发布时间 : 星期一 文章南京大学近代物理实验（大上学期）单光子计数v - 图文更新完毕开始阅读547f314359fb770bf78a6529647d27284b7337c8
单光子计数
1. 实验目的
1.1. 了解单光子计数工作原理。
1.2. 了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。 1.3. 了解用单光计数器系统结检测微弱光信号的方法。
2. 实验仪器
2.1. 实验系统
单光子计数实验系统由单光子计数器、外光路、制冷系统和电脑控制软件等组成，示意图如图3-1所示。
图3-1 单光子计数实验系统
2.2. 光子计数器
光子计数器的组成如图3-2所示。以下分别叙述各部分功能。
图3-2 典型的光子计数系统
2.2.1. 光电倍增管
光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。对光子计数器中所用的光电倍增管的主要要求有：光谱响应适合于所用的工作波段；暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度）；响应速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。 为了提高弱光测量的信噪比，在管子选定之后，还要采取一些措施：
1) 屏蔽电磁噪声：电磁噪声对光子计数是非常严重的干扰，因此，作光子计数用的光电倍增
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管都要加以屏蔽，最好是在金属外套内衬以坡莫合金。
2) 光电倍增管的供电部分减小噪声：通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如图
3-7所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大器的输入端。此时，光阴极及各倍增极（特别是第一、第二倍增极）与外套之间存在电位差，漏电流能使玻璃管壁产生荧光，阴极也可能发生场致辐射，造成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为了防止这种噪声的发生，可以在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极上，使光阴极与屏蔽层等电位；另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压，阴极和外套接地，但输出端需要加一个隔直流、耐高压、低噪声的电容，具体接法如图3-3所示。
图3-3 光电倍增管的正高压供电及阳极电路
3) 驱除热噪声：为获得较高的稳定性，降低暗计数率，本系统配有降低光电倍增管工作温度
的致冷装置，并选用具有小面积光阴极的光电倍增管，阴极有效尺寸是?=25mm。
2.2.2. 放大器
放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计本着有利于光电子脉冲的形成和传输。对放大器的主要要求有：有一定的增益；上升时间tr≤3ns，即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数要低。
图3-4中放大器的输出脉冲放大器的增益可按如下数据估算：光电倍增管阳极回路输出的单
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光电子脉冲的高度为Va，单个光电子的电量e=1.6×10C，光电倍增管的增益G=10，光电倍增管输出的光电子脉冲宽度tw＝10－20ns量级。按10ns脉冲计算，阳极电流脉冲幅度
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Ia≈1.6×10A=16μA
设阳极负载电阻RL＝50Ω ，分布电容C=20PF 则输出脉冲电压波形不会畸变， 其峰值为：
Va＝IaRL≈8.0×10－4V=0.8mV
当然，实际上由于各倍增极的倍增系数遵从泊松分布的统计规律，输出脉冲的高度也遵从泊松分布。上述计算值只是一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值一般的脉冲高度甄别器的甄别电平在几十毫伏到几伏内连续可调，所以要求放大器的增益大于100倍即可。
图3-4 放大器的输出脉冲
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2.2.3. 脉冲高度甄别器
脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一个连续可调的参考电压——甄别电平Vh。如图3-5所示，当输出脉冲高度高于甄别电平Vh时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。如果把甄别电平选在与图3-10中谷点对应的脉冲高度Vh上，这就弃除了大量的噪声脉冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。Vh称为最佳甄别（阈值）电平。
对甄别器的要求：甄别电平稳定，以减小长时间计数的计数误差；灵敏度（可甄别的最小脉冲幅度）较高，这样可降低放大器的增益要求；要有尽可能小的时间滞后，以使数据收集时间较短；死时间小、建立时间短、 脉冲对分辨率≤10ns，以保证一个个脉冲信号能被分辨开来，不致因重叠造成漏计。
图3-5 甄别器的作用：a为放大后，b为甄别后
需要注意的是：当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值V，得到的是脉冲幅度大于或等于V的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（如图3-6所示），其斜率最小值对应的V就是最佳甄别（阈值）电平Vh，在高于最佳甄别电平Vh的曲线斜率最大处的电平V对应单光电子峰。
图3-6 光电倍增管脉冲高度分布—积分曲线
2.2.4. 计数器
计数器的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时间间隔为10ns的二脉冲，相应的计数率为100MHz。不过当光子计数器用于微弱光的量测时，它的计数率一般很低。因此采用计数率低于10MHz的计数器亦可。这部分还必须有控制计数时间的功能。
2.2.5. 光子计数器的噪声和信噪比
光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统计涨落、光阴极和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等，具体讨论以下三种噪声来源。
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1) 泊松统计涨落噪声
用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打到光阴极上的时间间隔是随机的。根据统计规律，在一定时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布。
2) 暗计数
因光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率Rd降到最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源。
3) 脉冲堆积效应
光电倍增管具有一定的分辨时间tR，当在分辨时间tR内相继有两个或两个以上的光子入射到光阴极时（假定量子效率为1），由于它们的时间间隔小于tR，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光子数要少；另一方面，电子学系统（主要是甄别器）有一定的死时间td，在td内输入脉冲时，甄别器输出计数率也要受到损失。以上现象统称为脉冲堆积效应。
3. 实验原理
3.1. 单光子计数定义
将单位时间内通过某一截面的光子数R称为光子流量。并进一步将单位时间内通过该截面的光能量定义为光流强度，用光功率P表示。当光流强度小于10W时，该束光被称为弱光。此时，可见光的光子流量可降到一毫秒不到一个光子。因此本实验中将要完成的是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。
3.2. 测量弱光时光电倍增管输出信号的特征
在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图3-7(a))，或测量阳极电阻RL上的电压(图3-7(b))，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特征。
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图3-7 光电倍增管负高压供电及阳极电路图
弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一个电流脉冲，即在负载电阻RL上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”。脉冲的宽度tw取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常数RLC0，其中C0为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。
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