单光子计数实验系统的研究

1、单光子计数实验系统的研究光信息科学与技术专业 20060810090110 吕茂文指导教师 熊狂炜摘要单光子计数实验系统运用脉冲幅度甄别器和光子计数器测量光子数的实验原理并在光电倍增管相关的理论基础上，通过改变光功率和积分时间来确定最佳甄别电压，并在此甄别电压下，观测光子计数率的变化情况。利用Origin软件对实验曲线进行拟合，通过该方法得到光功率和信噪比，光功率和光子计数率以及积分时间和信噪比的关系。本文通过比较实验测得的结果和理论数值来分析影响单光子计数实验系统的各种因素，最后确定一种合理的单光子计数方法。关键词：甄别电压；信噪比；光子计数率；光电倍增管；光功率；积分时间Research

2、of the Single-Photon Count Experimentation SystemAbstract: In single photon count experiment, impulse analyzer and photon counter are used to measure photons and on the relevant basics theory of the photomultiplier tube. The best screening voltage is identified by the means of altering optical power

3、 and integration time. In addition we observe the trend of photon counting rate under this voltage. Using Origin software to fit experiment curves, we can obtain the relationship between integration time and signal to noise ratio, the optical power and photon count rate and integration time and sign

4、al to noise ratio This paper analyzes various factors affecting the Single-Photon Count Experimentation System by comparing the measured results and theoretical values, eventually, obtaining a reasonable single-photon counting method.Key words: screening voltage; signal to noise ratio; photon counti

5、ng rate; optical power; integration time 第一章 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计数检测。单光子计数器是一种检测弱光信号的重要检测仪器，它在一些基础科学研究，特别是在某些前沿学科研究中得到了广泛的应用。例如在激光研究；喇曼散色；荧光，磷光测量；化学，生物，医学，物理等各个领域中发光的研究；质谱，X射线测量；基本粒子分析；光吸收的研究；分子射线谱以及生命科学等领域中都已广泛使用光子计数技术。对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的

6、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。单光子计数属于弱光测量的范畴。在光功率为 或更微弱时，对此，通常的测量方法已无能为力，只能用光子计数技术进行测量。相对于传统的光电流测量方法相比，它具有无法比拟的优点。本文通过大量的实验数据对单光子计数实验系统进行实践测试，通过对实验测得的数据和理论数值进行对比分析，得出影响单光子计数的综合因素，最后得出一种比较准确合理的计数方法。第二章

7、 单光子计数实验原理和系统2.1：单光子计数实验的原理2.11：光电倍增管的工作原理 光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。 (1)光阴极：光阴极的作用是将光信号转变成电信号，当外来光子照射光阴极时，光阴极便可以产生光电子。产生电子的多少与照射光的波长及强度有关。当照射光的波长一定时，光阴极产生光电流的强度正比于照射光的强度，这是光电倍增管测定光强度的基础。各种不同的光电倍增管具有不同的光谱灵敏度。目前很少用单一元素制作光阴极，常用的有AgOCs、Cs3Sb、BiAgOCs、Na2K

8、Sb、K2CsSb等由多元素组成的光阴极材料。 (2)倍增极：倍增极也称打拿极，所用的材料与阴极相同。倍增极的作用实质上是放大电流，即在受到前一级发出的电子的打击后能放出更多的次级电子。普通光电倍增管中倍增极的数目，一般为11个，有的可达到20个。倍增极数目越大，倍增极间的电位降越大，PMT的放大作用越强。图1 光电倍增管的工作原理图 (3)阳极：大部分由金属网做成，置于最后一级打拿级附近，其作用是接受最后一个倍增极发出的电子。但接受后，不象倍增极那样再射出电子，而是通导线以电流的形式输出。光电倍增管的工作原理如图1所示，在光电倍增管的阴极和阳极间加一高电压，且阳极接地，阴极接在高压电源的负端

9、。另外，在阳极和阴极之间串接一定数目的固定电阻，这样在每个倍增级上都产生一定的电位降(一般为50V到90V)，使阴极最负(图中假定为·400V)，每一倍增极-300V，顺次增高，至阳极时为Jf0”V。当一束光线照射阴极时，假设产生一个光电子，这个光电子在电场的作用下，向第一倍增极射去。由于第一倍增极的电位比光阴极要正100V，所以电子在此期间会被加速。当其撞击第一倍增极时，会溅射出数目更多的二次电子(图中假定为2个)。依此类推，电子数目越来越多。目前，一般光电倍增管的电子数总增益G约为106，有的甚至高达108101，由于其放大作用很强，所以适用于微弱光信号的测量。这里 G=dN (

10、1)式中d是每一个入射光电子能打出的二次电子的平均数，叫做二次发射系数。此二次发射系数与倍增级材料及倍增极间的电位降有关，式中n为倍增极的数目。本实验系统中用的光电倍增管要求其光谱响应适合所用的工作波段，暗电流要小(决定管子的探测灵敏度)，响应速度及光阴极稳定。 2.12：SGD-2单光子计数实验系统工作原理本实验系统利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然分离的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(量子效率)使光阴极发射出一个电子。这个光电子经倍增后在阳极形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，即单光子脉

11、冲。除了上述单光子脉冲外，还有各倍增极地热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度分布如图2所示。图2光电倍增管输出脉冲分布图2中脉冲幅度较小的主要是倍增极产生的热反射噪声信号，而光阴极反射的电子(包括光电子和光阴极的热反射电子)形成的脉冲幅度较大，出现“单电光子峰”。 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。其原理框图

12、如图3所示：图3单光子计数器原理框图·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。·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。·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。 2.2:实验系统2.21 【实验器材及结构】SGD-1型单光子计数器1、光源用高亮度发光二极管作光源，波

13、长中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光的单色性，仪器备有窄带滤光片，其半宽度为 18nm。2、接收器接收器采用 CR125 光电倍增管为接收器。实验采用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20。3、光路实验系统的光路如图所示：为了减小杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。另外在筒的另一端有用来连接减光片的螺纹接口，教师可根据需要放置减光片、窄带滤光片等。主要本系统备有减光片 5 组，窄带滤光片一块，参数如下：名称透过率反射率备注窄带滤光片88中心波长500nmAB21.5%1.5%AB510.4%10.4%AB1010%10%半透半反

14、射18.9%22.1%2.22 单光子计数软件介绍：工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“帮助”等菜单项。单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。下面简单介绍各菜单的功能：1.1.1 工具栏1.“文件”菜单（如图 ）新建 清除当前实验的所有数据打开 打开一个已经存在的数据文件保存 把所选寄存器中的数据存入文件打印设置 设置打印机的属性及打印参数打印预览 显示打印时文件的外观打印 打印当前的谱线及数据退出 退出 SGD-2 控制处理

15、系统 2.“信息/视图”菜单（如图 ）采集信息 输入采集环境及其它信息寄存器信息 显示寄存器详细信息 显示网格 显示网格坐标加强数据点方式 对数据点进行加强显示数据点方式 只显示数据点3.“工作”菜单（如图） 开始 从起始点描到终止点 暂停 在起始点终止点重复扫描停止 停止扫描检测环境 在每次改变环境时记录环境4.“读取数据”菜单（如图 ） 读取数据 读取指定点的数据扩展 对波长和数值进行扩展取消所有扩展 取消本次实验的所有扩展寻峰 检索峰、谷的位置显示 根据设置显示谱线刷新 刷新屏幕5.“数据图形处理”菜单（如图 4-7） 计算 对设置的谱线进行计算平滑 平滑选定的谱线改变寄存器颜色 改变寄

16、存器颜色改变寄存器线型 改变选定的寄存器的线型1.1.2 工具栏软件提供了两个工具栏，每个工具栏由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，即可执行相应的操作或功能.1.1.3 工作区工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。工作区可同时显示多条谱线。1.1.4 状态栏状态栏用于反映当前的工作状态。另外，当定点设备指向某一菜单项或按钮时，会在状态栏显示相应的功能说明。1.1.5 参数设置区参数设置区包含了二个标签：“参数设置”、 “数据”。参数设置 设置工作模式、工作范围及采样参数数据 显示选定的寄存器中的数据1.1.6 寄存器信息提示区显示各寄存器的信息

17、。1.1.7 寄存器选择及波长显示栏选择当前寄存器，显示当前波长位置。1.2功能介绍 主要是设置工作参数（Setup）其他跟windows操作类似。选择参数设置区的“参数设置”项，界面中显示如图 4-8 所示的对话框。模式:所采集的数据格式，有时间方式、域值方式两种模式。工作范围：在起始点、终止点和最大、最小值四个编辑框中输入相应的值，以确定扫描时的范围。当使用动态方式时，最大值、最小值设置不起作用。采样参数时间单位：设分(m)、秒(s)、毫秒(ms)三种。采样参数采样间隔：设置采样时间间隔。采样参数积分时间：设置采样时的曝光时间。采样参数高压：设置提供给倍增管的高压大小。设 18档。采样参数

18、域值：设置甄别电平。设 1256 档。采样参数冷却温度：设置冷却温度）。第三章 单光子实验的实验研究31 如何确定最佳甄别电压首先我们确定一个外界功率P=0.02uw，积分时间为60，在阈值方式下，通过计算最佳信噪比判定最佳甄别电压： 3.2：在时间方式下，以最佳甄别电压下观察光子计数率的变化在积分时间为30，光功率P=0.04uw，采样间隔=1000ms和最佳甄别电压=240mv的外界条件下观测光计数的情况：3.3：大量实验数据得出：改变外界光功率和积分时间，基本上不会影响最佳甄别电压的大小，基本上稳定在：200mv280mv这个范围内。3.4：外界光功率P和光计数率Rp之间的关系在以下的实验条件下，改变外界光功率的