單光子計數(shù)實驗.陪伴doc

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1、報告正文課程名稱：近代物理實驗實驗日期：2012年11月5日編號NO：2開始時間：9時0分；結(jié)束時間：10時0分；實驗題目：單光子計數(shù)實驗同組者：內(nèi)容：摘要：本實驗學(xué)習(xí)以PMT為探測器的光子技術(shù)的基本實驗方法并通過實驗了解光子計數(shù)方法和弱光檢測中的一些特殊問題。在實驗過程中，我們先初步確定甄別電平的取值范圍。然后在這個范圍里確定最佳甄別電平為300mv。再然后偶們研究了信噪比和時間T的關(guān)系，以及SNR與P0的關(guān)系。關(guān)鍵詞：單光子計數(shù)，甄別電平，光計數(shù)，暗計數(shù)，信噪比實驗原理1光子流量和光流強(qiáng)度光是由光子組成的光子流，當(dāng)個光子的能量與光波頻率的關(guān)系是(1)C為真空中光速，h為普朗

2、克常量，為光波長，光子流量R可用單位時間內(nèi)通過的光子數(shù)表示；光流強(qiáng)度是單位時間內(nèi)通過的光子數(shù)來表示；光流強(qiáng)度是單位時間內(nèi)通過的光能量，用光功率P表示，單位為W。單色光的光功率P與光子流量R的關(guān)系式為(2)當(dāng)光流強(qiáng)度小于10-16W時通常稱為弱光，此時可見光的光子流量可降到1ms內(nèi)不到一個光子，因此實驗中要完成的將是對單個光子進(jìn)行檢測進(jìn)而得出弱光的光流強(qiáng)度，這就是單光子計數(shù)。2PMT輸出信號波形PMT是一種從紫外到近紅外都有極高靈敏度和超快時間相應(yīng)的真空電子管類光探測器件，用于各種微弱光的測量。圖1PMT的結(jié)構(gòu)示意圖由圖1所示，光陰極上發(fā)射出的電子，經(jīng)聚焦和加速打在第一倍增極上面

3、，將在第一倍增極上打出幾倍于入射電子數(shù)目的二次電子。這些電子被加速后達(dá)到第二倍增極上，接連經(jīng)過幾個或十幾個倍增極的增殖作用后，電子數(shù)目最高可增加到108。最后由陽極收集所有的電子，在陽極回路中形成一個電脈沖信號。在非弱光測量中由于光子流量較大測得的PMT輸出信號為連續(xù)信號。而在弱光測量，光子流量較小，相鄰兩光子間的時間間隔可達(dá)毫秒量級，陽極回路中輸出的是一個個離散的尖脈沖。盡管光信號可以是由一連續(xù)發(fā)光的光源發(fā)出的，而光電倍增管輸出的電信號卻是一個一個無重疊的尖脈沖，光子流量與這些脈沖的平均計數(shù)率成正比。只要用計數(shù)的方法測出單位時間內(nèi)的光電子脈沖數(shù)，就相當(dāng)于檢測了光的強(qiáng)度。3單光

4、電子峰將PMT的陽極輸出脈沖接到脈沖高度分析器，例如多道分析器做脈沖高度分布分析，可與得到單光電子峰分布如圖2。形成原因如下：圖2PMT輸出的脈沖幅度分布曲線光陰極發(fā)射的電子包括光電子和熱發(fā)射電子，都受到了所有倍增極增殖。因此他們的幅度接近。各倍增極的熱發(fā)射電子經(jīng)受倍增的次數(shù)要比光陰極發(fā)射的電子經(jīng)受的少，因此形成的脈沖幅度要低。所以圖中脈沖幅度較小的部分重要是熱噪聲脈沖。各倍增極的倍增系數(shù)不是一定值，有一統(tǒng)計分布，大體上遵守泊松分布。所以，如果用脈沖高度甄別器將幅度高于圖2中谷點的脈沖加以甄別、輸出并計數(shù)顯示，就可以實現(xiàn)高信噪比的單光子計數(shù)，大大提高檢測靈敏度。4光子計數(shù)器的噪

5、聲和信噪比測量弱信號最關(guān)心的是探測信噪比，因此，必須分析光子計數(shù)系統(tǒng)中的各種噪聲來源(1)泊松統(tǒng)計噪聲用PMT探測熱光源發(fā)射的電子，相鄰的光子達(dá)到光陰機(jī)上的時間間隔是隨機(jī)的，對于大量粒子的統(tǒng)計結(jié)果服從泊松分布。記載探測上一個光子后的時間間隔t內(nèi)，探測到n個光子的概率為P(n,t)為統(tǒng)計噪聲固有的信噪比為(1)暗計數(shù)PMT的光陰及各個倍增極還有熱電子發(fā)射，即在沒有入射光時，還有按技術(shù)。雖然可以用減低管子的工作溫度、選用小面積光陰極以及選擇最佳的甄別電壓等使暗計數(shù)Rd最小，但對于極微弱的光信號，仍是一個不可忽視的噪聲來源。以Rd表示無光照時測得的暗記數(shù)率，噪聲成分將增加到，信噪比降

6、為(4)(2)脈沖堆積效應(yīng)分析光子計數(shù)器的噪聲和計數(shù)誤差時，除了上述兩個重要的因素外，還應(yīng)考慮脈沖堆積效應(yīng)，這是計數(shù)率較高時的主要誤差來源。(3)光子計數(shù)系統(tǒng)的信噪比在光子計數(shù)系統(tǒng)中，存在著光陰極和倍增極的熱發(fā)射等引起的暗計數(shù)Rd。當(dāng)用分別測量暗計數(shù)平均值Nd和總計數(shù)平均值Nt的方法測量信號的計數(shù)時，測量結(jié)果的信噪比為(5)3.實驗裝置光子計數(shù)器有PMT、放大器、脈沖高度甄別器、計數(shù)器等組成。實驗中采用天津港東GSZF-2A型單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)，示意圖如圖3所示圖3實驗裝置示意圖用于光子計數(shù)的PMT必須具有適合于實驗中工作波段的光譜響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)年帢O面積，量子效率高，暗記數(shù)率

7、低，時間響應(yīng)快，并且光陰極穩(wěn)定性高。為了獲得較高的穩(wěn)定性，除盡量采用光陰極面積小的管子外，還采用制冷技術(shù)來降低光子的環(huán)境溫度，以減少各倍增極的熱發(fā)射電子發(fā)射。放大器的作用是將陽極回路輸出的光電子脈沖線性的放大，放大器的增益可根據(jù)單光子脈沖的高度和甄別器甄別電平的范圍來選定。脈沖高度甄別器有連續(xù)可調(diào)的閾電平，即甄別電平。用于光子計數(shù)時，可以將甄別電平調(diào)節(jié)到單光電子峰下限處。這是各倍增極所引起的熱噪聲脈沖因小于甄別電平而不能通過。經(jīng)甄別器后只有光陰極形成的光電子脈沖和熱電子脈沖的輸出。計數(shù)器的作