單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)講義

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1、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)講義一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握使用光子技術(shù)的方法對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)的操作過程;2.2.了解光子計(jì)數(shù)方法的基本原理光電倍增管（PMT）的工作原理。二實(shí)驗(yàn)儀器光源，PMT，制冷器，外光路,計(jì)算機(jī)。三實(shí)驗(yàn)原理圖1單光子實(shí)驗(yàn)框圖在弱光信號(hào)檢測(cè)中，當(dāng)光強(qiáng)微弱到一定程度時(shí)，光的量子特征開始突出起來。例如：He-Ne激光光源，其每個(gè)光子的能量為3.1910-19焦耳。當(dāng)光功率小于10-11瓦時(shí)，相當(dāng)光子的發(fā)射率為108光子數(shù)/秒，即光子的發(fā)射周期約為10-8秒，剛好是PMT輸出脈沖可分辨的極限寬度（即PMT響應(yīng)時(shí)間）。這樣，PMT的輸出呈

2、現(xiàn)出脈沖序列的特點(diǎn)，可測(cè)得一個(gè)個(gè)不重疊的光子能量脈沖。光子計(jì)數(shù)器就是利用光信號(hào)脈沖和噪聲脈沖之間的差異，如幅度上的差異，通過一定的鑒別手段進(jìn)行工作，從而達(dá)到提高信噪比的目的。單光子試驗(yàn)框圖入圖1所示。（一）基本原理圖2PMT輸出脈沖分布10單光子計(jì)數(shù)法利用在弱光下光電倍增管輸出信號(hào)自然離散化的特點(diǎn)，采用精密的脈沖幅度甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)，可把淹沒在背景噪聲中的弱光信號(hào)提取出來。當(dāng)弱光照射到光電子陰極時(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

3、成一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)脈沖稱為單光子脈沖。如圖1所示，橫坐標(biāo)表示PMT輸出的噪聲與單光子的幅度電平（能量），縱坐標(biāo)表示其幅度電平的分布概律。可見，光電子脈沖與噪聲分布位置不同。由于信號(hào)脈沖增益相近，其幅度相當(dāng)好的集中在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，光陰機(jī)反射的電子形成的脈沖幅度較大，而噪聲脈沖則比較分散，它在陽極上形成的脈沖幅度較低，因而出現(xiàn)了“單光電子峰”。用脈沖幅度鑒別器把幅度低于的脈沖抑制掉，只讓幅度高于的脈沖通過就實(shí)現(xiàn)了單光子計(jì)數(shù)。放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應(yīng)友誼頂?shù)脑鲆?，上升時(shí)間≤3ns，這就要求放大大器的通頻帶寬達(dá)到1

4、00MHz，并且有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍和較低的熱噪聲，經(jīng)過放大后的信號(hào)要便于脈沖幅度鑒別器的鑒別。脈沖幅度甄別器的主要任務(wù)就是剔除噪聲脈沖，把淹沒在噪聲信號(hào)中的光子信號(hào)篩選出來，以達(dá)到真正的光子計(jì)數(shù)的目的。在脈沖幅度甄別器里設(shè)置有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的比較電壓Vh。只有高于Vh的脈沖，才能通過甄別器得到輸出。如果把甄別電平選在圖2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。以上為一般模式（積分模式）下甄別器工作原理，圖3—a為放大后信號(hào)脈沖，圖3—b為甄別后輸出脈沖。圖3—a圖3—b圖4—a圖4—b在另外一

5、種模式下（微分模式），儀器提供兩個(gè)鑒別電平，即Vh及VL。在該模式下，儀器只對(duì)VL及Vh-VL的值進(jìn)行控制。即逐步增加VL的值，另外提供Vh-VL的一個(gè)常量，在這里我們把Vh-VL的這個(gè)常量稱為道寬。圖4—a和圖4—b描述了微分模式下甄別器的工作原理。它反應(yīng)的是在某個(gè)信號(hào)高度，信號(hào)擁有脈沖數(shù)的多少。圖4—a為鑒別前信號(hào)，4—b為鑒別后輸出脈沖，其中平行于X軸的兩條線分別表示上甄電平和下甄電平，平行線間的電平差值稱為道寬。脈沖幅度怎別電平穩(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10ns，以保證不漏。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。

6、10圖5光電倍增管結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)器的作用是在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計(jì)數(shù)。（二）光最倍增及其在探測(cè)弱光時(shí)輸出信號(hào)的特征1、光電倍增管（英文簡(jiǎn)稱PMT）的結(jié)構(gòu)與工作原理　一個(gè)典型的PMT的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其供電原理如圖6所示。當(dāng)一個(gè)光子入射到光陰極K上，可能使光陰極上以幾率逸出電子稱為量子效率。這個(gè)光電子繼續(xù)被更高的電壓加速而飛向第二倍增極。若每一前級(jí)光電子打出m2個(gè)次級(jí)電子，如此下去，到達(dá)陽極時(shí)總電子數(shù)可倍增管的效益圖6光電倍增管負(fù)高壓供電及陽極電路A＝m1.m2mn-1.mn　，?。?）給出，式中n為倍增級(jí)的數(shù)目。如是，當(dāng)

7、光陰極上逸出一個(gè)光電子，將在陽極回路中輸出電荷Qa＝A1.610-19庫侖。由于各光電子到達(dá)一倍增極的時(shí)間和路徑不完全相同（稱為渡越時(shí)間的離散）而使輸出的陽極電流脈沖dQa／dt呈一定的寬度[圖7（a）]。的典型值為10～20ns（納秒）。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)輸入脈沖呈矩形[圖7（b）]，其半高寬為t，則電流Ia＝Qa／t。對(duì)t＝10ns的情況且管增益A＝105時(shí)Ia＝1.610-14／10-8＝1.6Ma，　　　　　?。?）Ia在負(fù)載電阻Ra上產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖，稱為單光子電壓脈沖。決定于PMT的時(shí)間特性及陽極回路的時(shí)間常數(shù)RaCa（Ca為陽

8、極回路的分布電容和放大器輸入電容之和）。在光子計(jì)數(shù)器中宜用較低的負(fù)載電阻以獲得大的時(shí)間常數(shù)將輸入脈沖積分成一個(gè)高的直流信號(hào)形成對(duì)照[圖7（c）]。當(dāng)選用Ra＝50，則前面所舉例中光電倍增管的輸出脈沖幅度Va