光子计数器.doc

光子计数器的基本原理及其应用研究2011/6/20分析了单光子计数器的基本原理，主要组成部件。重点介绍了光电倍增管，放大器，甄别器，计数器等各部件在微光信号检测中的功能。及光子计数器的应用。光子计数器的基本原理及其应用研究摘要：分析了单光子计数器的基本原理，主要组成部件。重点介绍了光电倍增管，放大器，甄别器，计数器等各部件在微光信号检测中的功能。介绍了光子计数器的主要误差来源。总结出光子计数器的优点从而介绍其在科学技术总的广泛应用，侧重的说明了光子计数技术在激光脉冲探测中的应用还有光子图像的探测技术。关键词：光子计数；光电倍增管；激光脉冲探测；光子图像一、 引言随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来越浓厚的兴趣。单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性物质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广泛应用。它已经成为各个发达国家光电子学界研究的课题之一 。所谓弱光，是指光电流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低的光。因此，用通常的直流测量方法，已不能把淹没在噪声中的信号提取出来。近年来，由于锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱光测量受到一定的限制。现代光子计数技术的优点是：有很高的信噪比。基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响。可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高。抗漂移性很好。在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好。有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达测106s-1。量数据以数字显示，并以数字信号形式直接输入计算机进行分析处理。基本原理1、光子的量子特性光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定式中=3.0108m/s是真空中的光速，h=6.610-34J.S是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单位为W。单色光的光功率可用下式表示式中R为单位时间通过某一截面的光子数。即只要测得R，就可得到。2、光子计数器原理光子计数器主要由光电倍增管、放大器、甄别器和计数器组成。光电计数器工作时，光电倍增管的光电阴极接受光辐射的照射，在光电倍增光的负载上形成了一系列的电脉冲，把它连接到放大器上。这些脉冲经放大器放大后，加在甄别器的输入器上，甄别器滤除部分噪音脉冲，只允许那些和光辐射功率成正比的脉冲通过，并送入计数器。光子计数器的组成2.1光电倍增管光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构。光窗：光线或射线射入的窗口，检测不同的波长的光，应选择不同的光窗玻璃。光阴极：这是接受光子产生光电子的电极，它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。倍增极：管内光电子产生倍增的电极，在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压，构成电子光学聚集系统。当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时，这些电子被聚焦到下一级倍增极上又产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有813个，一般电子放大倍数达106-109。阳极：这是最后收集电子的电极，经过多次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号，阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。光电倍增管有两种高压偏置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压。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）；响应速速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。光电倍增管结构光电倍增管的典型输出脉冲高度分布2.2放大器放大器把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲及其他的噪声脉冲线性放大, 因而放大器的设计要有利于电子脉冲的形成和传输, 要求: 有一定的增益; 上升时间, 即放大器的通频带宽达100MH z; 有较宽的线性动态范围及低噪声系数。放大器的输出脉冲2.3甄别器甄别器的作用是弃除低幅度的噪声脉冲，降低光子计数器的背景计数率，提高检测结果的信噪比。通过选择甄别器的第一甄别电平V1和第二甄别电平V2，可实现只将阴极发射而形成的单光子脉冲和热电子脉冲转换为标准脉冲参加计数，而扣除掉其他噪声脉冲。甄别器可以具有第一甄别电平和第二甄别电平，两者相差V。当V 为允许脉冲通过的阀值时，这种方式称之为窗式工作方式。V 和V 根据光电倍增管的脉冲幅度分布曲线设定，分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的由宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲，经过甄别器鉴别的输出信号是一个幅度与宽度标准化的脉冲，最后通过计数器或定标器记录，可测得排除大部分噪声的信号光子数，由于光子信号的半宽度约为1030ns，因此放大器需要足够的带宽，常用的放大器带宽为100200MHz，上升及下降时间要求小于3ns，同时放大器还要求有好的线性度（1%）和良好的增益稳定性，而放大倍数仅需10200倍即可，计数器要求有较久贩计数率，一般为100MHz，和有高的计数容量。2.4计数器计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内甄别器输出的标准脉冲。要求计数器的计数速率达到100MH z。但由于光计数器常用于弱光测量, 其) 20 )信号计数率极低, 故选用计数速率低于10MH z的计数器(定标器) 也可以满足要求。3、光子计数器的误差测量弱光信号最关心的是探测信噪比。因此,必须分析光子计数系统中各种噪声的来源。3.1、泊松统计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, 对于大量粒子的统计结果服从泊松分布。由于这种统计特性, 测量到的信号计数中就有一定的不确定度,这种不确定度是一种噪声,称统计噪声。3.2、 暗计数实际上光电倍增管的光阴极和各倍增管极还有热电子发射, 即在没有入射光时, 还有暗计数也称背景计数。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甄别电平等措施使暗计数率Rd降到最小, 但对于极微弱的光信号而言, 仍是一个不可忽视的噪声来源。34、 脉冲堆积效应光电倍增管具有一定的分辨时间, 当在分辨时间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分辨时间 , 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, 甄别器有一定的死时间, 在死时间内输入脉冲时, 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。光子计数器的信噪比，在弱光的条件下，光子到达光阴极具有的统计分布特征近似地服从泊松分布，也就是说，对于光子流量为R 的光子流，在时间间隔t 内，有n 个光子到达探测器的概率是一定的。总存在热电子发射等造成的俺计数噪声。虽然甄别器可以弃除大部分暗电流脉冲，但总还剩余一些，设其暗计数率为R ，光阴极的量根据信噪比的公式，光电倍增管的热电子发射的内部光子，例子反馈等产生的暗计数率，是决定系统测量动态范围的下限的主要因素。二、 应用研究测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化等不稳定因素的影响较小。 基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，大大提高测量结果的信噪比。 有比较宽的线性动态范围。 可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。采用了光子计数技术，可以把淹没在背景噪声的弱光信号提取出来。目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W。这是其它探测方法所不能比拟的。单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性物质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广泛应用。1、 光子计数技术在激光脉冲探测中的应用无扫描激光大光场照明时目标处的光强甚弱，通常需要加大激光器的功率和提高探测器的灵敏度。从探测技术角度探讨提高系统探测灵敏度的技术途径，即将光子计数技术应用于激光脉冲探测系统。光子计数探测的动态范围为10-16 到1011 W，回波以离散光子流的形式照射在探测器的光敏面上。当接收系统检测模超过20 时，光电子统计近似服从泊松分布规律。对于典型的激光脉冲探测系统，采用最大似然方法估算出探测阈值，并估算出平均探测时间。例如，对1011 W回波，估算的积累时间为0.2 ms。针对脉冲探测情况，采用时间门选通多点采样的数据采集方法和多脉冲预积累相关处理算法。采样周期与激光脉冲宽度相等，时间门宽稍小于激光重复周期。根据探测误差概率的需要，采用Monte Carlo 算法估算出探测积累的脉冲数和相关计算的参数。初步估算探测时间至少在10 ms 量级。光子计数技术用于激光脉冲探测可以提高探测灵敏度，增大探测距离。但存在盲区，即近距离回波信号功率较大时，光子计数技术不适用。光子计数探测的阈值光电子数与回波功率有关，因此，需要预先探测或计算出回波功率。数值模拟的结果表明，要获得高探测概率，就得采用多脉冲积累检测技术。对于10 kHz 重复周期的激光探测系统，积累500 个脉冲要耗时50 ms。2、光子图像的探测技术以微通道板像增强器为主的超弱发光图像探测系统，具有二维光子计数成像功能，可同时获得有机体超弱发光强度的时间和空间信息。微通道板（MCP）以玻璃薄片为基地，在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相似。特点：大面阵、高时间、空间分辨的电子倍增探测器。3、超弱发光的医学应用反映体内生理状态荷瘤前后（病变正常）心博停止前和心博停止后疾病诊断及愈合评价血液的超弱发光在法医上的应用。三、 结论或展望随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来越浓厚的兴趣。单光子探测技术再高分辨率的光谱测