单光子计数实验报告

1、单光子计数实验报告实验时间：2013年3月7日摘要本实验中，我们学习了 PMT为探测器的光子计数技术的基础实验方法， 并通 过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题。得出最佳甄别电平为 20V,单光子计数信噪比RSN与测量时间t的0.5003次幕成正比；信噪比随入射 光功率Po的增大而增大；并发现暗记数率 R随温度T减低而逐渐减小，而光计 数率R与温度T的变化无关，只在小范围内随机涨落。关键词单光子计数，甄别电平，光计数，暗计数，信噪比引言现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。在诸如生物微弱发光分析、化 学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光 子数进行

2、计数检测。对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光 强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发 射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的 强度，这种测量光强的方法称为光子计数。单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器 （近年来，也有微通道板和雪崩光 电二极管），通过分辨率单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用 脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字话的方式提取出

3、来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点：1.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，提高了测量的信噪比。2.时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移 和其他因素对计数影响不大。3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分 析处理。4有比较宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于 10-17W， 这是其他探测方法达不到的。本实验学习PMT为探测器的光子计数技术的基础实验方法，并通过实验了解 光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题。原理1. 光子流量和光流强度光是有光子组成的光子流，单个光子的能量&与光波频率v

4、的关系是£ =h v =hc/ 入(1)式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，入是波长。光子流量可用单位时间内通过的光子数 R表示，光流强度是单位时间内通过 的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是：P=R£(2)如果光源发出的是波长为500nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量£ 为E =3.98 X 10-19J当光功率为10-16W时，这种近单色光的光子流量为2 -1R=2.5X 10s当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫 秒内不到一个，光子，因此实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光

5、的光流强度，这就是单光子计数。2. PMT俞出信号波形PMT是一种从紫外到近红外都有极高灵敏度和超快时间相应的真空电子管 类光探测器件，用于各种微弱光的测量。由图1所示，光阴极上发射出的电子，经聚焦和加速打在第一倍增极上面，将在第一倍增极上打出几倍于入射电子数目的二次电子。这些电子被加速后达到第二倍增极上，接连经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增加到10 8。最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号。在非弱光测量中由于光子流量较大测得的 PMT俞出信号为连续信号。而在弱光测 量，光子流量较小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级， 阳极回路中输出的 是一个个离散的

6、尖脉冲。尽管光信号可以是由一连续发光的光源发出的， 而光电 倍增管输出的电信号却是一个一个无重叠的尖脉冲， 光子流量与这些脉冲的平均 计数率成正比。只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数， 就相当于检 测了光的强度。3. 单光电子峰将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录器作脉冲高度分布分析，可以得到单光电子峰分布，如图2所示。图2 PMT输出的脉冲幅度分布曲线脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子形成的脉冲， 其幅度集中在横坐标的中部，形成所谓“单光电子峰”。形成这种分布的原因是：(1 )光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增电极 的增殖。因此它们

7、的幅度大致接近。(2 )各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受的少， 因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低。 所以途中脉冲幅度较小的部分主 要是热噪声脉冲。(3 )各倍增极的倍增系数不是一定值， 有一定统计分布，大体上遵守泊松分 布。所以，如果用脉冲高度甄别器将幅度高于谷底的脉冲加以甄别、输出并计数显示，就可能实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度。4. 光子计数器的组成为了能够实现对弱光经过光电倍增管放大后产生的单光子电压脉冲的准确计数，必须设法消去光电倍增管噪声脉冲特别是倍增极产生的热反射噪声脉冲对计数器的干扰。本实验采用脉冲高度甄别和数字计数技术来实现。其原

8、理框图如图3所示:计藪!S图3单光子计数器原理框图（1）放大器：把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大。经放大的脉冲信号送至脉冲 幅度甄别器。（2） 脉冲幅度甄别器：甄别器中设有一个连续可调的参考电压Vh。当输入脉冲 高度低于Vh时，甄别器过滤该脉冲，使甄别器不产生输出。只有高于Vh的脉冲， 甄别器才输出一个标准脉冲。由于噪声脉冲和单光子脉冲的幅度的分离， 只要选 取合适的参考电压 Vh,就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而 提高信噪比。（3）计数器：在规定的时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数。5. 光子计数器的噪声和信噪比测量弱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的各

9、种 噪声来源。（1）泊松统计噪声用PMT探测热光源发射的电子，相邻的光子达到光阴机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，称为统计噪声。统计噪声固有的信噪比为SNR -Nnn ，-Rt(2) 暗计数Rt.Rt RdtPMT勺光阴及各个倍增极还有热电子发射，即在没有入射光时，还有按技术。 虽然可以用减低管子的工作温度、选用小面积光阴极以及选择最佳的甄别电压等 使暗计数Rd最小，但对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源。以 R表示无光照时测得的暗记数率，噪声成分将增加到-RCRdt，信噪比降为

10、SNR(3) 脉冲堆积效应分析光子计数器的噪声和计数误差时， 除了上述两个重要的因素外，还应考 虑脉冲堆积效应，这是计数率较高时的主要误差来源(4) 光子计数系统的信噪比在光子计数系统中,存在着光阴极和倍增极的热发射等引起的暗计数用分别测量暗计数平均值Nd和总计数平均值N的方法测量信号的计数时，测量结果的信噪比为SNRNtNdNdRAR 2Rd实验装置光子计数器有PMT放大器、脉冲高度甄别器、计数器等组成。实验中采用天津港东GSZF-2A型单光子计数实验系统，示意图如图 4所示111mJill.A/D"酣别褂“战丈圳一 Jaw炮料器光源-a计片机妙率计图4实验装置示意图用于光子计数的

11、PMT必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应， 要有适当 的阴极面积，量子效率高，暗记数率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高。为 了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用制冷技术来降 低光子的环境温度，以减少各倍增极的热发射电子发射。放大器的作用是将阳极回路输出的光电子脉冲线性的放大，放大器的增益可 根据单光子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定。脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平，即甄别电平。用于光子计数时，可以 将甄别电平调节到单光电子峰下限处。这是各倍增极所引起的热噪声脉冲因小于 甄别电平而不能通过。经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲的 输出。计数器的作用

12、是将甄别器输出的脉冲累积起来并予以显示。实验结果与分析1. 确定最佳甄别电平选择入射光功率为R=1.2*10-13W测量PMT俞出脉冲幅度随电压的分布，得先确定甄别电平的取值范围为20V附近，然后再分别取20V附近的几个值, 分别测它们的光计数Nt和暗计数Nd,计算信噪比，取信噪比最大那个值。结果 如表1所示：表1电压幅度（V）NdNt信噪比SNR16112.588212425.75109.96381860260.7862229.045.6238342050.0588214260.33118.78912241.9411812328.61110.46882431.74518934.17694.0

13、18032616.137254678.5168.04646287.274511975.68644.20372最终电压幅度为20V时的信噪比最大，所以选取20V为最佳甄别电平，此时 的误差最小。2. 探究信噪比与测量时间的关系实验中采集样式设为时间方式，阈值选定为最佳甄别电平20V。选择入射光功率为Po=2*1O-14W，通过改变测量时间，分别进行测量，结果表 2所示： 表2测量时间（s）NdNt信噪比SNR0.14.167361271.208216.09218150.826452753.86851.0399210544.538527623.85161.3454301629.682927.227

14、9.5783603292.333165639.7394.9929由图信噪比SNF与测量时间t的拟合曲线公式可知，信噪比SNR与测量时间 t的0.5003次幕成正比。由公式（5）可知，理论上SNF与 t的0.5次幕成正比， 则实验值与理论值基本相符。3. 探究信噪比与入射光功率的关系设定积分时间t=1s，通过选择减光片组和调整光源强度，改变入射光功率Po,分别进行测量，结果如表3所示：表3P0NtNdSNR10E-1314553.6653.42513119.975710E-142730.34453.3278750.7390110E-15346.295151.7049214.7664710E-16

15、217.37752.8207410.01091由图7可知信噪比RSN随入射光功率Po的增大而增大。4.工作温度T对PMT勺暗记数率R和光计数率R的影响用半导体致冷仪降温，分别测量不同温度下的暗记数率Rd和光计数率Rp,结果如表4所示:表4温度（oC）RpRd202772.44228.01743152757.8035222.31148102777.0981852757.311713.262302766.6535711.93443-52733.45110.68627-102731.8639.607843-152722.969.215686-202722.1967.941176由表4可知，随温度T的逐渐降低，暗记数Rd逐渐减小，这是由于温度较 低时会抑制热电子的发射，所以随T的降低，