單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)教案

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1、實(shí)驗(yàn)十九單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代光測(cè)量技術(shù)已步入極微弱發(fā)光分析時(shí)代。在諸如生物微弱發(fā)光分析、化學(xué)發(fā)光分析、發(fā)光免疫分析等領(lǐng)域中，輻射光強(qiáng)度極其微弱，要求對(duì)所輻射的光子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)具有一定光強(qiáng)的光源，若用光電倍增管接收它的光強(qiáng)，如果光源的輸出功率及其微弱，相當(dāng)于每秒鐘光源在光電倍增管接收方向發(fā)射數(shù)百個(gè)光子的程度，那么，光電倍增管輸出就呈現(xiàn)一系列分立的尖脈沖，脈沖的平均速率與光強(qiáng)成正比，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)光脈沖計(jì)數(shù)，便可檢測(cè)到光子流的強(qiáng)度，這種測(cè)量光強(qiáng)的方法稱為光子計(jì)數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】1.光子的量子特性光是由一束光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零，有一定能量的粒子。一個(gè)光子的能量可用下式確

2、定（19—1）式中m/s是真空中的光速，J.S是普朗克常數(shù)。光流強(qiáng)度常用光功率表示，單位為W。單色光的光功率可用下式表示（19—2）式中R為光子流量，即單位時(shí)間通過某一截面的光子數(shù)。只要測(cè)得R，就可得到。如果光源發(fā)出的是波長(zhǎng)為500nm的近單色光，可以計(jì)算出這種光子的能量EP為E=（19—3）當(dāng)光功率為10?14W時(shí)，這種近單色光的光子流量為（19—4）圖19-1光電倍增管的工作原理圖當(dāng)光流強(qiáng)度小于10?16W時(shí)通常稱為弱光，此時(shí)可見光的光子流量可降到一毫秒內(nèi)不到一個(gè)光子，因此實(shí)驗(yàn)中要完成的將是對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而得出弱光的光流強(qiáng)度，這就是單光子計(jì)數(shù)。2．電倍增管的工作原理。光電倍增管

3、是一個(gè)由光陰極、陽極和多個(gè)倍增極(亦稱打拿極)構(gòu)成的特殊電子管。它的前窗對(duì)工作在可見光區(qū)及近紫外區(qū)的用紫外玻璃：而在遠(yuǎn)紫外區(qū)則必須使用石英。(1)光陰極：光陰極的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，當(dāng)外來光子照射光陰極時(shí)，光陰極便可以產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生電子的多少與照射光的波長(zhǎng)及強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)照射光的波長(zhǎng)一定時(shí)，光陰極產(chǎn)生光電流的強(qiáng)度正比于照射光的強(qiáng)度，這是光電倍增管測(cè)定光強(qiáng)度的基礎(chǔ)。各種不同的光電倍增管具有不同的光譜靈敏度。目前很少用單一元素制作光陰極，常用的有AgOCs、Cs3Sb、BiAgOCs、Na2KSb、K2CsSb等由多元素組成的光陰極材料。(2)倍增極：倍增極也稱打拿極，所用的材料與陰極

4、相同。倍增極的作用實(shí)質(zhì)上是放大電流，即在受到前一級(jí)發(fā)出的電子的打擊后能放出更多的次級(jí)電子。普通光電倍增管中倍增極的數(shù)目，一般為11個(gè)，有的可達(dá)到20個(gè)。倍增極數(shù)目越大，倍增極間的電位降越大，PMT的放大作用越強(qiáng)。(3)陽極：大部分由金屬網(wǎng)做成，置于最后一級(jí)打拿級(jí)附近，其作用是接受最后一個(gè)倍增極發(fā)出的電子。但接受后，不象倍增極那樣再射出電子，而是通導(dǎo)線以電流的形式輸出。光電倍增管的工作原理如圖19-1所示，在光電倍增管的陰極和陽極間加一高電壓，且陽極接地，陰極接在高壓電源的負(fù)端。另外，在陽極和陰極之間串接一定數(shù)目的固定電阻，這樣在每個(gè)倍增級(jí)上都產(chǎn)生一定的電位降(一般為50V到90V)，使陰極

5、最負(fù)(圖中假定為·400V)，每一倍增極-300V，順次增高，至陽極時(shí)為Jf0”V。當(dāng)一束光線照射陰極時(shí)，假設(shè)產(chǎn)生一個(gè)光電子，這個(gè)光電子在電場(chǎng)的作用下，向第一倍增極射去。由于第一倍增極的電位比光陰極要正100V，所以電子在此期間會(huì)被加速。當(dāng)其撞擊第一倍增極時(shí)，會(huì)濺射出數(shù)目更多的二次電子(圖中假定為2個(gè))。依此類推，電子數(shù)目越來越多。目前，一般光電倍增管的電子數(shù)總增益G約為106，有的甚至高達(dá)108～110，由于其放大作用很強(qiáng)，所以適用于微弱光信號(hào)的測(cè)量。這里（19—5）式中d是每一個(gè)入射光電子能打出的二次電子的平均數(shù)，叫做二次發(fā)射系數(shù)。此二次發(fā)射系數(shù)與倍增級(jí)材料及倍增極間的電位降有關(guān)，式中

6、n為倍增極的數(shù)目。圖19-2光電倍增管輸出脈沖幅度分布（微分）曲線本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用的光電倍增管要求其光譜響應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小(決定管子的探測(cè)靈敏度)，響應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。3．GSZF-2A單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用弱光下光電倍增管輸出電流信號(hào)自然分離的特征，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(量子效率)使光陰極發(fā)射出一個(gè)電子。這個(gè)光電子經(jīng)倍增后在陽極形成一個(gè)電流脈沖，通過負(fù)載電阻形成一個(gè)電壓脈沖，即單光子脈沖。除了上述單光子脈沖外，還有各倍增極地?zé)岱瓷潆娮釉陉枠O回路中形成的熱反射噪聲

7、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分布如圖19-2所示。圖19-3光電倍增管輸出脈沖分布圖19-3中脈沖幅度較小的主要是倍增極產(chǎn)生的熱反射噪聲信號(hào)，而光陰極反射的電子(包括光電子和光陰極的熱反射電子)形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單電光子峰”。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)弱光經(jīng)過光電倍增管放大后產(chǎn)生的單光子電壓脈沖的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，必須設(shè)法消去光電倍