng)弱光照射到光陰極時(shí)，每個(gè)入射光子以一定的概率 （即量子效率）使光陰極發(fā)射一個(gè)電子。這個(gè)光電子經(jīng) 倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽極回路中形成一個(gè)電流脈沖，通過負(fù)載電阻形成一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)脈沖稱為單光子脈沖。除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱反射電子在陽極回 路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它在陽極上形成的 脈沖幅度較低。此外還有光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度的

24、 分布如圖12所示。脈沖幅度較小的主要是熱反射噪聲信號(hào)，而光陰極反射的電子（包 括光電子和熱反射電子）形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單光電子峰”。用脈沖幅度甄別器把幅度低于v的脈沖抑制掉。只讓幅度高于 vh的脈沖通過就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。單光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應(yīng)應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小（它決定管子的探測靈敏度），響應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關(guān) 系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應(yīng)有一定的增益，上升時(shí)間w3 ns即放大器的通頻帶寬達(dá)100MZ；有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈沖信號(hào)送至脈沖幅度甄別器。單光子計(jì)數(shù)器

25、的框圖見圖13。在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。如圖12所示，當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時(shí)，甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖。如果把甄別電平選在圖12中的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖高度上，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光 電子脈沖通過，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應(yīng)甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時(shí)間小、建立時(shí)間短、脈沖對(duì)分辨率小于10 ns,以保證不漏計(jì)。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。2.實(shí)驗(yàn)裝置框圖3光學(xué)系統(tǒng)光源 工作電壓穩(wěn)定、光強(qiáng)可調(diào)。GSZF-2B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用高亮度發(fā)光二級(jí)管，中心波長 = 5000?,半寬度 30nm。為了提高入射光的單色性，儀器備有窄帶濾光片， 其

26、半寬度為18 nm。圖16 CR125內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖15 CR125外形圖探測器GSZF-2B實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的探測器是直徑28.5 mm、銻鉀銫光陰極，陰極有效尺寸是叮J25mm、硼硅玻玻殼、11級(jí)盒式+線性倍增、端窗型 CR125光電倍增管。它具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、低暗噪聲，環(huán)境溫度范圍80+ 50C。GSZF-2B給光電倍增管提供的工作電壓最高為1320V。光路 如圖17所示，為了減小雜散光的影響和降低背景計(jì)數(shù)，在光電倍增管前 設(shè)置一個(gè)光闌筒，內(nèi)設(shè)置光闌三個(gè)，并將光源、衰減片、窄帶濾光片、光闌、接收器等 嚴(yán)格準(zhǔn)直同軸，把從光源出發(fā)的光信號(hào)匯聚在倍增管光陰極的中心部分。附件參數(shù)：衰 減片AB5

27、透過率5%； ABw透過率10% AB25透過率25%可以組成不同透過率的衰減 片組插入光路，得到所需的入射光功率。為了標(biāo)定入射到光電倍增管的光功率p,可先用光功率計(jì)測量出光源經(jīng)半透半反鏡反射的光功率Pl,然后按下式計(jì)算 P:R =AKCmR(15)圖17 GSZF-2B單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路參數(shù)圖示A-為窄帶濾光片在時(shí)的透射率T 一 為衰減片組在500 nm處的透過率；T =T< T2 T3-為光路中插入光學(xué)元件的全部玻璃表面反射損失造成的總效率；總效率-1 - （2 5%） N（ N為光路中鏡片全部反射面數(shù)）K -為半透半反鏡的透過率和反射率之比 ：式中01為光功率計(jì)接收面積 S （

28、兀）相對(duì)于光源中心所張的立體角，為緊鄰光電倍增管的光闌面積 S2 （二r22）對(duì)于光源中心所張的立體角: r1S2* 二 3mm S 日28S22r2 = 1.5mm S 2=480二 r22 12824802 二=0.018其他參數(shù)詳見圖17所標(biāo)定的。4 .電子學(xué)系統(tǒng)接收電路包括放大器、甄別器、計(jì)數(shù)器、示波器。放大器輸入負(fù)極性脈沖，輸出正極性脈沖，輸入阻抗 50門，輸出端除與甄別器輸入端耦合外，還有50門匹配電纜，供示波器觀察波形用。脈沖高度甄別器電路由線形高速比較器組成。甄別電平0 2.56 V可調(diào)(10 mV/檔)。GSZF-2B放大器輸出的光電子脈沖和暗電流脈沖如圖18 (a)。甄別器

29、輸出的標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形見圖18 (b)。示波器采用Tektronix 生產(chǎn)的TDS3032B雙通道數(shù)字式熒光示波器，信號(hào)采集由通 信模塊(3GV輸入微機(jī)。(a)(b)圖18放大器輸出的光電子脈沖和暗電流脈沖四實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝及操作方法1、GSZF-2B單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)如圖：1.USB接口 2.監(jiān)測2 3.監(jiān)測1 4.調(diào)零旋鈕 5.功率計(jì)電源開關(guān)6.量程變換7.功率指示8.電流調(diào)節(jié)910.電流指示圖19 GSZF-2B單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)按照?qǐng)D19將設(shè)備擺放好，然后打開外光路2的上蓋，將磁力表座及擋光筒放入光路中，目測將中心高調(diào)成一致，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將窄帶濾光片、衰減濾光片按圖20要求裝在減光筒上。1.減光筒

30、2.窄帶濾光片3.衰減濾光片1.4.衰減濾光片5.衰減濾光片圖202 .制冷系統(tǒng)放大器控制面板2.開關(guān)3.電源插座圖21圖23圖22制冷器的面板圖3 .開機(jī)操作：(1) 電源線分別插在放大器控制電源插座(7)及制冷控制系統(tǒng)電源插座(9)上。(2) 圖19的USB接口與計(jì)算機(jī)上的 USB接口相連。(3) 將制冷控制電纜分別插在制冷控制電纜插座(10)及主機(jī)制冷控制電纜 插座上。(4) 分別打開電源開關(guān)。(5) 調(diào)節(jié)溫度控制表的溫度控制溫度。(6) 待20分鐘之后溫度達(dá)到所需的溫度后，可用計(jì)算機(jī)采集。4 開機(jī)前面已經(jīng)分別敘述了光源、外光路、制冷器的開機(jī)及調(diào)整方法。這一節(jié)主要談?wù)務(wù)?機(jī)的開機(jī)方法。(

31、1)按照接線圖要求將線接好，并反復(fù)檢查無誤。圖24（2）按制冷器開機(jī)操作的方法將制冷器開機(jī)，等待數(shù)分鐘達(dá)到待測溫度后，可以啟動(dòng)軟件測量。這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，即若用戶測量不需要制冷時(shí)，也就不用開制冷器。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】1.觀察不同入射光強(qiáng)光電倍增管的輸出波形分布，推算出相應(yīng)的光功率開啟GSZF-2B單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)儀“電源”，光電倍增管預(yù)熱二十一一三十分鐘。開啟“功率測量”在量程進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)零；開啟“光源指示”，電流調(diào)到3 -4 mA，讀出“功率測量”指示的 P值。開啟微機(jī)，進(jìn)入“單光子計(jì)數(shù)”軟件，給光電倍增管提供工作電壓，探測器開始 工作。開啟示波器，輸入阻抗設(shè)置50 Q,調(diào)節(jié)“觸發(fā)電平”處于掃描最靈

32、敏狀態(tài)。打開儀器箱體，在窄帶濾光片前按照衰減片的透過率，由大到小的順序依次添加 片子。同時(shí)一并觀察示波器上光電倍增管的輸出信號(hào)，圖形應(yīng)該是由連續(xù)譜到離散分立 的尖脈沖，和圖3相同。注意：每次開啟儀器箱體添、 減衰減片之后，要輕輕蓋好還原, 以免受到背景光的干擾。示波器與微機(jī)相連。進(jìn)入通信模塊3GV軟件，由菜單提示采集不同光強(qiáng)的四幀圖 形，自己建立一個(gè)文檔，再由式（15）推算光功率p。2 用示波器觀察光電倍增管陽極輸出和甄別器輸出的脈沖特征，并作比較選擇入射光強(qiáng)使光電倍增管輸出為離散的單一尖脈沖（P衣1013 1014W ）；固定光電倍增管的工作電壓； 不加制冷處于常溫狀態(tài)； 甄別閾值電平置于給

33、定的適當(dāng)位置。分別將放大器“檢測 2 ”和甄別器“檢測1 ”的輸出信號(hào)送至示波器的輸入端，觀察并記錄兩種信號(hào)波形和高度分布特征。如同步驟1、輸入微機(jī)，下拉文件菜單“打印”或在主工具欄“打印”，在“打印設(shè)置”取“只打印圖象”。編輯打印圖形。3 測量光電倍增管輸出脈沖幅度分布的積分和微分曲線，確定測量弱光時(shí)的最佳 閾值（甄別）電平Vh參照步驟 2. 選擇光電倍增管輸出的光電信號(hào)是分立尖脈沖的條件， 運(yùn)行“單光 子計(jì)數(shù)”軟件。在模式欄選擇“閾值方式” ；采樣參數(shù)欄中的“高壓”是指光電倍增管 的工作電壓， 1 8檔分別對(duì)應(yīng) 6201320V , 由高到低每檔 10%遞減。在工具欄點(diǎn)擊 “開始” 獲得積

34、分曲線。 視圖形的分布調(diào)整數(shù)值范圍欄的 “起始點(diǎn)” 和“終止點(diǎn)”，“終止點(diǎn)”一般設(shè)在 3060 檔左右（ 10mV / 檔）；再適當(dāng)?shù)恼{(diào)整光電倍 增管的高壓檔次（ 68 檔范圍）和微調(diào)入射光強(qiáng)，讓積分曲線圖形為最佳（如圖 9）。 其斜率最小值處就是閾值電平 Vh 。在菜單欄點(diǎn)擊“數(shù)據(jù) / 圖形處理”選擇“微分” ，再選擇與積分曲線不同的“目的 寄存器”運(yùn)行， 就會(huì)得到與積分曲線色彩不同微分曲線（圖4）。其電平最低谷與積分曲線的最小斜率處相對(duì)應(yīng)，由微分曲線更準(zhǔn)確的讀出Vh 。點(diǎn)擊“信息” ，輸入每個(gè)“寄存器”對(duì)應(yīng)的曲線名稱、實(shí)驗(yàn)同學(xué)姓名，打印附報(bào) 告。4單光子計(jì)數(shù)由模式欄選擇“時(shí)間方式”，在采樣參數(shù)欄的“域值”輸入步驟 3獲取的Vh值， 數(shù)值范圍的“終止點(diǎn)”不用設(shè)置太大， 1001000 即可，在工具欄點(diǎn)擊“開始” ，單光子 計(jì)數(shù)。將數(shù)值范圍的“最大值”設(shè)置到單光子數(shù)率線在顯示區(qū)中間為宜。此時(shí)，如果光源強(qiáng)度 P不變，光子計(jì)數(shù)率 Rp基本是一直線；倘若調(diào)節(jié)光功率Pi的高、低，光子數(shù)率也隨之高、低而變化。這說明：一旦確立閾值甄別電平、測量時(shí)間 間隔相同，P與Rp成正比。記錄實(shí)驗(yàn)所得