实验四单光子计数

1实验四单光子计数光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。它可以探测微弱到以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展的锁频原理是使放大器中心频率0f与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。后来发展了锁相放大技术，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比有以下优点：1．测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。2．基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。3．有比较宽的线性动态范围。4．光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。因此采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17W，这是其它探测方法所不能比拟的。【实验目的】1．介绍这种微弱光的检测技术；了解GSZFS-2B实验系统的构成原理。2．了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。3．了解微弱光的概率分布规律。【实验原理】1．光子光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零、有一定能量的粒子，与一定的频率相对应。一个光子的能量0E可由下式决定：0/Ehhc（1）式中c=3×108m/s，是真空中的光速；h＝6.6×10－34Js，是普朗克常数。例如,实验中所用的光源波长为＝5000Å的近单色光，则0E=3.96×10－19J。光流强度常用光功率P表示，单位为W。单色光的光功率可用下式表示：pPRE（2）2式中R为光子流量（单位时间内通过某一截面的光子数目），所以，只要能测得光子的流量R，就能得到光流强度。如果每秒接收到R＝104个光子数，对应的光功率为pPRE＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。2．测量弱光时光电倍增管输出信号的特征在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图1（a）)，或测量阳极电阻LR上的电压(图1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特征。图1光电倍增管负高压供电及阳极电路图图2光电倍增管阳极波形弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一个电流脉冲，即在负载电阻LR上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”见图2。脉冲的宽度tw取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常数LR0C，其中0C为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。性能良好的光电倍增管有较小的渡越时间分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增后的电子到达阳极的时间差较小。若设法使时间常数较小则单光电子脉冲宽度tw减小到10－30ns。如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上，则在阳极回路上得到一系列分立的脉冲信号。3图3不同光强下光电倍增管输出信号波形图3是用TDS3032B示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经过放大器后的波形。当入射光功率iP≈10－11W时，光电子信号是一直流电平并叠加有闪烁噪声（a）；当iP≈10－12W时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（b）；当光强继续下降到iP≈10－13W时，基线开始稳定，重叠脉冲极少（c）；当iP≈10－14W时，脉冲无重叠，基线趋于零（d）。由图可知，当光强下降为10－14W量级时，在1ms的时间内只有极少几个脉冲，也就是说，虽然光信号是持续照射的，但光电倍增管输出的光电信号却是分立的尖脉冲。这些脉冲的平均计数率与光子的流量成正比。图4光电倍增管输出脉冲幅度分布的微分曲线图4为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率ΔR随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在V－（V+ΔV）之间的脉冲计数率ΔR与脉冲幅度V的关系，它与曲线（ΔR/ΔV）－V有相同的形式。因此在ΔV取值很小时，这种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲线。形成这种分布的原因有以下几点：⑴除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因此它们在阳极上形成的脉冲大部分幅度较低。⑵光阴极的热发射电子形成的阳极输出脉冲。4⑶各倍增极的倍增系数有一定的统计分布（大体上遵从泊松分布）。因此，噪声脉冲及光电子脉冲的幅度也有一个分布，在图4中，脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括热发射电子和光电子）形成的脉冲，它的幅度大部分集中在横坐标的中部，出现“单光电子峰”。如果用脉冲幅度甄别器把幅度高于hV的脉冲鉴别输出，就能实现单光子计数。3．光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图5所示。图5典型的光子计数系统⑴光电倍增管光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。对光子计数器中所用的光电倍增管的主要要求有：光谱响应适合于所用的工作波段；暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度）；响应速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。为了提高弱光测量的信噪比，在管子选定之后，还要采取一些措施：①光电倍增管的电磁噪声屏蔽电磁噪声对光子计数是非常严重的干扰，因此，作光子计数用的光电倍增管都要加以屏蔽，最好是在金属外套内衬以坡莫合金。②光电倍增管的供电通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如见图1所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大器的输入端。这种供电方式，光阴极及各倍增极（特别是第一、第二倍增极）与外套之间有电位差存在，漏电流能使玻璃管壁产生荧光，阴极也可能发生场致辐射，造成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为了防止这种噪声的发生，必须在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极上，使光阴极与屏蔽层等电位；另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压，阴极和外套接地，但输出端需要加一个隔直流、耐高压、低噪声的电容，如图6。5图6光电倍增管的正高压供电及阳极电路③热噪声的去除为了获得较高的稳定性，降低暗计数率，常采用致冷技术降低光电倍增管的工作温度。当然，最好选用具有小面积光阴极的光电倍增管，如果采用大面积阴极的光电倍增管，则需采用磁散焦技术。⑵放大器放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计要有利于光电子脉冲的形成和传输。对放大器的主要要求有：有一定的增益；上升时间xt≤3ns，即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数要低。放大器的增益可按如下数据估算：光电倍增管阳极回路输出的单光电子脉冲的高度为aV（图2），单个光电子的电量e=1.602×10－19C，光电倍增管的增益G=106，光电倍增管输出的光电子脉冲宽度tw＝10－20ns量级。按10ns脉冲计算，阳极电流脉冲幅度aI≈1.6×10－5A=16A设阳极负载电阻LR＝50Ω，分布电容C=20pF则输出脉冲电压波形不会畸变，其峰值为：aV＝aILR≈8.0×10－4V=0.8mV当然，实际上由于各倍增极的倍增系数遵从泊松分布的统计规律，输出脉冲的高度也遵从泊松分布如图7，上述计算值只是一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值。一般的脉冲高度甄别器的甄别电平在几十毫伏到几伏内连续可调，所以要求放大器的增益大于100倍即可。放大器与光电倍增管的连线应尽量短，以减小分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输。6图7放大器的输出脉冲⑶脉冲高度甄别器脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一个连续可调的参考电压——甄别电平hV。如图8所示，当输出脉冲高度高于甄别电平hV时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于hV时，甄别器无输出。如果把甄别电平选在与图4中谷点对应的脉冲高度hV上，这就弃除了大量的噪声脉冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。hV称为最佳甄别（阈值）电平。对甄别器的要求：甄别电平稳定，以减小长时间计数的计数误差；灵敏度（可甄别的最小脉冲幅度）较高，这样可降低放大器的增益要求；要有尽可能小的时间滞后，以使数据收集时间较短；死时间小、建立时间短、脉冲对分辨率≤10ns，以保证一个个脉冲信号能被分辨开来，不致因重叠造成漏计。图8甄别器的作用a放大后b甄别后7需要注意的是：当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值V，得到的是脉冲幅度大于或等于V的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（见图9），其斜率最小值对应的V就是最佳甄别（阈值）电平hV，在高于最佳甄别电平hV的曲线斜率最大处的电平V对应单光电子峰。图9光电倍增管脉冲高度分布——积分曲线⑷计数器（定标器）计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把甄别器输出的标准脉冲累计和显示。为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要求计数器的计数速率达到100MHz。但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计数率极低，故选用计数速率低于10MHz的定标器也可以满足要求。4．光子计数器的误差及信噪比测量弱光信号最关心的是探测信噪比（能测到的信号与测量中各种噪声的比）。因此，必须分析光子计数系统中各种噪声的来源。⑴泊松统计噪声用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统计结果服从泊松分布。即在探测到上一个光子后的时间间隔t内，探测到n个光子的概率(,)ntP为(,)()!!nRtnNntRteNePnn（3）式中是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量（光子数／S），NRt，是在时间间隔t内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数。由于这种统计特性，测量到的信号计数中就有一定的不确定度，通常用均方根偏差来表示：2)Nn(。计8算得出：＝RtN。这种不确定度是一种噪声，称统计噪声。所以，统计噪声使得测量信号中固有的信噪比SNR为SNR=NN=N=Rt（4）可见，测量结果的信噪比SNR正比于测量时间间隔t的平方根。⑵暗计数实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率dR降到最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源。假如以dR表示光电倍增管无光照时测得的暗计数率，则在测量光信号时，按上述结果，信号中的噪声成分将增加到12()dRtRt，信噪比SNR降为121122()()ddRtRtSNRRtRtRR（5）这里假设倍增极的噪声和放大器的噪声已经被甄别器弃除了。对于具有高增益的第一倍增极的光电倍增管，这种近似是可取的。⑶累积信噪比当用扣除背景计数或同步数字检测工作方式时，在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数（包括暗计数和杂散光计数）dN和信号与背景的总计数tN。设信号计数为pN，则ptdNNNRt，ddNRt按照误差理论，测量结果的信号计数pN中的总噪声应为1122()(2)tddNNRtRt测量结果的信噪比：12111222()()()(2)ptdtdtddNNNRtSNRNNNNRR（6）当信号