光子計數(shù)實驗講義

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1、單光子計數(shù)實驗講義（以課本為主）一實驗目的1.掌握使用光子技術的方法對微弱信號進行檢測及實驗的操作過程;2.了解光子計數(shù)方法的基本原理光電倍增管（PMT）的工作原理。二實驗儀器光源，PMT，制冷器，外光路,計算機。三實驗原理圖1單光子實驗框圖在弱光信號檢測中，當光強微弱到一定程度時，光的量子特征開始突出起來。例如：He-Ne激光光源，其每個光子的能量為3.1910-19焦耳。當光功率小于10-11瓦時，相當光子的發(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

2、應時間）。這樣，PMT的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點，可測得一個個不重疊的光子能量脈沖。光子計數(shù)器就是利用光信號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行工作，從而達到提高信噪比的目的。單光子試驗框圖入圖1所示。（一）基本原理圖2PMT輸出脈沖分布10單光子計數(shù)法利用在弱光下光電倍增管輸出信號自然離散化的特點，采用精密的脈沖幅度甄別技術和數(shù)字計數(shù)技術，可把淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當弱光照射到光電子陰極時，每個入射光子以一定的概率（即量子效率）使光陰極發(fā)射一個電子。這個光電子經倍增系統(tǒng)的倍

3、增最后在陽極回路中形成一個電流脈沖，通過負載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈沖。如圖1所示，橫坐標表示PMT輸出的噪聲與單光子的幅度電平（能量），縱坐標表示其幅度電平的分布概律?？梢姡怆娮用}沖與噪聲分布位置不同。由于信號脈沖增益相近，其幅度相當好的集中在一個特定的范圍內，光陰機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現(xiàn)了單光子計數(shù)。放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放

4、大，應友誼頂?shù)脑鲆?，上升時間≤3ns，這就要求放大大器的通頻帶寬達到100MHz，并且有較寬的線性動態(tài)范圍和較低的熱噪聲，經過放大后的信號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就是剔除噪聲脈沖，把淹沒在噪聲信號中的光子信號篩選出來，以達到真正的光子計數(shù)的目的。在脈沖幅度甄別器里設置有一個連續(xù)可調的比較電壓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的谷點對應的脈沖高度上，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

5、3—a為放大后信號脈沖，圖3—b為甄別后輸出脈沖。圖3—a圖3—b圖4—a圖4—b在另外一種模式下（微分模式），儀器提供兩個鑒別電平，即Vh及VL。在該模式下，儀器只對VL及Vh-VL的值進行控制。即逐步增加VL的值，另外提供Vh-VL的一個常量，在這里我們把Vh-VL的這個常量稱為道寬。圖4—a和圖4—b描述了微分模式下甄別器的工作原理。它反應的是在某個信號高度，信號擁有脈沖數(shù)的多少。圖4—a為鑒別前信號，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

6、怎別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時間小，建立時間短，脈沖對分辨率小于10ns，以保證不漏。甄別器輸出經過整形的脈沖。10圖5光電倍增管結構計數(shù)器的作用是在規(guī)定的測量時間間隔內將甄別器的輸出脈沖累加計數(shù)。（二）光最倍增及其在探測弱光時輸出信號的特征1、光電倍增管（英文簡稱PMT）的結構與工作原理　一個典型的PMT的結構如圖5所示，其供電原理如圖6所示。當一個光子入射到光陰極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。若每一前級光電子打出m2個次級電子，如此下去，到達陽極時總

7、電子數(shù)可倍增管的效益圖6光電倍增管負高壓供電及陽極電路A＝m1.m2mn-1.mn　，　（1）給出，式中n為倍增級的數(shù)目。如是，當光陰極上逸出一個光電子，將在陽極回路中輸出電荷Qa＝A1.610-19庫侖。由于各光電子到達一倍增極的時間和路徑不完全相同（稱為渡越時間的離散）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）。為簡單起見，設輸入脈沖呈矩形[圖7（b）]，其半高寬為t，則電流Ia＝Qa／t。對t＝10ns的情況且管增益A＝105時Ia＝1.610-14／10-8

8、＝1.6Ma，　　　　　?。?）Ia在負載電阻Ra上產生一個電壓脈沖，稱為單光子電壓脈沖。決定于PMT的時間特性及陽極回路的時間常數(shù)RaCa（Ca為陽極回路的分布電容和放大器輸入電容之和）。在光子計數(shù)器中宜用較低的負載電阻以獲得大的時間常數(shù)將輸入脈沖積分成一個高的直流信號形成對照[圖7（c）]。當選用Ra＝50，則前面所舉例中光電倍增管的輸出脈