微弱信号检测-光子计数技术

光子计数技术之主要内容1光子计数器的原理概述2光子计数器中的光电倍增管3放大器-鉴别器4光子计数器的测量法5模拟输出的光子计数器6光子计数器中的脉冲堆积效应概述光子计数器是一种检测弱光信号的重要检测仪器。适用于测量大约每秒发射108个以内分立光子的弱光信号。如光子速率过大，光电倍增管将产生堆积效应，引起计数丢失而造成误差。与传统的光电流测量法相比，它具有下列优点：系统的探测灵敏度高，抗噪声能力强。可大大提高系统的稳定性，受高压电源的波动影响较小可以排除光电倍增管直流漏电和输出零漂等原因造成的测量误差光子计数系统的输出是数字量，可直接与计算机连接，构成自动测试与数据处理系统，从而实现最佳测试。第一节光子计数器的原理概述光子1.光子是光能或辐射能的最小单位。是一种单模（即单一波长，方向和偏振）的量子，其能量为：2.光或辐射是一束以光速传播的光子流，其功率P决定于单位时间内发射的光子数或光子速率R，于是)()(eVqhcEJhEPP）（WERPP第一节光子计数器的原理概述弱光的光电信号•光电倍增管（PMT）是目前最常用的一种光信号检测器。它能提供快响应、高增益、低噪声放大、且大大优于热探测器。•PMT所能覆盖的波长范围，在长波波段受光阴极材料限制，通常在1um以内，在短波波段受PMT玻璃或石英窗口透射特性的限制。第一节光子计数器的原理概述泊松统计分布，散粒噪声和暗电流（暗计数）•一个弱光源所发射的光子是分立的，即彼此孤立的随机事件。对用直流稳压电源供电的大多数光源来说，如钨丝灯，激光器等发射的光子，在时间的分布上是服从泊松概率分布的。即在时间t内有n个光子到达光电倍增管阴极的概率为：对于泊松分布来说，有：RtRDRM方差的平方根：方差：数学期望：t)(t)(2R为发射光子的平均速率t为测试的时间间隔!)(),(neRttnPRtn第一节光子计数器的原理概述泊松统计分布，散粒噪声和暗电流（暗计数）•散粒噪声是由于光子速率的起伏造成，也称为信号内部噪声，可以用光子发射的标准偏差来表示，即•光电倍增管的量子效率ξ：表示每一个入射光子通过光电倍增管时产生一个输出脉冲的概率，所以有：R为发射光子的平均速率N=Rξt是信号信号中的噪声为信噪比为tRRtNNSNRk/Rt!!)(),(neNneRttnPNnRtnfMqIIPMTSNRISNRfMqIIfqIMMISNRMfqIfqIIfqIIfqISNRffqtIqqRtRtSNRIpkqARqIaaapkpkpkpkpkpkpkpkpk222)(222221t,)(t)(aaaak2kkpk的散粒噪声即为：直流电流后的阳极电流信噪比。及其他倍增极噪声的热电子或热离子发射是忽略是阳极直流电流；式中：，则起的增益起伏和噪声不考虑由于倍增极等引增益为如果光电倍增管的平均噪声。为光阴极光电流的散粒式中，可以得到则有，系统的频率范围为间即光电倍增管的响应时设测量时间为的信噪比极电流是电子的电荷量。光阴式中，增管的光阴极信号电流离子）发射，则光电倍极中没有热电子（或热假设光电倍增管的光阴第一节光子计数器的原理概述泊松统计分布，散粒噪声和暗电流（暗计数）•实际上，无光子输入时，由于温度影响，光阴极和倍增极也会发射热电子。这种热载流子发射的速率随光电倍增管冷却而减小。由光阴极的热发射而产生的计数称为暗计数，它不仅随阴极面积的减小而减小，而且还与阴极材料有关。•设阴极发射热电子的速率为Ra,则总的标准偏差变为这样光阴极电流的信噪比下降为：aaRRRtRRtRtSNRkttRRat2221第一节光子计数器的原理概述泊松统计分布，散粒噪声和暗电流（暗计数）•光子计数技术就是利用光阴极发射的光电脉冲与个倍增极发射的噪声脉冲高度分布不同，用脉冲高度鉴别器从诸多脉冲中鉴别出高的信号脉冲共计数器计数，而倍增极产生的噪声脉冲则被消除。•但是光阴极发射的热电子造成的电脉冲与光子形成的脉冲幅度相近，无法用脉冲高度鉴别法消除，只能用低温冷却的方法降低热电子发射或用减小光阴极面积的方法去降低热噪声。第一节光子计数器的原理概述光子计数系统方框图•被测光束射到光电倍增管的光阴极上，输出一系列电脉冲，经前置放大器放大后，在输出端输出一系列振幅较大的电压脉冲。在倍增极上产生的噪声所形成的脉冲幅度小于光阴极上的信号脉冲。这些高低不同的电压脉冲将成为脉冲高度鉴别器的输入信号。如果幅度足够大，则鉴别器输出计数脉冲；如果幅度不够大，则没有计数脉冲输出。若在选定的时间内，用计数器对鉴别器的每一个输出脉冲进行计数，或以数字的形式输出，或通过一个数模转换器获得模拟电压。第一节光子计数器的原理概述光子计数系统的要求：•光电倍增管及后继电路的分辨时间足够短，保证每一个光电脉冲的分辨时间不被展宽•必须把信号光电脉冲从暗噪声脉冲中鉴别出来。第二节光子计数器中的光电倍增管1.工作原理光电效应，逐级倍增，可得到105~108的电子倍增第二节光子计数器中的光电倍增管渡越时间•光电子从光阴极发射后到达阳极的时间延迟。•渡越时间具有离散性，每个光子的渡越时间存在差异。•每个光电子经过倍增，在阳极形成的电流脉冲宽度与渡越时间离散有关。此电流脉冲对阳极寄生电容和负载电阻组成的RC电路进行充电，即得到阳极输出脉冲。•当阳极负载电阻很大时，且RCtw(电流脉冲半宽度)，其输出脉冲幅度V=Q/C=Mq/C,脉冲宽度增加，有较长时间的拖尾。增大RC常数，会使输出电压脉冲宽度增加。•当RCtw时，输出脉冲幅度V=MqR/tw，脉冲宽度仍为tw.•电子速率的增加会导致阳极电压脉冲的堆积，引起堆积漏计。应满足RCtw的要求，tw的典型值在10~30ns。第二节光子计数器中的光电倍增管PMT挑选的注意事项•渡越时间短，渡越时间离散型小，时间常数小。•高的量子效率，量子效率与光子能量、窗口及光阴极材料的特性有关。•光子计数器应采取制冷措施以减少阴极的热电子发射，通常需在-20°C以下工作。•在最后二、三个倍增极间并入电容以形成良好的高频特性传输线。第二节光子计数器中的光电倍增管2.偏置电路：提供各电极必要而稳定的电位分布，以得到稳定的倍增管总增益，输出信号有最大的信噪比和窄的脉冲宽度。第二节光子计数器中的光电倍增管分压器：把光电倍增管总的高压分配给各电极的电阻链。分压电阻中的偏置电流要控制在一定范围内，以减少因分压器上功率损耗发热所产生对倍增管电子发射的影响。接地点：分为阳极近似接地和阴极接地阳极接地（阴极处于负的高电位）阴极接地（阳极处于正的高电位）优点缺点优点缺点可以直接与输入阻抗为50欧的前置放大器耦合，应用广泛噪声较大，会产生较大的漏电流，需要另加屏蔽不会产生上述的漏电流和附加脉冲由于增加了高压电容等附加元件，阳极的杂散电容显著增大，会影响到高频电脉冲的传输。第二节光子计数器中的光电倍增管最佳偏置电压：为选定最佳偏置电压，可先用稳定的弱光照射光电倍增管，测出脉冲数与偏置电压的关系曲线，这一脉冲数是信号计数和暗计数之和。然后，在遮光情况下，测量暗计数与偏置电压的关系曲线，再从上一计数中扣除暗计数，即获得信号计数。由图可知，信号计数曲线有一平坦区，暗计数曲线只有不断上升的趋势。为获得最大信噪比，最佳偏置电压应选用在信号技术曲线开始进入平坦区的电压，此处是具有最大信噪比时的偏置电压。第三节放大器——鉴别器•光电倍增管的输出信号幅度•根据上述的计算，0.8mV的电压脉冲作为鉴别器的输入电平是太低了，需要放大器作进一步放大，该放大器的增益通常在几百倍至一、二千倍。•另外，光电倍增管和前置放大器的增益及鉴别器的阈值的控制都可用来有效地调整鉴别电平，使整个光子技术系统工作在最佳状态。一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述mVRIEtwRCCRAtwMqIpkpk8.0,,pf20,50161010/106.110/9196pk第三节放大器——鉴别器•光电倍增管和放大器的输出波形一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述第三节放大器——鉴别器•单电平鉴别器工作方式：只有一个鉴别电平。光阴极发射的光电子、热电子和多光子所形成的脉冲幅度均高于鉴别电平，鉴别器均输出计数脉冲。而各倍增极电子所形成的脉冲，因幅度低于鉴别电平而无计数脉冲输出。它只能消除各倍增极产生的噪声。一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述第三节放大器——鉴别器•双电平鉴别器工作方式：有两个鉴别电平校正工作方式多光子发射时，将产生大幅度的脉冲。当脉冲高于第二鉴别电平时，鉴别器将产生两个输出脉冲。同时发射三个以上光子的高脉冲也只能输出两个计数脉冲。窗口工作方式在光子速率很小，产生多光子的概率很低的情况下，输入脉冲幅度仅在两个鉴别电平之间才输出一个脉冲，它可提高弱光功率的测量精度。一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述第三节放大器——鉴别器•鉴别器阈值：用实验获得的脉冲高度分布图来决定。一、前置放大器和脉冲高度鉴别器概述第三节放大器——鉴别器•前置放大器的主要任务是将光电倍增管输出的窄脉冲（10~30ns），低噪声地放大到鉴别器所要求的电平。因此，放大器的增益与光电倍增管的增益和鉴别电平有关。一般，增益大约在数百至数千倍，输入阻抗在50~100欧之间。通常选用50欧，时间常数不至于太大，且便于和传输电缆匹配。一、前置放大器参数及放大——鉴别器电路光电倍增管输出电流波形，其形状与电子在光电倍增管内渡越时间的离散型有关，且在时间上服从正态分布。且放大器的通频带宽与对应的单位脉冲响应时间（上升时间）存在以下关系经计算，光子计数器的低噪声前置放大器带宽约为100MHz。35.0rtf第三节放大器——鉴别器放大——鉴别器电路通常由级联构成。主要有两类：单阈值的放大——鉴别器：把低于第一阈值电平的光电倍增管和放大器的噪声脉冲去掉，而高于阈值电平的一个信号脉冲输出一个计数脉冲。一、前置放大器参数及放大——鉴别器电路第三节放大器——鉴别器放大——鉴别器电路通常由级联构成。主要有两类：双阈值电平放大——鉴别器：有两个鉴别电平，三种工作方式：单电平工作方式、窗口工作方式、校正工作方式。一、前置放大器参数及放大——鉴别器电路单电平工作方式：反符合电路只让下阈值鉴别器的输出通过。开关K3置1，计数器直接对反符合电路的输出进行计数。在光子速率较高时，用于置*10的方式，K1合上，K3置2时，鉴别器的输出已被除10.窗口工作方式：当信号越过第二鉴别电平时，上、下电平鉴别器均有输出，此时反符合电路无输出。信号在两鉴别电平之间，仅下电平鉴别器有输出，反符合电路也有输出。上述工作过程，实际上等效于一个异或门的逻辑功能。其输出将开关K3置1可以直接进行计数，也可以通过K1除10后将K3置2计数（即预置*10）校正工作方式：考虑了有脉冲堆积的情况时使用。当信号超过第二鉴别电平时，认为这是双光子现象，要求输出两个脉冲。在这种工作方式是，K1，K2合上，K3置在2端。信号经两鉴别电平之间时，经过除10后供计数，此时和上述两种工作方式相同。当信号超过第二鉴别电平时，上下两个鉴别器皆有输出，但反符合电路无输出。上阈值鉴别电路的输出通过K2至求和电路，以除5的倍率同样供计数器计数。这样它输出5个脉冲，就等效于下阈值鉴别器输出10个高脉冲。因为它少除了个2倍，其结果是一个高脉冲等于两个窗口内的脉冲。第四节光子计数器的测量法•在光子计数系统中，鉴别器的输出脉冲送入计数器，对光子速率进行计数。计数器的输出为数据信号，可供打印，或供数字计算机进行处理和控制，或进行数模转换输出模拟信号供X-Y记录仪记录显示等。它的工作原理和频率计（或计数器有相似之处）可以认为光子计数器是频率计应用的扩展。第四节光子计数器的测量法一、光子速率的直接测量法当按下“启动”按钮或接收一个遥控“启动”脉冲时，计数器A开始对鉴别器来的信号脉冲进行计数，同时，计数器C开始对石英晶体振荡器来的时钟