單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

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1、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013年3月7日摘要本實(shí)驗(yàn)中，我們學(xué)習(xí)了PMT為探測器的光子計(jì)數(shù)技術(shù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)了解光子計(jì)數(shù)方法和弱光檢測中的一些特殊問題。得出最佳甄別電平為20V，單光子計(jì)數(shù)信噪比RSN與測量時(shí)間t的0.5003次冪成正比；信噪比隨入射光功率Po的增大而增大；并發(fā)現(xiàn)暗記數(shù)率Rd隨溫度T減低而逐漸減小，而光計(jì)數(shù)率R與溫度T的變化無關(guān)，只在小范圍內(nèi)隨機(jī)漲落。關(guān)鍵詞單光子計(jì)數(shù)，甄別電平，光計(jì)數(shù)，暗計(jì)數(shù)，信噪比引言現(xiàn)代光測量技術(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

2、分析等領(lǐng)域中，輻射光強(qiáng)度極其微弱，要求對所輻射的光子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測。對于一個具有一定光強(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)對光脈沖計(jì)數(shù)，便可檢測到光子流的強(qiáng)度，這種測量光強(qiáng)的方法稱為光子計(jì)數(shù)。單光子計(jì)數(shù)是目前測量弱光信號最靈敏和有效的實(shí)驗(yàn)手段，這種技術(shù)中，一般都采用光電倍增管作為光子到電子的變換器(近年來，也有微通道板和雪崩光電二極管），通過分辨率

3、單個光子在光電倍增管中激發(fā)出來的光電子脈沖，利用脈沖高度甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)，把光信號從熱噪聲中以數(shù)字話的方式提取出來。與模擬檢測技術(shù)相比，單光子計(jì)數(shù)技術(shù)有如下的優(yōu)點(diǎn)：1.消除了光電倍增管高壓直流漏電流和各倍增極的熱發(fā)射噪聲的影響，提高了測量的信噪比。2.時(shí)間穩(wěn)定性好。在單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，光電倍增管漂移、系統(tǒng)增益的變化，零點(diǎn)漂移和其他因素對計(jì)數(shù)影響不大。3.可輸出數(shù)字信號，能夠直接輸出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分-17析處理。4有比較寬的探測靈敏度，目前一般的光子計(jì)數(shù)器探測靈敏度優(yōu)于10W，這是其他探測方法達(dá)不到的。本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)PMT

4、為探測器的光子計(jì)數(shù)技術(shù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)了解光子計(jì)數(shù)方法和弱光檢測中的一些特殊問題。原理1.光子流量和光流強(qiáng)度光是有光子組成的光子流，單個光子的能量ε與光波頻率ν的關(guān)系是ε=hν=hc/λ(1）式中c是真空中的光速，h是普朗克常數(shù)，λ是波長。光子流量可用單位時(shí)間內(nèi)通過的光子數(shù)R表示，光流強(qiáng)度是單位時(shí)間內(nèi)通過的光能量，常用光功率P表示。單色光的光功率P與光子流量R的關(guān)系是：P=Rε(2）如果光源發(fā)出的是波長為500nm的近單色光，可以計(jì)算出一個光子的能量ε為-19Ε=3.98×10J-16當(dāng)光功率為10W時(shí)，這種近

5、單色光的光子流量為2-1R=2.5×10s-16當(dāng)光流強(qiáng)度小于10W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，光子，因此實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)。2.PMT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(shí)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，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

6、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(shí)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(jì)數(shù)率成正比。只要用計(jì)數(shù)的方法測出單位時(shí)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.單光電子峰將光電倍增管的陽極輸出脈沖接到脈

7、沖高度記錄器作脈沖高度分布分析，可以得到單光電子峰分布，如圖2所示。圖2PMT輸出的脈沖幅度分布曲線脈沖幅度較小的主要是熱發(fā)射噪聲信號，而光陰極發(fā)射的電子形成的脈沖，其幅度集中在橫坐標(biāo)的中部，形成所謂“單光電子峰”。形成這種分布的原因是：(1）光陰極發(fā)射的電子，包括光電子和熱發(fā)射電子，都受到了所有倍增電極的增殖。因此它們的幅度大致接近。(2）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，因此前者在陽極上形成的脈沖幅度要比后者低。所以途中脈沖幅度較小的部分主要是熱噪聲脈沖。(3）各倍增極的倍增系數(shù)不是一定

8、值，有一定統(tǒng)計(jì)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谷底的脈沖加以甄別、輸出并計(jì)數(shù)顯示，就可能實(shí)現(xiàn)高信噪比的單光子計(jì)數(shù)，大大提高檢測靈敏度。4.光子計(jì)數(shù)器的組成為了能夠?qū)崿F(xiàn)對弱光經(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)法消去光電倍增管噪聲脈沖特別是倍增極產(chǎn)生的熱反射噪聲脈沖對